基于MATLAB的同步發(fā)電機(jī)仿真分析

摘 要：在發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中帶有整流的在建模以及求解是非常復(fù)雜的，因此，文章采用了SPS模塊庫進(jìn)行了電器元件的模塊建立，帶有發(fā)電機(jī)整流負(fù)載的同步仿真模型，這種MATLAB式的模型能夠在系統(tǒng)的有效運(yùn)行下進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真分析，并且分析的形式為動態(tài)的，可以將實驗的結(jié)果同分析相互的對比，這就為整流的負(fù)載同步系統(tǒng)在參數(shù)設(shè)計以及故障的維修和保護(hù)上做出理論研究提供基礎(chǔ)工作。

關(guān)鍵詞：仿真分析；同步發(fā)電機(jī)；整流；模型

引言

目前在電站以及艦船和飛機(jī)這些供電系統(tǒng)中，大多都是獨(dú)立的帶有整流負(fù)載的同步發(fā)電系統(tǒng)，因此對其計算和仿真分析技術(shù)在此領(lǐng)域受到了越來越多的學(xué)者專家的關(guān)注，但是不得不提到的是，電機(jī)在整流橋的數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)上是十分的復(fù)雜和難以求解的，這就在研究分析上帶來了一定的困難。

而MATLAB的推出以及軟件的應(yīng)用的推廣發(fā)展使得這種同步的發(fā)電機(jī)在建模仿真分析的問題上得到了很好的結(jié)局，這也是依仗了這種軟件在計算能力上的強(qiáng)大能力，使得帶整流的負(fù)載同步系統(tǒng)在進(jìn)行模擬上不但快捷簡便同時也變得準(zhǔn)確。本文主要就這種發(fā)電機(jī)在MATLAB的仿真建模上的系統(tǒng)動態(tài)各個過程的情況，并在此基礎(chǔ)上將仿真結(jié)果同試驗結(jié)果相互對比，用以證明在仿真模型的建立上MATLAB仿真模型基本可以在電力系統(tǒng)的實際研究中滿足試驗的需要，這個在結(jié)果上較為理想。另外，仿真結(jié)果不但在系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)時具有重要意義，在保護(hù)故障時以及運(yùn)行設(shè)備的可靠性保障時都有著重要的意義。

1 建立系統(tǒng)模型

1.1 數(shù)學(xué)動態(tài)模型的建立

在對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的動態(tài)分析時，應(yīng)當(dāng)在分析同步發(fā)電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型時，假設(shè)如下：首先要保證發(fā)電機(jī)的參數(shù)是恒定的；其次，對磁滯以及磁飽和和渦流的影響不計算在內(nèi)；然后要求定子需要三相對稱；最后則要求對高次諧波進(jìn)行忽略。

同步電機(jī)在組成上主要由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，而又由ABC三個繞組共同組成了定子，轉(zhuǎn)子則是由兩個阻尼繞組以及一個勵磁繞組組成，這六個繞組之間相互耦合，存在著電磁關(guān)系。

根據(jù)電路KVL定律，發(fā)電機(jī)六個繞組可以建立如下六個回路電壓平衡方程：

（1） （2）

（3） （4）

（5） （6）

式中記號說明：d、q：直軸、交軸分量；R、s：轉(zhuǎn)子、定子分量；l、m：漏感、自感；f、k：勵磁繞組分量、阻尼繞組分量；根據(jù)六個繞組之間的磁鏈耦合關(guān)系，按照右手螺旋定則，可以得到發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的六個磁鏈方程如下：

（7） （8）

（9） （10）

（11） （12）

1.2 整流橋的數(shù)學(xué)模型

整流橋是由三相全波整流電路組成。整流橋的橋臂可由二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT等多種形式構(gòu)成。每種管子的數(shù)學(xué)模型都是由導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通電感和前向壓降串聯(lián)構(gòu)成。管子的數(shù)學(xué)模型如下式：

Vak=（Ron+Xon）i+Vf（13）

式中，Ron：導(dǎo)通電阻；Xon：導(dǎo)通電抗；Vf：前向壓降

1.3 整流系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)上面建立的同步發(fā)電機(jī)和整流橋的仿真模型，本文建立了同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的仿真模型，在直流側(cè)并聯(lián)了濾波電容C和電阻。

仿真中，同步發(fā)電機(jī)的輸入功率Pm，勵磁電壓Vf及初始狀態(tài)的設(shè)定可根據(jù)負(fù)載需要由Powergui模塊來給出。Powergui模塊是MATLAB6.5電力系統(tǒng)仿真中功能很強(qiáng)大的一個模塊。

2 仿真與試驗分析

系統(tǒng)仿真中的發(fā)電機(jī)、整流橋、負(fù)載的參數(shù)均由試驗測量確定。同步發(fā)電機(jī)為5kVA/380V，1500r/min恒定電壓源勵磁同步電機(jī)（無勵磁調(diào)節(jié)裝置），整流橋為380V/300A三相二極管不可控整流橋，濾波電容為100μF，負(fù)載為4.2？贅電阻。

下面對同步電機(jī)帶整流負(fù)載的突加負(fù)載、突卸負(fù)載和突然短路動態(tài)過程進(jìn)行仿真分析。

2.1 整流系統(tǒng)突加負(fù)載仿真分析

實驗中的整流負(fù)載具有較小的額定功率，因此在仿真結(jié)果的實驗進(jìn)行對比結(jié)果時往往會對輸出電壓的有效值進(jìn)行設(shè)定，在這里一般都會設(shè)定成42V。

同步發(fā)電機(jī)在單臺系統(tǒng)上進(jìn)行突加負(fù)載，整流橋就會產(chǎn)生Uz波形的輸出電壓，而在負(fù)載兩端就會產(chǎn)生Usc波形的電壓。發(fā)電機(jī)賊空載時候，Uz電壓在整流橋處的輸出約是56V，而閉合開關(guān)之后，因為不具有勵磁調(diào)節(jié)，因此需要一個短暫的過渡時間電壓才會降到18V。

本文以檢驗上述MATLAB的仿真結(jié)果是否正確，對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了整流負(fù)載的實驗以同仿真參數(shù)結(jié)果進(jìn)行同步的比較。在實驗中選擇的是LTG1直流調(diào)速柜55kw的直流電動機(jī)對同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，而電機(jī)的勵磁則是由恒定的電壓電源進(jìn)行提供。結(jié)果會以波形的形式通過Wavestar For Oscilloscopes的軟件進(jìn)行錄入，錄入通過示波器TDS220。

2.2 負(fù)載突卸的仿真分析

這種負(fù)載突卸的狀態(tài)實則是一個過渡的過程，這種典型的過渡是同步電機(jī)在整個運(yùn)行狀況中整流負(fù)載的一個基本現(xiàn)象。文章通過使用仿真模型對這一過程進(jìn)行了高仿真的分析。輸出Uz波形電壓對于整個整流橋處，而在負(fù)載兩端則是Usc波形電壓。開關(guān)斷開之后整流橋處的電壓Uz會迅速升高，達(dá)到50V，之后大約會出現(xiàn)三秒的收斂時間達(dá)到空載的穩(wěn)態(tài)56V。而Usc則會在斷開開關(guān)之后降至0。

上述實驗就可以看出，在同步電機(jī)進(jìn)行負(fù)載到空載過程匯總，整流橋處會輸出Uz波形的電壓，而在負(fù)載兩端則會產(chǎn)生Usc型的電壓。仿真結(jié)果同試驗吻合程度相當(dāng)?shù)母摺?/p>

2.3 短路的整流系統(tǒng)分析

在電力系統(tǒng)中整流系統(tǒng)的短路故障是很常見的，但是短路會出現(xiàn)短路電流，而短路電流由于其電流的巨大，會對電力系統(tǒng)造成極大的威脅，因此在電路的設(shè)計上會對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)性的設(shè)計。短路電流會在設(shè)計時通過系統(tǒng)保護(hù)裝置，對短路電流的大小進(jìn)行控制。這是具有很大的意義的，而仿真模型的建立其實在一定的程度簡化了這一設(shè)計過程。

在整流的整體系統(tǒng)中，直流側(cè)出現(xiàn)短路的現(xiàn)象較為復(fù)雜，可以看成是交流側(cè)的三相對稱性質(zhì)的短路現(xiàn)象。但是對于直流側(cè)，短路的最大電流的峰值卻是能夠達(dá)到280A的。

而對于電機(jī)以及短路電流之間的參數(shù)關(guān)系研究，本文通過對電機(jī)的其他參數(shù)設(shè)定不變來進(jìn)行假設(shè)性的試驗，對最大短路的峰值電流進(jìn)行探討降低方式。通過對直軸的電抗Xd的超瞬變從0.073變成0.15，對直流側(cè)的短路電流進(jìn)行仿真性模擬，通過實驗，得出最大的峰值電流會隨著Xd增加而降低。

而在研究中，發(fā)現(xiàn)Tdo對于短路電流的數(shù)值還會造成一定的影響，同樣是對發(fā)電器的其他參數(shù)設(shè)定固定值，將Tdo從0.0701s改變至0.01s，就會發(fā)現(xiàn)Tdo變小后短路電流的峰值出現(xiàn)了明顯降低的現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

（1）對于實驗中仿真結(jié)果以及實驗結(jié)果的波形對比，證實了在準(zhǔn)確性上仿真模型具有高可信度特點(diǎn)。

（2）通過對于整流的整體系統(tǒng)的仿真模擬的研究實驗，在直軸的電抗Xd以及順變電驢卡魯?shù)腡do短路時間常數(shù)出現(xiàn)變化時，系統(tǒng)中的短路電流的峰值數(shù)值會出現(xiàn)較大的變化。

（3）根據(jù)實際的控制需求，對于短路電流在系統(tǒng)的設(shè)計中可以設(shè)計和選擇電機(jī)的同步參數(shù)，從而對設(shè)備的故障保護(hù)進(jìn)行及時的安全保證。

參考文獻(xiàn)

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