利用MATLAB進(jìn)行發(fā)電機(jī)滅磁仿真計(jì)算

劉基濤

摘要：本文利用MATLAB進(jìn)行發(fā)電機(jī)滅磁容量和滅磁時(shí)間的仿真計(jì)算。介紹了滅磁計(jì)算使用的模型和相關(guān)計(jì)算公式。并將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際的滅磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明仿真計(jì)算的波形和實(shí)際滅磁波形一致，誤差在可以接受的范圍。

Abstract： This paper uses MATLAB to simulate the deexcitation capacity and time of generator. The models and formulas used in de-excitation calculation are introduced. The simulation data and the actual de-excitation data are compared. The results show that the simulation waveform is consistent with the actual de-excitation waveform， and the error is acceptable.

關(guān)鍵詞：Matlab;勵(lì)磁系統(tǒng);滅磁計(jì)算

Key words： MATLAB;excitation system;de-excitation calculation

中圖分類號：TM31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0278-02

0 ?引言

目前，大部分發(fā)電機(jī)都采用自并激勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁電壓和電流都比較大。在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，滅磁電阻的設(shè)計(jì)選擇是非常重要的。本文利用MATLAB GUI開發(fā)了一個(gè)滅磁計(jì)算工具，以便在設(shè)計(jì)過程中參考。

1 ?MATLAB GUI簡介

MATLAB GUI工具是圖形化用戶界面，編程語言采用m語言編程。m語言有豐富的函數(shù)庫，簡單易學(xué)，非常適合工程計(jì)算使用。

2 ?仿真模型的建立

滅磁開關(guān)跳閘后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的電流經(jīng)過非線性電阻消耗掉能量。電路圖如圖1所示。

其中 r是轉(zhuǎn)子繞組的電阻值，R是非線性電阻，If是轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)圖1電路可以列出下面方程：

（1）

式（1）中：

φ是轉(zhuǎn)子繞組的磁通。由于轉(zhuǎn)子鐵芯飽和原因，磁通和轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系是非線性的。通過發(fā)電機(jī)的飽和特性曲線可以建立函數(shù)關(guān)系。本文采用MATLAB自帶的多項(xiàng)式擬合函數(shù)“polyfit” 建立轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)子電流的函數(shù)關(guān)系。

U是非線性電阻上的壓降。常用的非線性電阻有氧化鋅和碳化硅，本文采用碳化硅來計(jì)算。根據(jù)碳化硅電阻樣本，電阻上電壓和電流關(guān)系為：

（2）

3 ?初始滅磁電流計(jì)算

滅磁計(jì)算一般按空載誤強(qiáng)勵(lì)計(jì)算和發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)三相短路兩種方式計(jì)算。

空載誤強(qiáng)勵(lì)：

按照勵(lì)磁失控，發(fā)電機(jī)空載電壓到1.3倍，保護(hù)0.3秒后動作跳閘來計(jì)算滅磁時(shí)初始轉(zhuǎn)子電流

（3）

式（3）中I0是機(jī)端電壓為1.3倍是勵(lì)磁電流的大小，Td0 （s）是發(fā)電機(jī)定子開路時(shí)轉(zhuǎn)子直軸瞬變時(shí)間常數(shù)的飽和值。Uf是跳閘時(shí)的勵(lì)磁電壓。

三相短路時(shí)勵(lì)磁電流按照額定勵(lì)磁電流計(jì)算。

4 ?計(jì)算程序和GUI的編寫

①參數(shù)輸入畫面，以上公式中計(jì)算的參數(shù)需要輸入發(fā)電機(jī)的一些參數(shù)，例如勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、時(shí)間常數(shù)等。通過參數(shù)的形式傳遞給計(jì)算傳遞給計(jì)算函數(shù)。

②通過向后差分法Z變換將式（1）微分方程離散化得到：

其中本文的采樣周期t為0.001秒。將初始值帶入后即可計(jì)算出滅磁曲線。

③轉(zhuǎn)子中的能量是在轉(zhuǎn)子電阻和滅磁電阻上消耗的，需要分別將這兩部分的能量分別計(jì)算出來。轉(zhuǎn)子電阻上的消耗的功率為r*i2，滅磁電阻上消耗的功率為U*i。將功率積分后即可得到電阻上消耗的能量。

④通過MATLAB的應(yīng)用程序編譯器，將編寫好的程序編譯生成可執(zhí)行exe文件。在沒有安裝MATLAB的電腦上也能執(zhí)行仿真計(jì)算。圖2是仿真設(shè)置畫面和仿真曲線。

5 ?仿真與實(shí)際滅磁數(shù)據(jù)對比

表1是某發(fā)電機(jī)仿真滅磁數(shù)據(jù)和實(shí)際滅磁數(shù)據(jù)的對比。

仿真滅磁時(shí)：4.4S;實(shí)際滅磁時(shí)間4.3S。

從表中看出，仿真的滅磁電壓是實(shí)際滅磁電壓的94%左右。這是因?yàn)槭褂檬剑?）中的常數(shù)35和0.4是一個(gè)平均值，仿真中的發(fā)電機(jī)參數(shù)也都是理論值。這些會導(dǎo)致仿真和實(shí)際的誤差。

在工程設(shè)計(jì)時(shí)我們會考慮安全裕量，由于參數(shù)導(dǎo)致的誤差就顯得不那么明顯了。

6 ?總結(jié)

本文通過MATLAB GUI編寫了一個(gè)滅磁能量仿真計(jì)算的工具，介紹了仿真計(jì)算的方法。并將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)行了對比。該工具可以在勵(lì)磁設(shè)計(jì)中使用，作為電阻容量選型的依據(jù)。

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