基于MATLAB 的勵磁系統(tǒng)整流單元分析與仿真

賈少華，李雅琪

（中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗研究院，河南鄭州 450000）

0 引言

目前在同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)子直流電流的大小，從而實現(xiàn)發(fā)電機輸出的控制。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要包含兩部分：勵磁功率整流單元和勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁功率整流單元通常采用三相橋式可控整流電路。三相可控整流數(shù)據(jù)計算量比較大，計算比較繁瑣。運用MATLAB 軟件，可以使電力工作人員快速、容易的建立模型，迅速的得到仿真結(jié)果。依據(jù)三相全橋可控整流電路原理，借助MATLAB，建立同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)整流電路的仿真模型，快速的得到仿真結(jié)果。實例證明，仿真的結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，驗證了所建模型的正確性。

1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)用于為同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供勵磁電流、勵磁電壓，主要由勵磁調(diào)節(jié)器和并聯(lián)功率整流裝置兩部分組成：勵磁調(diào)節(jié)器可根據(jù)電機端電壓、電流實時反饋輸入信號與給定值的偏差進行調(diào)節(jié)控制，并將調(diào)整值平均分配給各并聯(lián)功率整流裝置；并聯(lián)功率整流裝置則負責(zé)給發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供所需的勵磁電流。

目前大型同步發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)通常采用自并勵方式，其原理如圖1 所示。自并勵方式是在發(fā)電機出口通過勵磁變壓器直接將發(fā)電機的定子電壓、定子電流的實時輸出反饋給勵磁調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)整流裝置導(dǎo)通角實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁電流的調(diào)節(jié)控制。其主要由以下部分構(gòu)成：勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器、并聯(lián)功率整流裝置、滅磁及過電壓保護裝置、初勵電源裝置。

圖1 自并勵磁系統(tǒng)接線原理

2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)整流單元原理與分析

2.1 整流原理

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)整流單元采用的是三相可控整流電路，其原理如圖2 所示，其中功率模塊（VT1、VT3、VT5）以共陰極接法組合，功率模塊（VT4、VT6、VT2）以共陽極接法組合[1-3]。三相可控整流電路的任意時刻都有兩個功率模塊同時導(dǎo)通，從而形成供電回路。功率模塊的觸發(fā)角以α 表示，在同一周期內(nèi)，功率模塊的導(dǎo)通順序為VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。在負載為純阻性情況時，將一個周期分為6 個部分，每部分是60°，以觸發(fā)角α=0°為例，分析電路的工作情況，三相可控整流電路α=0°原理如圖3所示。

圖2 并聯(lián)功率整流電路原理

圖3 三相可控整流電路α=0°原理

（1）在t1～t2區(qū)間：正半軸a 相電壓最高，負半軸b 相電壓最低，VT1、VT6導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Ua-Ub=Uab。

（2）在t2～t3區(qū)間：正半軸a 相電壓最高，負半軸c 相電壓最低，VT1、VT2導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Ua-Uc=Uac。

（3）在t3～t4區(qū)間：正半軸b 相電壓最高，負半軸c 相電壓最低，VT3、VT2導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Ub-Uc=Ubc。

（4）在t4～t5區(qū)間：正半軸b 相電壓最高，負半軸a 相電壓最低，VT3、VT4導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Ub-Ua=Uba。

（5）在t5～t6區(qū)間：正半軸c 相電壓最高，負半軸a 相電壓最低，VT5、VT4導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Uc-Ua=Uca。

（6）在t6～t7區(qū)間：正半軸c 相電壓最高，負半軸b 相電壓最低，VT5、VT4導(dǎo)通，輸出電壓為Ud=Uc-Ub=Ucb。

以此類推，可得到表1 的情況。

表1 三相可控整流電路阻性負載輸出電壓表

注釋：當(dāng)0°≤α≤60°時，整流輸出電壓Ud波形連續(xù)，對于阻性負載，Id波形與Ud波形狀態(tài)一樣，也是連續(xù)的。

當(dāng)60°＜α＜120°時，整流輸出電壓Ud波形斷續(xù)，對于阻性負載，Id波形與Ud波形狀態(tài)一樣，也是斷續(xù)的；一旦Ud降至0，Id也降至0，流過功率模塊的電流也降為0，功率模塊關(guān)斷，輸出整流電壓Ud為0，因此Ud波形不出現(xiàn)負值。

當(dāng)α≥120°時，整流輸出電壓Ud波形全為0，其平均值也為0[4-6]。

2.2 整流輸出電壓、電流定量分析

（1）當(dāng)0°≤α≤60°時，在負載為阻性狀態(tài)下，整流輸出平均電壓Ud、輸出平均電流Id表達式如式（1）、式（2）所示（U2：交流輸入端單相電壓有效值，即三相電壓Ua、Ub、Uc的有效值）：

（2）當(dāng)60°＜α＜120°時，在負載為阻性狀態(tài)下，整流輸出平均電壓Ud、輸出平均電流Id表達式如式（3）、式（4）所示：

U2為交流輸入端單相電壓有效值，即三相電壓Ua、Ub、Uc的有效值。

3 勵磁系統(tǒng)整流單元建模與仿真

3.1 勵磁系統(tǒng)整流單元的仿真模型

基于上述理論分析，搭建仿真電路[7-9]，如圖4 所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下：三相輸入電壓有效值Ua=Ub=Uc=100 V，頻率f=50 Hz，三相電壓初始相角度分別為0°、-120°、120°，負載電阻R=10 Ω。功率模塊的觸發(fā)脈沖選擇雙脈沖觸發(fā)，脈沖寬度設(shè)置為25°，兩個脈沖的前沿相差60°。觸發(fā)角度α 分別設(shè)置為0°、30°、60°、90°。

圖4 勵磁系統(tǒng)整流單元仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及其分析

勵磁系統(tǒng)整流單元的仿真結(jié)果如圖5～圖8 所示。圖5 為0°觸發(fā)角，純電阻性負載條件下，交流側(cè)輸入端三相線電壓波形、功率模塊VT1 兩端電壓波形和直流輸出側(cè)負載兩端電壓波形。圖6、圖7、圖8 是觸發(fā)角分別為30°、60°、90°條件時，交流側(cè)輸入端三相線電壓波形、功率模塊VT1兩端電壓波形和直流輸出側(cè)負載兩端電壓波形。從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發(fā)生不同的變化。隨著出發(fā)角度的增大，輸出電壓的平均值逐漸減小。

圖5 勵磁系統(tǒng)整流單元觸發(fā)角α=0°時仿真輸出波形

圖6 勵磁系統(tǒng)整流單元觸發(fā)角α=30°時仿真輸出波形

圖7 勵磁系統(tǒng)整流單元觸發(fā)角α=60°時仿真輸出波形

圖8 勵磁系統(tǒng)整流單元觸發(fā)角α=90°仿真輸出波形

4 結(jié)束語

通過仿真和分析，勵磁系統(tǒng)整流單元的輸出電壓受控制角α 的影響，應(yīng)用MATLAB 的可視化仿真工具Simulink 對勵磁系統(tǒng)整流單元的仿真結(jié)果進行詳細分析，并與相關(guān)文獻中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性[10]。MATLAB/Simulink 仿真工具的應(yīng)用，可在仿真過程中靈活修改仿真模塊參數(shù)，直觀看到參數(shù)變化對輸出結(jié)果的影響，實現(xiàn)快速有效對勵磁系統(tǒng)功率整流裝置的分析，規(guī)避了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，是發(fā)電機勵磁專業(yè)工作人員一個非常有效的實用工具。