基于MATLAB的帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)仿真

基于MATLAB的帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)仿真研究摘要：由于帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建模和求解非常復(fù)雜，本文采用了SimPowerSystems模塊庫中的電氣元件模塊，建立了帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，準(zhǔn)確而有效地對(duì)該系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比。在仿真研究中，發(fā)現(xiàn)了最大短路電流峰值與同步發(fā)電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，這為帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)、故障保護(hù)等方面的研究工作提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：整流同步發(fā)電機(jī)仿真模型引言帶整流負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)已廣泛存在于電站、艦船、飛機(jī)等獨(dú)立供電系統(tǒng)中。對(duì)于整流系統(tǒng)模型的計(jì)算與仿真受到了許多學(xué)者的關(guān)注。但由于同步電機(jī)及整流橋數(shù)學(xué)模型建立和求解的復(fù)雜性，給人們的分析研究帶來了一定的困難。隨著MATLAB軟件的推出與發(fā)展，該軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力和完善的電力系統(tǒng)模型使得帶整流負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)的仿真問題變得簡(jiǎn)捷而準(zhǔn)確。本文通過建立帶整流負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，分析了該系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)過程，對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果，證明MATLAB的仿真模型能夠滿足實(shí)際電力系統(tǒng)研究的需要，結(jié)果比較理想。同時(shí)，仿真結(jié)果對(duì)于整流系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)、故障保護(hù)、設(shè)備運(yùn)行可靠性等工作都具有重要意義。整流系統(tǒng)模型的建立2.1同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在分析同步發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：①發(fā)電機(jī)參數(shù)恒定；②磁飽和、磁滯、渦流影響忽略不計(jì)；③定子三相對(duì)稱；④忽略磁場(chǎng)的高次諧波。同步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子上有A、B、C三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子上有一個(gè)勵(lì)磁繞組、兩個(gè)阻尼繞組，這六個(gè)繞組間存在相互的電磁耦合關(guān)系。同步發(fā)電機(jī)的d軸和q軸等值電路圖如圖1所示。圖1同步發(fā)電機(jī)的d軸、q軸等值電路圖根據(jù)電路KVL定律，發(fā)電機(jī)六個(gè)繞組可以建立如下六個(gè)回路電壓平衡方程：(1)(2)(3)(4)(5)(6)式中記號(hào)說明：d、q：直軸、交軸分量；R、s：轉(zhuǎn)子、定子分量；尖l女、浩m粥：漏感、自感植；毀f逝、錢k糟：勵(lì)磁繞組分俗量、阻尼繞組執(zhí)分量；楊根據(jù)六個(gè)繞組驗(yàn)之間的磁鏈耦笨合關(guān)系，按照隆右手螺旋定則直，可以得到發(fā)雖電機(jī)數(shù)學(xué)模型副的六個(gè)磁鏈方煎程如下：(7)(8)(9)(10)(11)(12)綿2.2河蕉整流橋的數(shù)學(xué)效模型捧整流橋是鼓由三相全波整廁流電路組成。順整流橋的橋臂?？捎啥O管、野晶閘管指、扯GT隆O叔、沉MOSFE梅T譽(yù)、蚊IGB呢T意等多種形式構(gòu)俱成。每種管子利的數(shù)學(xué)模型都內(nèi)是由導(dǎo)通電阻碗、導(dǎo)通電感和牲前向壓降串聯(lián)嚴(yán)構(gòu)成。管子的乳數(shù)學(xué)模型如下嫁式：足Vak=(R驕on+Xon項(xiàng))i+Vf(虧13)齒式中霉，餓Ro逢n暮：導(dǎo)通電阻衰；深Xo由n佩：導(dǎo)通電抗疼；短V孕f庸：前向壓降印2.3洽鞭整流系統(tǒng)模型踏的建立川根據(jù)上面趴建立的同步發(fā)姐電機(jī)和整流橋看的仿真模型，晝本文建立了如剃圖耕2近的同步發(fā)電機(jī)睜整流系統(tǒng)的仿縣真模型。為了迅消除整流橋產(chǎn)豐生的諧波干擾裳，在直流側(cè)并敗聯(lián)了濾波電臨容疼C恐和電阻。秤圖總2德娃同步發(fā)電機(jī)整朝流系統(tǒng)的仿真籌模型豎億飲仿真中，同鉗步發(fā)電機(jī)的輸城入功螞率秤P呼m掌，勵(lì)磁電蒜壓捕V賽f掏及初始狀態(tài)的古設(shè)定可根據(jù)負(fù)共載需要膚由愛Powerg未u毅i技模塊來給出撫。盒Powerg虜u牲i采模塊封是北MATLA燭B6.僚5廳電力系統(tǒng)仿真月中功能很強(qiáng)大在的一個(gè)模塊，激可進(jìn)行電機(jī)的壞初始狀態(tài)設(shè)定丙，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)賣算，電感、頻界率測(cè)量，傅立紀(jì)葉分析等仿真師。敗Powerg漢ui闖奧模塊可根據(jù)要屑求的同步發(fā)電店機(jī)輸出交流線稱電壓用值筋Ua鋸b儀和有功功率喘值孤P株計(jì)算出同步發(fā)坦電機(jī)的輸入功賢率憲P虎m宿，勵(lì)磁電等壓桂V謙f符及初始狀態(tài)等穿參數(shù)。構(gòu)仿真與試驗(yàn)分貞析搏系統(tǒng)仿真著中的發(fā)電機(jī)、將整流橋、負(fù)載歇的參數(shù)均由試世驗(yàn)測(cè)量確定。針同步發(fā)電機(jī)碼為貢5kVA/3惹80魔V緊，牛1500r/盞mi李n農(nóng)恒定電壓源勵(lì)泰磁同步電化機(jī)首(士無勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝貢置他)恭，整流橋業(yè)為盲380V/新300A餐三相二極管不甩可控整流橋，押濾波電容謹(jǐn)為桿10燙0望μ李F血，負(fù)載斯為的4.2繭電阻。申同步發(fā)電悠機(jī)具體參朋數(shù)戚(津標(biāo)幺扇值唱)犬見范表廉1墳：刺Xd蝦X耳d取’扁X陜d生’’殊Xq鋤X貝q跑’銷0.676線0.127軋0.073諒0.38贈(zèng)0.08膚Xl資Td跪o淋’惹Td雀o使’’廳T獸q稻’’耳Rs肌0.019掏1.2189澤0.0701監(jiān)0.0912刻0.0039暑表闖1區(qū)同步發(fā)電機(jī)參羅數(shù)黨下面對(duì)同步電室機(jī)帶整流負(fù)載米的突加負(fù)載、催突卸負(fù)載和突社然短路動(dòng)態(tài)過透程進(jìn)行仿真分戰(zhàn)析。藥3.1悅畢整流系統(tǒng)突加孫負(fù)載仿真分析亭由于試驗(yàn)抽中的整流負(fù)載次額定功率較小洲，為了便于仿潤(rùn)真結(jié)果與試驗(yàn)滔結(jié)果進(jìn)行對(duì)比茄，仿真時(shí)，將儉發(fā)電機(jī)交流輸剝出線電擁壓鄙(腳有效周值辭)馬設(shè)定謹(jǐn)為裕42邀V基。轟栽艇單臺(tái)同步發(fā)纖電機(jī)整流系統(tǒng)勁突加負(fù)載的仿默真結(jié)果如競(jìng)圖笑3或所繁示帥(銜負(fù)載開關(guān)掙在容t=1擔(dān)s健時(shí)閉桶合堵)叢。賺(a旦)權(quán)為整流橋輸出蝦電途壓吩U憐z簡(jiǎn)波形告，擋(b革)戶為負(fù)載兩端電姑壓浪Us躍c無波徐遣形。由圖可知視，發(fā)電機(jī)空載丈時(shí)，整流橋輸爛出電穗壓僻U圣z跑約是為紙56際V器，開關(guān)閉合后陰，由于無勵(lì)磁爽調(diào)節(jié)，電壓經(jīng)哪短暫的過渡過攤程將降落絡(luò)為衡18釘V和。負(fù)載電論壓副Us躬c紡在開關(guān)律閉胸恥合后迅速上升藥到峰值，然后惑回落屋至切16情V席左右。愈丘撕(a秀)日電蜓壓存U者z誘波形春(b示)稠電蹈壓拖Us隔c予波形低岸妖圖利3盤發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿攔真結(jié)果娘錄渾為了檢驗(yàn)上末面對(duì)MATLA舍B歲仿真的正確與私否，本文進(jìn)行許了與仿真參數(shù)粉相同的同步發(fā)期電機(jī)帶整流負(fù)享載試驗(yàn)。試驗(yàn)仍中，同步電機(jī)熔轉(zhuǎn)速旋由嶼LTG1-5色5k址W男直流調(diào)速踐柜烘堅(jiān)控制的直流電艷動(dòng)地機(jī)侍(中220V/印90A彈)炒提供，同步電糾機(jī)勵(lì)磁由恒定刪電壓源提供。懸試驗(yàn)波形通裂過豪Wavest腹arFor以O(shè)scil擠loscop昨e磚s齒軟件從示波買器泥TDS22片0弓錄入。試驗(yàn)結(jié)椅果如劉圖苗4參所穩(wěn)示館(棕負(fù)載開關(guān)肥在弟t=1霞s住時(shí)閉珠合響)壁。恨(a恥)減為整流橋輸出尚電課壓材U宴z怠波形捐，憑(b購)容為錯(cuò)稿負(fù)載兩端電哭壓測(cè)Us椒c嘉波形。對(duì)比鎖圖今3寫和摧圖秧4痛的相應(yīng)電壓波永形，仿真與試世驗(yàn)結(jié)果基本一到致，證明了仿竭真的正確性。合(a抬)調(diào)電孕壓晉U陣z苗波形尿困匯河綢(b喝)繭電悟壓銳Us診c茅波形籮頌饅享圖微4瞎拘發(fā)電機(jī)運(yùn)行試訴驗(yàn)結(jié)果磁3.2籠鉗整流系統(tǒng)突卸蟲負(fù)載仿真分析窩慢公同步發(fā)電機(jī)乓突卸負(fù)載是同舅步電機(jī)帶整流月負(fù)載運(yùn)行時(shí)的叨另一典型過渡物過程。本文采擦用了相同的仿口真模型對(duì)該過疾程進(jìn)行仿真分塔析。仿真結(jié)果秤如子圖遺5暖所隔示爪(軟負(fù)載開關(guān)穿在丹t=5掛s槐時(shí)斷涉開洽)駐。策(a銳)塵為整流橋輸出腎電謎壓趴U輝z嗎波形玻，銷(b挖)求為負(fù)載兩端電紗壓甘Us皇c征波形。由俱圖絕5闖可知，整流橋添輸出電鑰壓浙U帽z拴在開關(guān)斷開后停迅速上升處至連50款V霧，然狀后混重經(jīng)歷狗約迅3母s索時(shí)間收斂到空淡載運(yùn)行穩(wěn)態(tài)哭值振56舒V胞。負(fù)載電鳥壓課Us暈c表則在開關(guān)斷開蠶后迅速下降塵為栗0勁。澆進(jìn)憶愉顫(a局)牧電奔?jí)喊遀餐z售波形津詳口都服(b佛)停電鎮(zhèn)壓撥Us決c雪波形替得期稈圖情5慨發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿支真結(jié)果遮圖映6揭則給出了同步健電機(jī)由負(fù)載到抬空載的試驗(yàn)波朽形仁，賭(a勁)寫為整流橋輸出柔電勇壓齊U鑄z捉波形蟻，輔(b核)趕為負(fù)載兩端電蘋壓緊Us鍬c唉波形。仿真與質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果也是誘相當(dāng)吻合的。前(a灌)柴電籮壓撞U問z詳波形匠周躁株(b惹)貌電焰壓胞Us布c條波形臨燃呈圖買6士嘉發(fā)電機(jī)運(yùn)行試泰驗(yàn)結(jié)果庸3.3頑政整流系統(tǒng)突然減短路仿真分析洪整流系統(tǒng)齊突然短路故障脖是電力系統(tǒng)常氏見的一種故障寧，也是系統(tǒng)保洪護(hù)所必須考慮父的問題，巨大雖的短路電流威漢脅著系統(tǒng)的安家全運(yùn)行。短路息電流大小的確吸定對(duì)于整流系莊統(tǒng)保護(hù)裝置的覆整定設(shè)計(jì)具有過重要的意義。鉛仿真模型的建管立使這一設(shè)計(jì)幫過程得到大大顧地簡(jiǎn)化。河整流系統(tǒng)惠直流側(cè)短路相跑當(dāng)于交流側(cè)三志相對(duì)稱短路?？驁D疾7堵為整流系統(tǒng)在敞額定電終壓竹230尋V蝦空載運(yùn)行條件觀下，整流側(cè)發(fā)齊生突然短路故獵障的直流側(cè)和哄交流側(cè)電流波蓬形。由圖可見心，系統(tǒng)直流側(cè)尋最大短路電流粘峰值約為斤280A均。陵蹤練樹(a昨)越直流側(cè)電流波緞形搬菜頃摧院(b淋)膏交流側(cè)三相電達(dá)流波形播灌你圖悟7懼輸整流系統(tǒng)突然時(shí)短路電流波形談釋匙為了研究短受路電流與同步獅電機(jī)參數(shù)之間億的關(guān)系，及探倦討降低最大短灘路電流峰值的油方法。本文假閣定發(fā)電機(jī)其他此參數(shù)不變，將啞直軸超瞬變電甜抗廟X饞d市’叼’園從剖0.07盜3龜變幣認(rèn)為哀0.1始5監(jiān)，進(jìn)行同上的偶直流側(cè)短路仿嘴真，短路電流導(dǎo)波形如篩圖淡8金所示。由圖可待知，隨鴉著皆X肆d針’乏’槽的增大，最大殘短路峰值顯著嚇降低?？駡D差8X錦d便’洽’血=0.1雜5殲的短路電流波耐形繭進(jìn)一步的拔仿真研究還發(fā)三現(xiàn)短路電流值網(wǎng)的大小赴與鄙Td慧o賊’陡’目有關(guān)系。假定覽發(fā)電機(jī)其他參貸數(shù)不變鍋，侄Td束o篩’父’生從唯0.0701腎s良變泄為志0.01連s車，短路電流波謊形如丙圖五9網(wǎng)所示。由躺于啦Td猴o泳’難’蹤的減小，最大紀(jì)短路電流峰值此有明顯的降低者。嶄圖緊9Td喇o陡’建’鏈=0.01米s技的短路電流波芽形結(jié)論輸(1株)薯建立了帶整流撥負(fù)載的同步發(fā)系電機(jī)米的答MATLA炮B觀仿真模型，通機(jī)過對(duì)比仿真與翠試驗(yàn)波形，驗(yàn)腐證了該仿真模遠(yuǎn)型的準(zhǔn)確性。津(2沒)樂通過對(duì)整流系聯(lián)統(tǒng)突然短路過垮程的仿真研究位發(fā)現(xiàn)，直軸超艙瞬變電閑抗叛X貞d扒’瞎’障、直軸超瞬變來短路時(shí)間常嗓數(shù)紐Td如o電’誘’澤途對(duì)系統(tǒng)最大短昆路電流峰值有蔽較大影響。明(3零)轉(zhuǎn)在整流系統(tǒng)設(shè)陶計(jì)中，可根據(jù)跟短路電流的控私制需要，設(shè)計(jì)丑和選擇合適的學(xué)同步電機(jī)參數(shù)炕，以確保故障隸保護(hù)裝置的安夾全動(dòng)作。參考文獻(xiàn)：酒[1]灘沉田銘興