基于MATLAB的带整流负载同步发电机仿真

基于MATLAB的带整流负载同步发电机仿真研究摘要：由于带整流负载同步发电机系统的建模和求解非常复杂，本文采用了SimPowerSystems模块库中的电气元件模块，建立了带整流负载同步发电机系统的MATLAB仿真模型，准确而有效地对该系统各种运行状态进行了动态仿真分析，并与试验结果进行了相应的对比。在仿真研究中，发现了最大短路电流峰值与同步发电机参数之间的关系，这为带整流负载同步发电机系统的参数设计、故障保护等方面的研究工作提供了理论基础。关键字：整流同步发电机仿真模型引言带整流负载的同步发电机系统已广泛存在于电站、舰船、飞机等独立供电系统中。对于整流系统模型的计算与仿真受到了许多学者的关注。但由于同步电机及整流桥数学模型建立和求解的复杂性，给人们的分析研究带来了一定的困难。随着MATLAB软件的推出与发展，该软件强大的计算能力和完善的电力系统模型使得带整流负载的同步发电机的仿真问题变得简捷而准确。本文通过建立带整流负载的同步发电机系统的MATLAB仿真模型，分析了该系统的各种动态过程，对比仿真与试验结果，证明MATLAB的仿真模型能够满足实际电力系统研究的需要，结果比较理想。同时，仿真结果对于整流系统的参数设计、故障保护、设备运行可靠性等工作都具有重要意义。整流系统模型的建立2.1同步发电机的动态数学模型在分析同步发电机动态数学模型时，作如下假设：①发电机参数恒定；②磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计；③定子三相对称；④忽略磁场的高次谐波。同步电机由定子和转子两部分组成，定子上有A、B、C三个绕组，转子上有一个励磁绕组、两个阻尼绕组，这六个绕组间存在相互的电磁耦合关系。同步发电机的d轴和q轴等值电路图如图1所示。图1同步发电机的d轴、q轴等值电路图根据电路KVL定律，发电机六个绕组可以建立如下六个回路电压平衡方程：(1)(2)(3)(4)(5)(6)式中记号说明：d、q：直轴、交轴分量；R、s：转子、定子分量；尖l女、浩m粥：漏感、自感植；毁f逝、钱k糟：励磁绕组分俗量、阻尼绕组执分量；杨根据六个绕组验之间的磁链耦笨合关系，按照隆右手螺旋定则直，可以得到发虽电机数学模型副的六个磁链方煎程如下：(7)(8)(9)(10)(11)(12)绵2.2河蕉整流桥的数学效模型捧整流桥是鼓由三相全波整厕流电路组成。顺整流桥的桥臂常可由二极管、野晶闸管指、扯GT隆O叔、沉MOSFE梅T誉、蚊IGB呢T意等多种形式构俱成。每种管子利的数学模型都内是由导通电阻碗、导通电感和牲前向压降串联严构成。管子的乳数学模型如下嫁式：足Vak=(R骄on+Xon项)i+Vf(亏13)齿式中霉，饿Ro逢n暮：导通电阻衰；深Xo由n佩：导通电抗疼；短V孕f庸：前向压降印2.3洽鞭整流系统模型踏的建立川根据上面趴建立的同步发姐电机和整流桥看的仿真模型，昼本文建立了如剃图耕2近的同步发电机睁整流系统的仿县真模型。为了迅消除整流桥产丰生的谐波干扰裳，在直流侧并败联了滤波电临容疼C恐和电阻。秤图总2德娃同步发电机整朝流系统的仿真筹模型竖亿饮仿真中，同钳步发电机的输城入功蚂率秤P呼m掌，励磁电蒜压捕V赛f掏及初始状态的古设定可根据负共载需要肤由爱Powerg未u毅i技模块来给出抚。盒Powerg虏u牲i采模块封是北MATLA烛B6.僚5厅电力系统仿真月中功能很强大在的一个模块，激可进行电机的坏初始状态设定丙，稳态运行计卖算，电感、频界率测量，傅立纪叶分析等仿真师。败Powerg汉ui闯奥模块可根据要屑求的同步发电店机输出交流线称电压用值筋Ua锯b仪和有功功率喘值孤P株计算出同步发坦电机的输入功贤率宪P虎m宿，励磁电等压桂V谦f符及初始状态等穿参数。构仿真与试验分贞析搏系统仿真著中的发电机、将整流桥、负载歇的参数均由试世验测量确定。针同步发电机码为贡5kVA/3惹80魔V紧，牛1500r/盏mi李n农恒定电压源励泰磁同步电化机首(士无励磁调节装贡置他)恭，整流桥业为盲380V/新300A餐三相二极管不甩可控整流桥，押滤波电容谨为杆10烫0望μ李F血，负载斯为的4.2茧电阻。申同步发电悠机具体参朋数戚(津标幺扇值唱)犬见范表廉1坟：刺Xd虾X耳d取’扁X陕d生’’殊Xq锄X贝q跑’销0.676线0.127轧0.073谅0.38赠0.08肤Xl资Td跪o淋’惹Td雀o使’’厅T兽q稻’’耳Rs肌0.019掏1.2189泽0.0701监0.0912刻0.0039暑表闯1区同步发电机参罗数党下面对同步电室机带整流负载米的突加负载、催突卸负载和突社然短路动态过透程进行仿真分战析。药3.1悦毕整流系统突加孙负载仿真分析亭由于试验抽中的整流负载次额定功率较小洲，为了便于仿润真结果与试验滔结果进行对比茄，仿真时，将俭发电机交流输剥出线电拥压鄙(脚有效周值辞)马设定谨为裕42邀V基。轰栽艇单台同步发纤电机整流系统劲突加负载的仿默真结果如竞图笑3或所繁示帅(衔负载开关挣在容t=1担s健时闭桶合堵)丛。赚(a旦)权为整流桥输出虾电途压吩U怜z简波形告，挡(b革)户为负载两端电姑压浪Us跃c无波徐遣形。由图可知视，发电机空载丈时，整流桥输烂出电穗压僻U圣z跑约是为纸56际V器，开关闭合后阴，由于无励磁爽调节，电压经哪短暂的过渡过摊程将降落络为衡18钉V和。负载电论压副Us躬c纺在开关律闭胸耻合后迅速上升药到峰值，然后惑回落屋至切16情V席左右。愈丘撕(a秀)日电蜓压存U者z诱波形春(b示)稠电蹈压拖Us隔c予波形低岸妖图利3盘发电机运行仿拦真结果娘录浑为了检验上末面对MATLA舍B岁仿真的正确与私否，本文进行许了与仿真参数粉相同的同步发期电机带整流负享载试验。试验仍中，同步电机熔转速旋由屿LTG1-5色5k址W男直流调速践柜烘坚控制的直流电艳动地机侍(中220V/印90A弹)炒提供，同步电纠机励磁由恒定删电压源提供。悬试验波形通裂过豪Wavest腹arFor以Oscil挤loscop昨e砖s齿软件从示波买器泥TDS22片0弓录入。试验结椅果如刘图苗4参所稳示馆(棕负载开关肥在弟t=1霞s住时闭珠合响)壁。恨(a耻)减为整流桥输出尚电课压材U宴z怠波形捐，凭(b购)容为错稿负载两端电哭压测Us椒c嘉波形。对比锁图今3写和摧图秧4痛的相应电压波永形，仿真与试世验结果基本一到致，证明了仿竭真的正确性。合(a抬)调电孕压晋U阵z苗波形尿困汇河绸(b喝)茧电悟压锐Us诊c茅波形箩颂馒享图微4瞎拘发电机运行试诉验结果磁3.2笼钳整流系统突卸虫负载仿真分析窝慢公同步发电机乓突卸负载是同舅步电机带整流月负载运行时的叨另一典型过渡物过程。本文采擦用了相同的仿口真模型对该过疾程进行仿真分塔析。仿真结果秤如子图遗5暖所隔示爪(软负载开关穿在丹t=5挂s槐时断涉开洽)驻。策(a锐)尘为整流桥输出肾电谜压趴U辉z吗波形玻，销(b挖)求为负载两端电纱压甘Us皇c征波形。由俱图绝5闯可知，整流桥添输出电钥压浙U帽z拴在开关断开后停迅速上升处至连50款V雾，然状后混重经历狗约迅3母s索时间收敛到空淡载运行稳态哭值振56舒V胞。负载电鸟压课Us晕c表则在开关断开蚕后迅速下降尘为栗0劲。浇进忆愉颤(a局)牧电奔压斑U餐z售波形津详口都服(b佛)停电镇压拨Us决c雪波形替得期秆图情5慨发电机运行仿支真结果遮图映6揭则给出了同步健电机由负载到抬空载的试验波朽形仁，赌(a劲)写为整流桥输出柔电勇压齐U铸z捉波形蚁，辅(b核)赶为负载两端电苹压紧Us锹c唉波形。仿真与质试验结果也是诱相当吻合的。前(a灌)柴电箩压撞U问z详波形匠周躁株(b惹)貌电焰压胞Us布c条波形临燃呈图买6士嘉发电机运行试泰验结果庸3.3顽政整流系统突然减短路仿真分析洪整流系统齐突然短路故障脖是电力系统常氏见的一种故障宁，也是系统保洪护所必须考虑父的问题，巨大虽的短路电流威汉胁着系统的安家全运行。短路息电流大小的确吸定对于整流系庄统保护装置的覆整定设计具有过重要的意义。铅仿真模型的建管立使这一设计帮过程得到大大顾地简化。河整流系统惠直流侧短路相跑当于交流侧三志相对称短路。框图疾7堵为整流系统在敞额定电终压竹230寻V虾空载运行条件观下，整流侧发齐生突然短路故猎障的直流侧和哄交流侧电流波蓬形。由图可见心，系统直流侧寻最大短路电流粘峰值约为斤280A均。陵踪练树(a昨)越直流侧电流波缎形搬菜顷摧院(b淋)膏交流侧三相电达流波形播灌你图悟7惧输整流系统突然时短路电流波形谈释匙为了研究短受路电流与同步狮电机参数之间亿的关系，及探倦讨降低最大短滩路电流峰值的油方法。本文假阁定发电机其他此参数不变，将哑直轴超瞬变电甜抗庙X馋d市’叼’园从剖0.07盗3龟变币认为哀0.1始5监，进行同上的偶直流侧短路仿嘴真，短路电流导波形如筛图淡8金所示。由图可待知，随鸦着皆X肆d针’乏’槽的增大，最大残短路峰值显著吓降低。狂图差8X锦d便’洽’血=0.1杂5歼的短路电流波耐形茧进一步的拔仿真研究还发三现短路电流值网的大小赴与鄙Td慧o贼’陡’目有关系。假定览发电机其他参贷数不变锅，侄Td束o筛’父’生从唯0.0701肾s良变泄为志0.01连s车，短路电流波谎形如丙图五9网所示。由躺于啦Td猴o泳’难’踪的减小，最大纪短路电流峰值此有明显的降低者。崭图紧9Td喇o陡’建’链=0.01米s技的短路电流波芽形结论输(1株)薯建立了带整流拨负载的同步发系电机米的答MATLA炮B观仿真模型，通机过对比仿真与翠试验波形，验腐证了该仿真模远型的准确性。津(2没)乐通过对整流系联统突然短路过垮程的仿真研究位发现，直轴超舱瞬变电闲抗叛X贞d扒’瞎’障、直轴超瞬变来短路时间常嗓数纽Td如o电’诱’泽途对系统最大短昆路电流峰值有蔽较大影响。明(3零)转在整流系统设陶计中，可根据跟短路电流的控私制需要，设计丑和选择合适的学同步电机参数炕，以确保故障隶保护装置的安夹全动作。参考文献：酒[1]滩沉田铭兴