基于MATLAB的帶整流負載同步發(fā)電機仿真

基于MATLAB的帶整流負載同步發(fā)電機仿真研究摘要：由于帶整流負載同步發(fā)電機系統(tǒng)的建模和求解非常復雜，本文采用了SimPowerSystems模塊庫中的電氣元件模塊，建立了帶整流負載同步發(fā)電機系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，準確而有效地對該系統(tǒng)各種運行狀態(tài)進行了動態(tài)仿真分析，并與試驗結(jié)果進行了相應的對比。在仿真研究中，發(fā)現(xiàn)了最大短路電流峰值與同步發(fā)電機參數(shù)之間的關系，這為帶整流負載同步發(fā)電機系統(tǒng)的參數(shù)設計、故障保護等方面的研究工作提供了理論基礎。關鍵字：整流同步發(fā)電機仿真模型引言帶整流負載的同步發(fā)電機系統(tǒng)已廣泛存在于電站、艦船、飛機等獨立供電系統(tǒng)中。對于整流系統(tǒng)模型的計算與仿真受到了許多學者的關注。但由于同步電機及整流橋數(shù)學模型建立和求解的復雜性，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，該軟件強大的計算能力和完善的電力系統(tǒng)模型使得帶整流負載的同步發(fā)電機的仿真問題變得簡捷而準確。本文通過建立帶整流負載的同步發(fā)電機系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，分析了該系統(tǒng)的各種動態(tài)過程，對比仿真與試驗結(jié)果，證明MATLAB的仿真模型能夠滿足實際電力系統(tǒng)研究的需要，結(jié)果比較理想。同時，仿真結(jié)果對于整流系統(tǒng)的參數(shù)設計、故障保護、設備運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)電機的動態(tài)數(shù)學模型在分析同步發(fā)電機動態(tài)數(shù)學模型時，作如下假設：①發(fā)電機參數(shù)恒定；②磁飽和、磁滯、渦流影響忽略不計；③定子三相對稱；④忽略磁場的高次諧波。同步電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子上有A、B、C三個繞組，轉(zhuǎn)子上有一個勵磁繞組、兩個阻尼繞組，這六個繞組間存在相互的電磁耦合關系。同步發(fā)電機的d軸和q軸等值電路圖如圖1所示。圖1同步發(fā)電機的d軸、q軸等值電路圖根據(jù)電路KVL定律，發(fā)電機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；尖l女、浩m粥：漏感、自感植；毀f逝、錢k糟：勵磁繞組分俗量、阻尼繞組執(zhí)分量；楊根據(jù)六個繞組驗之間的磁鏈耦笨合關系，按照隆右手螺旋定則直，可以得到發(fā)雖電機數(shù)學模型副的六個磁鏈方煎程如下：(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、蚊IGB呢T意等多種形式構(gòu)俱成。每種管子利的數(shù)學模型都內(nèi)是由導通電阻碗、導通電感和牲前向壓降串聯(lián)嚴構(gòu)成。管子的乳數(shù)學模型如下嫁式：足Vak=(R驕on+Xon項)i+Vf(虧13)齒式中霉，餓Ro逢n暮：導通電阻衰；深Xo由n佩：導通電抗疼；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)電機的輸城入功螞率秤P呼m掌，勵磁電蒜壓捕V賽f掏及初始狀態(tài)的古設定可根據(jù)負共載需要膚由愛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)仿真月中功能很強大在的一個模塊，激可進行電機的壞初始狀態(tài)設定丙，穩(wěn)態(tài)運行計賣算，電感、頻界率測量，傅立紀葉分析等仿真師。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株計算出同步發(fā)坦電機的輸入功賢率憲P虎m宿，勵磁電等壓桂V謙f符及初始狀態(tài)等穿參數(shù)。構(gòu)仿真與試驗分貞析搏系統(tǒng)仿真著中的發(fā)電機、將整流橋、負載歇的參數(shù)均由試世驗測量確定。針同步發(fā)電機碼為貢5kVA/3惹80魔V緊，牛1500r/盞mi李n農(nóng)恒定電壓源勵泰磁同步電化機首(士無勵磁調(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，押濾波電容謹為桿10燙0望μ李F血，負載斯為的4.2繭電阻。申同步發(fā)電悠機具體參朋數(shù)戚(津標幺扇值唱)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)電機參羅數(shù)黨下面對同步電室機帶整流負載米的突加負載、催突卸負載和突社然短路動態(tài)過透程進行仿真分戰(zhàn)析。藥3.1悅畢整流系統(tǒng)突加孫負載仿真分析亭由于試驗抽中的整流負載次額定功率較小洲，為了便于仿潤真結(jié)果與試驗滔結(jié)果進行對比茄，仿真時，將儉發(fā)電機交流輸剝出線電擁壓鄙(腳有效周值辭)馬設定謹為裕42邀V基。轟栽艇單臺同步發(fā)纖電機整流系統(tǒng)勁突加負載的仿默真結(jié)果如競圖笑3或所繁示帥(銜負載開關掙在容t=1擔s健時閉桶合堵)叢。賺(a旦)權(quán)為整流橋輸出蝦電途壓吩U憐z簡波形告，擋(b革)戶為負載兩端電姑壓浪Us躍c無波徐遣形。由圖可知視，發(fā)電機空載丈時，整流橋輸爛出電穗壓僻U圣z跑約是為紙56際V器，開關閉合后陰，由于無勵磁爽調(diào)節(jié)，電壓經(jīng)哪短暫的過渡過攤程將降落絡為衡18釘V和。負載電論壓副Us躬c紡在開關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)電機運行仿攔真結(jié)果娘錄渾為了檢驗上末面對MATLA舍B歲仿真的正確與私否，本文進行許了與仿真參數(shù)粉相同的同步發(fā)期電機帶整流負享載試驗。試驗仍中，同步電機熔轉(zhuǎn)速旋由嶼LTG1-5色5k址W男直流調(diào)速踐柜烘堅控制的直流電艷動地機侍(中220V/印90A彈)炒提供，同步電糾機勵磁由恒定刪電壓源提供。懸試驗波形通裂過豪Wavest腹arFor以Oscil擠loscop昨e磚s齒軟件從示波買器泥TDS22片0弓錄入。試驗結(jié)椅果如劉圖苗4參所穩(wěn)示館(棕負載開關肥在弟t=1霞s住時閉珠合響)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)容為錯稿負載兩端電哭壓測Us椒c嘉波形。對比鎖圖今3寫和摧圖秧4痛的相應電壓波永形，仿真與試世驗結(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)電機運行試訴驗結(jié)果磁3.2籠鉗整流系統(tǒng)突卸蟲負載仿真分析窩慢公同步發(fā)電機乓突卸負載是同舅步電機帶整流月負載運行時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該過疾程進行仿真分塔析。仿真結(jié)果秤如子圖遺5暖所隔示爪(軟負載開關穿在丹t=5掛s槐時斷涉開洽)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索時間收斂到空淡載運行穩(wěn)態(tài)哭值振56舒V胞。負載電鳥壓課Us暈c表則在開關斷開蠶后迅速下降塵為栗0勁。澆進憶愉顫(a局)牧電奔壓斑U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)電機運行仿支真結(jié)果遮圖映6揭則給出了同步健電機由負載到抬空載的試驗波朽形仁，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)趕為負載兩端電蘋壓緊Us鍬c唉波形。仿真與質(zhì)試驗結(jié)果也是誘相當吻合的。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)電機運行試泰驗結(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)的安家全運行。短路息電流大小的確吸定對于整流系莊統(tǒng)保護裝置的覆整定設計具有過重要的意義。鉛仿真模型的建管立使這一設計幫過程得到大大顧地簡化。河整流系統(tǒng)惠直流側(cè)短路相跑當于交流側(cè)三志相對稱短路?？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)三相電達流波形播灌你圖悟7懼輸整流系統(tǒng)突然時短路電流波形談釋匙為了研究短受路電流與同步獅電機參數(shù)之間億的關系，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龜變幣認為哀0.1始5監(jiān)，進行同上的偶直流側(cè)短路仿嘴真，短路電流導波形如篩圖淡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’目有關系。假定覽發(fā)電機其他參貸數(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載的同步發(fā)系電機米的答MATLA炮B觀仿真模型，通機過對比仿真與翠試驗波形，驗腐證了該仿真模遠型的準確性。津(2沒)樂通過對整流系聯(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間常嗓數(shù)紐Td如o電’誘’澤途對系統(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)設陶計中，可根據(jù)跟短路電流的控私制需要，設計丑和選擇合適的學同步電機參數(shù)炕，以確保故障隸保護裝置的安夾全動作。參考文獻：酒[1]灘沉田銘興