基于MATLAB的同步發電機仿真分析

摘 要：在發電機的系統中帶有整流的在建模以及求解是非常復雜的，因此，文章采用了SPS模塊庫進行了電器元件的模塊建立，帶有發電機整流負載的同步仿真模型，這種MATLAB式的模型能夠在系統的有效運行下進行準確的仿真分析，并且分析的形式為動態的，可以將實驗的結果同分析相互的對比，這就為整流的負載同步系統在參數設計以及故障的維修和保護上做出理論研究提供基礎工作。

關鍵詞：仿真分析；同步發電機；整流；模型

引言

目前在電站以及艦船和飛機這些供電系統中，大多都是獨立的帶有整流負載的同步發電系統，因此對其計算和仿真分析技術在此領域受到了越來越多的學者專家的關注，但是不得不提到的是，電機在整流橋的數學模型建立的基礎上是十分的復雜和難以求解的，這就在研究分析上帶來了一定的困難。

而MATLAB的推出以及軟件的應用的推廣發展使得這種同步的發電機在建模仿真分析的問題上得到了很好的結局，這也是依仗了這種軟件在計算能力上的強大能力，使得帶整流的負載同步系統在進行模擬上不但快捷簡便同時也變得準確。本文主要就這種發電機在MATLAB的仿真建模上的系統動態各個過程的情況，并在此基礎上將仿真結果同試驗結果相互對比，用以證明在仿真模型的建立上MATLAB仿真模型基本可以在電力系統的實際研究中滿足試驗的需要，這個在結果上較為理想。另外，仿真結果不但在系統設計參數時具有重要意義，在保護故障時以及運行設備的可靠性保障時都有著重要的意義。

1 建立系統模型

1.1 數學動態模型的建立

在對同步發電機進行數學模型的動態分析時，應當在分析同步發電機動態數學模型時，假設如下：首先要保證發電機的參數是恒定的；其次，對磁滯以及磁飽和和渦流的影響不計算在內；然后要求定子需要三相對稱；最后則要求對高次諧波進行忽略。

同步電機在組成上主要由轉子和定子構成，而又由ABC三個繞組共同組成了定子，轉子則是由兩個阻尼繞組以及一個勵磁繞組組成，這六個繞組之間相互耦合，存在著電磁關系。

根據電路KVL定律，發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：轉子、定子分量；l、m：漏感、自感；f、k：勵磁繞組分量、阻尼繞組分量；根據六個繞組之間的磁鏈耦合關系，按照右手螺旋定則，可以得到發電機數學模型的六個磁鏈方程如下：

（7） （8）

（9） （10）

（11） （12）

1.2 整流橋的數學模型

整流橋是由三相全波整流電路組成。整流橋的橋臂可由二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT等多種形式構成。每種管子的數學模型都是由導通電阻、導通電感和前向壓降串聯構成。管子的數學模型如下式：

Vak=（Ron+Xon）i+Vf（13）

式中，Ron：導通電阻；Xon：導通電抗；Vf：前向壓降

1.3 整流系統模型的建立

根據上面建立的同步發電機和整流橋的仿真模型，本文建立了同步發電機整流系統的仿真模型，在直流側并聯了濾波電容C和電阻。

仿真中，同步發電機的輸入功率Pm，勵磁電壓Vf及初始狀態的設定可根據負載需要由Powergui模塊來給出。Powergui模塊是MATLAB6.5電力系統仿真中功能很強大的一個模塊。

2 仿真與試驗分析

系統仿真中的發電機、整流橋、負載的參數均由試驗測量確定。同步發電機為5kVA/380V，1500r/min恒定電壓源勵磁同步電機（無勵磁調節裝置），整流橋為380V/300A三相二極管不可控整流橋，濾波電容為100μF，負載為4.2？贅電阻。

下面對同步電機帶整流負載的突加負載、突卸負載和突然短路動態過程進行仿真分析。

2.1 整流系統突加負載仿真分析

實驗中的整流負載具有較小的額定功率，因此在仿真結果的實驗進行對比結果時往往會對輸出電壓的有效值進行設定，在這里一般都會設定成42V。

同步發電機在單臺系統上進行突加負載，整流橋就會產生Uz波形的輸出電壓，而在負載兩端就會產生Usc波形的電壓。發電機賊空載時候，Uz電壓在整流橋處的輸出約是56V，而閉合開關之后，因為不具有勵磁調節，因此需要一個短暫的過渡時間電壓才會降到18V。

本文以檢驗上述MATLAB的仿真結果是否正確，對同步發電機進行了整流負載的實驗以同仿真參數結果進行同步的比較。在實驗中選擇的是LTG1直流調速柜55kw的直流電動機對同步電機的轉速進行控制，而電機的勵磁則是由恒定的電壓電源進行提供。結果會以波形的形式通過Wavestar For Oscilloscopes的軟件進行錄入，錄入通過示波器TDS220。

2.2 負載突卸的仿真分析

這種負載突卸的狀態實則是一個過渡的過程，這種典型的過渡是同步電機在整個運行狀況中整流負載的一個基本現象。文章通過使用仿真模型對這一過程進行了高仿真的分析。輸出Uz波形電壓對于整個整流橋處，而在負載兩端則是Usc波形電壓。開關斷開之后整流橋處的電壓Uz會迅速升高，達到50V，之后大約會出現三秒的收斂時間達到空載的穩態56V。而Usc則會在斷開開關之后降至0。

上述實驗就可以看出，在同步電機進行負載到空載過程匯總，整流橋處會輸出Uz波形的電壓，而在負載兩端則會產生Usc型的電壓。仿真結果同試驗吻合程度相當的高。

2.3 短路的整流系統分析

在電力系統中整流系統的短路故障是很常見的，但是短路會出現短路電流，而短路電流由于其電流的巨大，會對電力系統造成極大的威脅，因此在電路的設計上會對系統進行保護性的設計。短路電流會在設計時通過系統保護裝置，對短路電流的大小進行控制。這是具有很大的意義的，而仿真模型的建立其實在一定的程度簡化了這一設計過程。

在整流的整體系統中，直流側出現短路的現象較為復雜，可以看成是交流側的三相對稱性質的短路現象。但是對于直流側，短路的最大電流的峰值卻是能夠達到280A的。

而對于電機以及短路電流之間的參數關系研究，本文通過對電機的其他參數設定不變來進行假設性的試驗，對最大短路的峰值電流進行探討降低方式。通過對直軸的電抗Xd的超瞬變從0.073變成0.15，對直流側的短路電流進行仿真性模擬，通過實驗，得出最大的峰值電流會隨著Xd增加而降低。

而在研究中，發現Tdo對于短路電流的數值還會造成一定的影響，同樣是對發電器的其他參數設定固定值，將Tdo從0.0701s改變至0.01s，就會發現Tdo變小后短路電流的峰值出現了明顯降低的現象。

3 結束語

（1）對于實驗中仿真結果以及實驗結果的波形對比，證實了在準確性上仿真模型具有高可信度特點。

（2）通過對于整流的整體系統的仿真模擬的研究實驗，在直軸的電抗Xd以及順變電驢卡魯的Tdo短路時間常數出現變化時，系統中的短路電流的峰值數值會出現較大的變化。

（3）根據實際的控制需求，對于短路電流在系統的設計中可以設計和選擇電機的同步參數，從而對設備的故障保護進行及時的安全保證。

參考文獻

[1]田銘興等.帶整流負載同步發電機的MATLAB建模和仿真.西安交通大學學報.2003

[2]高景德，張麟征.電機過渡過程的基本理論及分析方法（上冊）.北京：科學出版社.1982

[3]張曉鋒等.帶整流負載的同步發電機的電路模型.清華大學學報.1997

[4]李巖等.同步發電機整流橋負載系統動態的仿真與試驗研究.測控技術.2000