十二相整流發電機短路計算與仿真分析*

申　喜　彭　凌

(中國艦船研究設計中心　武漢　430000)

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十二相整流發電機短路計算與仿真分析*

申喜彭凌

(中國艦船研究設計中心武漢430000)

十二相整流發電機具有電壓脈動系數小、可靠性高等優點，因此其在船舶電力推進系統中的應用具有重要意義。論文首先分析建立了十二相整流發電機的數學模型，在此基礎上借助Matlab/Simulink仿真對十二相整流發電機短路特性進行了仿真分析，通過理論計算與仿真分析結果進行對比，論證了所搭建的十二相整流發電機模型的合理性。

十二相整流發電機; 船舶電力推進系統; Matlab/Simulink

Class NumberTM314

1　引言

十二相整流發電機具有電壓脈動系數小、可靠性高等優點，在艦船電力推進、郵電通訊、飛機電源系統等需要較高直流供電品質的場所得到了廣泛的應用[1～4]。

十二相整流發電機組在運行過程中，可能會產生非對稱短路故障，此外，在整流裝置中存在整流元件直通故障時，也會使十二相整流發電機組處于非對稱短路狀態。為了更好地對十二相整流發電機的控制和保護采取措施，有必要對十二相整流發電機組的短路特性進行研究[1,5]。

本文首先從理論上推導出了十二相整流發電

機組的數學模型，并借鑒文獻[1]中的短路電流計算方法對十二相整流發電機組的直流側短路電流進行了理論計算，通過對比Simulink仿真軟件中搭建的十二相整流發電機組直流側短路工況仿真結果，表明所搭建的模型較符合實際情況，可以用于實船的短路電流計算分析中去。

2　十二相整流發電機組的建模

本文中的整流發電機由十二相同步發電機和半導體整流系統組成，如圖1所示[6]。

十二相同步發電機包含定子12相繞組、勵磁繞組、短路繞組和阻尼繞組。定子繞組為4套3相繞組，各相繞組的位置關系如圖2所示[7～8]。

圖1　整流發電機結構示意圖

圖2　定子相軸線的相對位置關系

通過對各套阻尼繞組的派克變換，實現十二相靜止坐標系到d-q旋轉坐標系的轉換。

對于第i套繞組，變換矩陣Ki為

(1)

那么，d-q旋轉坐標系下的方程為

(2)

對發電機的電壓進行坐標變換后，可以得到d-q坐標系下的電壓為

(3)

同理，可以得到d-q坐標系下磁鏈方程為

(4)

轉矩方程為

(5)

其中，rs為定子電阻，ωr為轉子旋轉角速度，Lmd、Lmq分別為定子繞組在d、q軸的勵磁電抗，Ll為漏抗，下標“s”、“fd”、“kd”、“kq”分別與定子繞組、勵磁繞

組、d軸短路繞組、q軸短路繞組相關，P為發電機的磁極對數。

描述發電機的機械特性方程為

(6)

其中，Tm為外部輸入的機械轉矩，fr為旋轉摩擦系數，J為發電機轉動慣量。

基于數學方程(3)～(6)，可以建立十二相同步發電機的仿真模型。如圖3所示。

3　整流裝置的建模

典型的三相全波整流橋由6個整流二極管組成，Matlab的SimPowerSystems庫中有通用的三相整流橋模塊，可以更改其參數直接應用于本仿真模型[9]。

整流橋與十二相同步發電機定子繞組的連接關系，如圖4所示[10～11]。

4　短路電流的理論計算

忽略整流元件的正向壓降和反向漏電流，同時不考慮AVR的作用及轉速的變化，十二相整流發電機發生直流側短路時電路圖如圖5所示。

提供的十二相整流發電機組參數如表1所示。

通過標幺值與有名值的參數換算，得到十二相整流發電機組參數如表2所示。

圖3　十二相同步發電機的仿真模型

圖4　整流系統原理圖

圖5　十二相發電機整流系統直流側突然短路時的電路圖

項目符號單位數值額定功率PnMW20額定電壓VnV4000輸出電流頻率fHz100磁極對數P2d軸電抗Xd標幺值1.4888d軸暫態電抗Xd'標幺值0.3041d軸次暫態電抗Xd″標幺值0.1887q軸電抗Xq標幺值1.4888q軸次暫態電抗Xq″標幺值0.1983定子漏抗Xls標幺值0.1473d軸暫態時間常數Td'標幺值1.1645d軸次暫態時間常數Td″標幺值0.0923q軸次暫態時間常數Tq″標幺值0.1290定子電阻Rs標幺值0.0338

表2　十二相整流發電機組參數

根據文獻[1]中的理論推導，十二相整流發電機組在直流側突發短路時，交流側最大短路峰值為

=11287A

直流側電流峰值的最大值為

idc_max=3.831iφmax=43240A

5　短路電流仿真分析

5.1系統描述

在Matlab/Simulink中，搭建了十二相整流發電機組直流側短路運行的仿真模型，如圖6所示。

5.2仿真運行結果分析

系統運行過程如下：初始時，整流發電機帶較大負載，在近乎空載的工況下工作；在輸出電壓穩定在4000V后，第5s時，負載側短路，同時保持勵磁電壓和發電機的轉速不變；觀察整流系統輸出電路的波形。

系統仿真圖如圖7所示。

圖6　十二相整流發電機直流側短路運行的仿真模型

圖7　短路后直流側電流波形

圖8　直流側峰值電流的波形放大圖

通過圖8可以看到。仿真得到的直流側短路電流最大值為

對比第3節中的理論計算結果，仿真結果與理論計算結果的偏差為：?=-0.21%。

6　結語

本文通過分析十二相整流發電機的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程及機械特性方程，建立了十二相整流發電機的數學模型。通過借鑒文獻中短路電流的計算方法，推導了理論上直流側突然短路后短路電流的最大值。最后，借助Matlab/Simulink搭建了十二相整流發電機的仿真模型，并對直流側短路工況進行了仿真分析，分析結果表明仿真計算結果與理論分析結果基本一致，從側面驗證了所搭建的十二相整流發電機模型的合理性。

[1] 王令蓉,馬偉明,劉德志.十二相同步發電機整流系統的數字仿真(I)──數學模型[J].海軍工程學院學報,1995(3):1-11.

[2] 馬偉明.十二相同步發電機突然不對稱短路的分析[J].清華大學學報(自然科學版),1996,36(9):42-50.

[3] 孫宇光,黃子果,陳麗,等.十二相整流同步發電機定子匝間短路故障計算[J].電工技術學報,2014(3):57-64.

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[9] 王善銘,王荀,王祥珩.同步發電機整流系統的建模[J].清華大學學報(自然科學版),2006(7):1189-1192.

[10] 李義翔,王祥珩,王善銘.交直流同時供電同步發電機的建模[J].電工技術學報,1999,14(5):5-8.

[11] 馬偉明,胡安,王令蓉.基于電壓波形分析的十二相整流裝置故障診斷[J].電工技術學報,1997,12(6):49-54.

Short-Circuit Calculation and Simulation of Twelve-Phase Synchronous Generator-Rectifier

SHEN XiPENG Ling

(China Ship Research and Design Center, Wuhan430000)

With the advantages of high reliability, low ripple factor, twelve-phase synchronous generator-rectifier has important significance in ship propulsion system. This paper analyzes the mathematical model of twelve-phase synchronous generator-rectifier and then a model on short-circuit of twelve-phase synchronous generator-rectifier is built in Matlab/Simulink. The results of theoretical arithmetic and simulation prove the rationality of twelve-phase Synchronous Generator-rectifier built in paper

twelve-phase synchronous generator-rectifier, ship propulsion system, Matlab/Simulink

2016年4月17日,

2016年5月23日

申喜,男,碩士,助理工程師，研究方向：艦船電力系統仿真分析。彭凌,男,博士,高級工程師，研究方向：艦船綜合電力系統。

TM314

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.021