基于MATLAB的同步发电机仿真分析

基于MATLAB的同步发电机仿真分析

摘要：在发电机的系统中带有整流的在建模以及求解是非常复杂的，因此，文章采用了sps模块库进行了电器元件的模块建立，带有发电机整流负载的同步仿真模型，这种matlab式的模型能够在系统的有效运行下进行准确的仿真分析，并且分析的形式为动态的，可以将实验的结果同分析相互的对比，这就为整流的负载同步系统在参数设计以及故障的维修和保护上做出理论研究提供基础工作。

关键词：仿真分析；同步发电机；整流；模型

引言

目前在电站以及舰船和飞机这些供电系统中，大多都是独立的带有整流负载的同步发电系统，因此对其计算和仿真分析技术在此领域受到了越来越多的学者专家的关注，但是不得不提到的是，电机在整流桥的数学模型建立的基础上是十分的复杂和难以求解的，这就在研究分析上带来了一定的困难。

而matlab的推出以及软件的应用的推广发展使得这种同步的发电机在建模仿真分析的问题上得到了很好的结局，这也是依仗了这种软件在计算能力上的强大能力，使得带整流的负载同步系统在进行模拟上不但快捷简便同时也变得准确。本文主要就这种发电机在matlab的仿真建模上的系统动态各个过程的情况，并在此基础上将仿真结果同试验结果相互对比，用以证明在仿真模型的建立上matlab仿真模型基本可以在电力系统的实际研究中满足试验的需

要，这个在结果上较为理想。另外，仿真结果不但在系统设计参数时具有重要意义，在保护故障时以及运行设备的可靠性保障时都有着重要的意义。

1 建立系统模型

1.1 数学动态模型的建立

在对同步发电机进行数学模型的动态分析时，应当在分析同步发电机动态数学模型时，假设如下：首先要保证发电机的参数是恒定的；其次，对磁滞以及磁饱和和涡流的影响不计算在内；然后要求定子需要三相对称；最后则要求对高次谐波进行忽略。

同步电机在组成上主要由转子和定子构成，而又由abc三个绕组共同组成了定子，转子则是由两个阻尼绕组以及一个励磁绕组组成，这六个绕组之间相互耦合，存在着电磁关系。

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；l、m：漏感、自感；f、k：励磁绕组分量、阻尼绕组分量；根据六个绕组之间的磁链耦合关系，按照右手螺旋定则，可以得到发电机数学模型的六个磁链方程如下：

（7）（8）

（9）（10）

（11）（12）

1.2 整流桥的数学模型

整流桥是由三相全波整流电路组成。整流桥的桥臂可由二极管、晶闸管、gto、mosfet、igbt等多种形式构成。每种管子的数学模型都是由导通电阻、导通电感和前向压降串联构成。管子的数学模型如下式：

vak=（ron+xon）i+vf（13）

式中，ron：导通电阻；xon：导通电抗；vf：前向压降

1.3 整流系统模型的建立

根据上面建立的同步发电机和整流桥的仿真模型，本文建立了同步发电机整流系统的仿真模型，在直流侧并联了滤波电容c和电阻。仿真中，同步发电机的输入功率pm，励磁电压vf及初始状态的设定可根据负载需要由powergui模块来给出。powergui模块是matlab6.5电力系统仿真中功能很强大的一个模块。

2 仿真与试验分析

系统仿真中的发电机、整流桥、负载的参数均由试验测量确定。同步发电机为5kva/380v，1500r/min恒定电压源励磁同步电机（无励磁调节装置），整流桥为380v/300a三相二极管不可控整流桥，滤波电容为100μf，负载为4.2？赘电阻。

下面对同步电机带整流负载的突加负载、突卸负载和突然短路动态过程进行仿真分析。

2.1 整流系统突加负载仿真分析

实验中的整流负载具有较小的额定功率，因此在仿真结果的实验进行对比结果时往往会对输出电压的有效值进行设定，在这里一般都会设定成42v。

同步发电机在单台系统上进行突加负载，整流桥就会产生uz波形的输出电压，而在负载两端就会产生usc波形的电压。发电机贼空载时候，uz电压在整流桥处的输出约是56v，而闭合开关之后，因为不具有励磁调节，因此需要一个短暂的过渡时间电压才会降到18v。

本文以检验上述matlab的仿真结果是否正确，对同步发电机进行了整流负载的实验以同仿真参数结果进行同步的比较。在实验中选择的是ltg1直流调速柜55kw的直流电动机对同步电机的转速进行控制，而电机的励磁则是由恒定的电压电源进行提供。结果会以波形的形式通过wavestar for oscilloscopes的软件进行录入，录入通过示波器tds220。

2.2 负载突卸的仿真分析

这种负载突卸的状态实则是一个过渡的过程，这种典型的过渡是同步电机在整个运行状况中整流负载的一个基本现象。文章通过使用仿真模型对这一过程进行了高仿真的分析。输出uz波形电压对于整个整流桥处，而在负载两端则是usc波形电压。开关断开之后整流桥处的电压uz会迅速升高，达到50v，之后大约会出现三秒的收敛时间达到空载的稳态56v。而usc则会在断开开关之后降至0。

上述实验就可以看出，在同步电机进行负载到空载过程汇总，整流桥处会输出uz波形的电压，而在负载两端则会产生usc型的电压。仿真结果同试验吻合程度相当的高。

2.3 短路的整流系统分析

在电力系统中整流系统的短路故障是很常见的，但是短路会出现短路电流，而短路电流由于其电流的巨大，会对电力系统造成极大的威胁，因此在电路的设计上会对系统进行保护性的设计。短路电流会在设计时通过系统保护装置，对短路电流的大小进行控制。这是具有很大的意义的，而仿真模型的建立其实在一定的程度简化了这一设计过程。

在整流的整体系统中，直流侧出现短路的现象较为复杂，可以看成是交流侧的三相对称性质的短路现象。但是对于直流侧，短路的最大电流的峰值却是能够达到280a的。

而对于电机以及短路电流之间的参数关系研究，本文通过对电机的其他参数设定不变来进行假设性的试验，对最大短路的峰值电流进行探讨降低方式。通过对直轴的电抗xd的超瞬变从0.073变成0.15，对直流侧的短路电流进行仿真性模拟，通过实验，得出最大的峰值电流会随着xd增加而降低。

而在研究中，发现tdo对于短路电流的数值还会造成一定的影响，同样是对发电器的其他参数设定固定值，将tdo从0.0701s改变至0.01s，就会发现tdo变小后短路电流的峰值出现了明显降低的现象。