十二相整流發(fā)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(fā)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(fā)電機具有電壓脈動系數(shù)小、可靠性高等優(yōu)點，因此其在船舶電力推進系統(tǒng)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(fā)電機的數(shù)學模型，在此基礎上借助Matlab/Simulink仿真對十二相整流發(fā)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(fā)電機模型的合理性。

十二相整流發(fā)電機; 船舶電力推進系統(tǒng); Matlab/Simulink

Class NumberTM314

1　引言

十二相整流發(fā)電機具有電壓脈動系數(shù)小、可靠性高等優(yōu)點，在艦船電力推進、郵電通訊、飛機電源系統(tǒng)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(fā)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(fā)電機組處于非對稱短路狀態(tài)。為了更好地對十二相整流發(fā)電機的控制和保護采取措施，有必要對十二相整流發(fā)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(fā)電

機組的數(shù)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(fā)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(fā)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(fā)電機組的建模

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

十二相同步發(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)電機的磁極對數(shù)。

描述發(fā)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(shù)，J為發(fā)電機轉動慣量。

基于數(shù)學方程(3)～(6)，可以建立十二相同步發(fā)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(shù)直接應用于本仿真模型[9]。

整流橋與十二相同步發(fā)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(fā)電機發(fā)生直流側短路時電路圖如圖5所示。

提供的十二相整流發(fā)電機組參數(shù)如表1所示。

通過標幺值與有名值的參數(shù)換算，得到十二相整流發(fā)電機組參數(shù)如表2所示。

圖3　十二相同步發(fā)電機的仿真模型

圖4　整流系統(tǒng)原理圖

圖5　十二相發(fā)電機整流系統(tǒng)直流側突然短路時的電路圖

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

表2　十二相整流發(fā)電機組參數(shù)

根據(jù)文獻[1]中的理論推導，十二相整流發(fā)電機組在直流側突發(fā)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(tǒng)描述

在Matlab/Simulink中，搭建了十二相整流發(fā)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(tǒng)運行過程如下：初始時，整流發(fā)電機帶較大負載，在近乎空載的工況下工作；在輸出電壓穩(wěn)定在4000V后，第5s時，負載側短路，同時保持勵磁電壓和發(fā)電機的轉速不變；觀察整流系統(tǒng)輸出電路的波形。

系統(tǒng)仿真圖如圖7所示。

圖6　十二相整流發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)電機的數(shù)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(fā)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(fā)電機模型的合理性。

[1] 王令蓉,馬偉明,劉德志.十二相同步發(fā)電機整流系統(tǒng)的數(shù)字仿真(I)──數(shù)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(fā)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(fā)電機定子匝間短路故障計算[J].電工技術學報,2014(3):57-64.

[4] 溫洪,張曉峰.潛艇十二相充電發(fā)電機的數(shù)學模型[J].船舶工程，2000,4(1):45-49.

[5] 馬偉明,胡安,袁立軍.十二相同步發(fā)電機整流系統(tǒng)直流側突然短路的研究[J].中國電機工程學報,1999,19(3):31-36.

[6] 戴勇,解錦輝.十二相同步發(fā)電機的數(shù)學模型及仿真[J].船電技術，2004(2):5-8.

[7] 高景德,王祥珩,李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析(第二版)[M].北京：清華大學出版社,2005.

[8] 李年裕,劉藻珍,謝永成.基于MATLAB的硅整流發(fā)電機的建模與仿真[C]//二○○一中國系統(tǒng)仿真學會學術年會,中國大連,2001.

[9] 王善銘,王荀,王祥珩.同步發(fā)電機整流系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)。

TM314

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.021