利用MATLAB进行发电机灭磁仿真计算

刘基涛

摘要：本文利用MATLAB进行发电机灭磁容量和灭磁时间的仿真计算。介绍了灭磁计算使用的模型和相关计算公式。并将仿真数据和实际的灭磁数据进行了对比，结果表明仿真计算的波形和实际灭磁波形一致，误差在可以接受的范围。

Abstract： This paper uses MATLAB to simulate the deexcitation capacity and time of generator. The models and formulas used in de-excitation calculation are introduced. The simulation data and the actual de-excitation data are compared. The results show that the simulation waveform is consistent with the actual de-excitation waveform， and the error is acceptable.

关键词：Matlab;励磁系统;灭磁计算

Key words： MATLAB;excitation system;de-excitation calculation

中图分类号：TM31                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）30-0278-02

0  引言

目前，大部分发电机都采用自并激励磁系统，励磁电压和电流都比较大。在励磁系统设计中，灭磁电阻的设计选择是非常重要的。本文利用MATLAB GUI开发了一个灭磁计算工具，以便在设计过程中参考。

1  MATLAB GUI简介

MATLAB GUI工具是图形化用户界面，编程语言采用m语言编程。m语言有丰富的函数库，简单易学，非常适合工程计算使用。

2  仿真模型的建立

灭磁开关跳闸后，发电机转子绕组中的电流经过非线性电阻消耗掉能量。电路图如图1所示。

其中 r是转子绕组的电阻值，R是非线性电阻，If是转子电流。根据图1电路可以列出下面方程：

（1）

式（1）中：

φ是转子绕组的磁通。由于转子铁芯饱和原因，磁通和转子电流的关系是非线性的。通过发电机的饱和特性曲线可以建立函数关系。本文采用MATLAB自带的多项式拟合函数“polyfit” 建立转子磁通和转子电流的函数关系。

U是非线性电阻上的压降。常用的非线性电阻有氧化锌和碳化硅，本文采用碳化硅来计算。根据碳化硅电阻样本，电阻上电压和电流关系为：

（2）

3  初始灭磁电流计算

灭磁计算一般按空载误强励计算和发电机额定运行时三相短路两种方式计算。

空载误强励：

按照励磁失控，发电机空载电压到1.3倍，保护0.3秒后动作跳闸来计算灭磁时初始转子电流

（3）

式（3）中I0是机端电压为1.3倍是励磁电流的大小，Td0 （s）是发电机定子开路时转子直轴瞬变时间常数的饱和值。Uf是跳闸时的励磁电压。

三相短路时励磁电流按照额定励磁电流计算。

4  计算程序和GUI的编写

①参数输入画面，以上公式中计算的参数需要输入发电机的一些参数，例如励磁电压、励磁电流、时间常数等。通过参数的形式传递给计算传递给计算函数。

②通过向后差分法Z变换将式（1）微分方程离散化得到：

其中本文的采样周期t为0.001秒。将初始值带入后即可计算出灭磁曲线。

③转子中的能量是在转子电阻和灭磁电阻上消耗的，需要分别将这两部分的能量分别计算出来。转子电阻上的消耗的功率为r*i2，灭磁电阻上消耗的功率为U*i。将功率积分后即可得到电阻上消耗的能量。

④通过MATLAB的应用程序编译器，将编写好的程序编译生成可执行exe文件。在没有安装MATLAB的电脑上也能执行仿真计算。图2是仿真设置画面和仿真曲线。

5  仿真與实际灭磁数据对比

表1是某发电机仿真灭磁数据和实际灭磁数据的对比。

仿真灭磁时：4.4S;实际灭磁时间4.3S。

从表中看出，仿真的灭磁电压是实际灭磁电压的94%左右。这是因为使用式（3）中的常数35和0.4是一个平均值，仿真中的发电机参数也都是理论值。这些会导致仿真和实际的误差。

在工程设计时我们会考虑安全裕量，由于参数导致的误差就显得不那么明显了。

6  总结

本文通过MATLAB GUI编写了一个灭磁能量仿真计算的工具，介绍了仿真计算的方法。并将仿真数据和实测数据经行了对比。该工具可以在励磁设计中使用，作为电阻容量选型的依据。

参考文献：

[1]Stephen J. Chapman. MATLAB Programming for engineers.

[2]谷红，霞曾丽，萍周莹.基于MATLAB的快速暂态过电压建模仿真[J].价值工程，2019，38（08）：151-155.

[3]朱贤勇，万晓慧.直流调速系统Matlab仿真应用[J].价值工程，2018，37（27）：254-256.