基于LC振荡回路的整流发电机短路电流模拟

吴大立 潘德华 黄超 徐正喜

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

1 引言

在以整流发电机[1-3]为供电电源的船舶直流电力系统中，为了检验断路器、熔断器等保护装置的分断能力或保护特性，需要具备整流发电机短路电流模拟的条件。一般，模拟短路电流的主要方法有：网络试验法，短路发电机回路试验法及 LC振荡回路法[4-6]等，比较而言，LC振荡回路法具有装置设备简单、投资费用较少、操作方便、使用灵活等优点，虽然只能做单相试验，却能满足整流发电机短路电流模拟的需要。

2 LC振荡回路基本原理分析

LC振荡回路产生短路电流的基本原理是：将电容 C充电后，经过电感 L放电，产生一定频率的振荡电流。将被测试开关串联在放电回路中，只要适当地选择电容 C和电感 L值，即可利用LC谐振原理得到所需规模的短路电流。

图1 LC振荡回路原理图

如图1所示，开关S断开时，已知电容被充电至0U 。开关S闭合后，电容C放电，则电路可用微分方程描述为：

从式（3）与式（4）可知，短路电流峰值的大小与电容初始电压、电感及电容有关；电流的峰值时间主要取决于电感和电容的乘积；电感则决定了初始电流上升率。

3 整流发电机短路电流模拟

3.1 基本要求

某以整流发电机为供电电源的船舶直流电力系统结构简图如图2所示。

图2 船舶直流电力系统结构简图

该电力系统中，直流负载支路（逆变器、斩波器）采用短路限流型熔断器[7]作为直流侧保护器件，为了验证限流型熔断器的保护性能，需模拟整流发电机的短路电流特性，由于限流型熔断器的动作速度很快(ms级)，一般在短路电流上升阶段即可切除故障，因此模拟时主要考虑短路电流升至电流峰值的这一初始阶段。

3.2 参数计算

3.2.1周期及频率计算

根据实际短路试验结果，直流负载支路短路时，整流发电机提供短路电流峰值 Ipk约为 22 kA，峰值时间tpk约为4 ms。利用LC振荡回路模拟该短路电流时可使得其产生的衰减正弦振荡电流在第一个1/4周期时达到峰值，因此：

周期T=16 ms，

角频率 ω = 2π /T =392.7rad/s。

3.2.2 电感计算

取电容初始充电电压U0为1000 V，根据式(3)，在电流峰值Ipk处有如下关系：

可得：

取：L=100 µH。

3.2.3 电容计算

取：C=60 mF。

(4)电阻计算

由于回路电阻主要取决于电感电阻，而实际设计100 µH空心电感电阻约2～3 mΩ。

取： R = 3 mΩ。

3.3 仿真验证

振荡回路参数计算完成后，利用 MATLAB建立仿真模型对参数选择的正确予以验证，仿真结果如图3所示。

图3 短路电流模拟仿真结果

图3给出了模拟短路电流约在 4ms达到峰值 23 kA，表明 LC振荡回路主要参数计算正确，其产生的整流发电机模拟短路电流与实际短路电流在初始阶段特性基本一致，可较好满足电力系统保护特别是快速性保护试验的需求。

4 结语

利用LC振荡回路模拟整流发电机短路电流并开展船舶直流电力系统保护试验，主要有如下特点：

1) 通过参数的合理设计或选取，LC振荡回路能产生与整流发电机初始阶段特性基本一致的短路电流。

2) 利用 LC振荡回路进行船舶直流电力短路保护试验，具有投资少，试验过程短及可多次重复的优点。

3) 基于 LC振荡回路原理研制的船舶直流电力系统保护试验台架目前已完成初步测试工作，其参数调整灵活，最大可实现50 kA的短路电流模拟，将为船舶直流电力系统保护技术的研究提供重要的试验平台支撑。

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