基于MATLAB 的励磁系统整流单元分析与仿真

贾少华，李雅琪

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，河南郑州 450000）

0 引言

目前在同步发电机励磁系统中，通过调节输入转子直流电流的大小，从而实现发电机输出的控制。同步发电机励磁系统主要包含两部分：励磁功率整流单元和励磁调节器，励磁功率整流单元通常采用三相桥式可控整流电路。三相可控整流数据计算量比较大，计算比较繁琐。运用MATLAB 软件，可以使电力工作人员快速、容易的建立模型，迅速的得到仿真结果。依据三相全桥可控整流电路原理，借助MATLAB，建立同步发电机励磁系统整流电路的仿真模型，快速的得到仿真结果。实例证明，仿真的结果与理论分析结果基本一致，验证了所建模型的正确性。

1 同步发电机励磁系统

同步发电机励磁系统用于为同步发电机励磁系统提供励磁电流、励磁电压，主要由励磁调节器和并联功率整流装置两部分组成：励磁调节器可根据电机端电压、电流实时反馈输入信号与给定值的偏差进行调节控制，并将调整值平均分配给各并联功率整流装置；并联功率整流装置则负责给发电机转子提供所需的励磁电流。

目前大型同步发电机组励磁系统通常采用自并励方式，其原理如图1 所示。自并励方式是在发电机出口通过励磁变压器直接将发电机的定子电压、定子电流的实时输出反馈给励磁调节器，通过调节并联整流装置导通角实现对发电机励磁电流的调节控制。其主要由以下部分构成：励磁变压器、励磁调节器、并联功率整流装置、灭磁及过电压保护装置、初励电源装置。

图1 自并励磁系统接线原理

2 同步发电机励磁系统整流单元原理与分析

2.1 整流原理

同步发电机励磁系统整流单元采用的是三相可控整流电路，其原理如图2 所示，其中功率模块（VT1、VT3、VT5）以共阴极接法组合，功率模块（VT4、VT6、VT2）以共阳极接法组合[1-3]。三相可控整流电路的任意时刻都有两个功率模块同时导通，从而形成供电回路。功率模块的触发角以α 表示，在同一周期内，功率模块的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。在负载为纯阻性情况时，将一个周期分为6 个部分，每部分是60°，以触发角α=0°为例，分析电路的工作情况，三相可控整流电路α=0°原理如图3所示。

图2 并联功率整流电路原理

图3 三相可控整流电路α=0°原理

（1）在t1～t2区间：正半轴a 相电压最高，负半轴b 相电压最低，VT1、VT6导通，输出电压为Ud=Ua-Ub=Uab。

（2）在t2～t3区间：正半轴a 相电压最高，负半轴c 相电压最低，VT1、VT2导通，输出电压为Ud=Ua-Uc=Uac。

（3）在t3～t4区间：正半轴b 相电压最高，负半轴c 相电压最低，VT3、VT2导通，输出电压为Ud=Ub-Uc=Ubc。

（4）在t4～t5区间：正半轴b 相电压最高，负半轴a 相电压最低，VT3、VT4导通，输出电压为Ud=Ub-Ua=Uba。

（5）在t5～t6区间：正半轴c 相电压最高，负半轴a 相电压最低，VT5、VT4导通，输出电压为Ud=Uc-Ua=Uca。

（6）在t6～t7区间：正半轴c 相电压最高，负半轴b 相电压最低，VT5、VT4导通，输出电压为Ud=Uc-Ub=Ucb。

以此类推，可得到表1 的情况。

表1 三相可控整流电路阻性负载输出电压表

注释：当0°≤α≤60°时，整流输出电压Ud波形连续，对于阻性负载，Id波形与Ud波形状态一样，也是连续的。

当60°＜α＜120°时，整流输出电压Ud波形断续，对于阻性负载，Id波形与Ud波形状态一样，也是断续的；一旦Ud降至0，Id也降至0，流过功率模块的电流也降为0，功率模块关断，输出整流电压Ud为0，因此Ud波形不出现负值。

当α≥120°时，整流输出电压Ud波形全为0，其平均值也为0[4-6]。

2.2 整流输出电压、电流定量分析

（1）当0°≤α≤60°时，在负载为阻性状态下，整流输出平均电压Ud、输出平均电流Id表达式如式（1）、式（2）所示（U2：交流输入端单相电压有效值，即三相电压Ua、Ub、Uc的有效值）：

（2）当60°＜α＜120°时，在负载为阻性状态下，整流输出平均电压Ud、输出平均电流Id表达式如式（3）、式（4）所示：

U2为交流输入端单相电压有效值，即三相电压Ua、Ub、Uc的有效值。

3 励磁系统整流单元建模与仿真

3.1 励磁系统整流单元的仿真模型

基于上述理论分析，搭建仿真电路[7-9]，如图4 所示。仿真参数设置如下：三相输入电压有效值Ua=Ub=Uc=100 V，频率f=50 Hz，三相电压初始相角度分别为0°、-120°、120°，负载电阻R=10 Ω。功率模块的触发脉冲选择双脉冲触发，脉冲宽度设置为25°，两个脉冲的前沿相差60°。触发角度α 分别设置为0°、30°、60°、90°。

图4 励磁系统整流单元仿真模型

3.2 仿真结果及其分析

励磁系统整流单元的仿真结果如图5～图8 所示。图5 为0°触发角，纯电阻性负载条件下，交流侧输入端三相线电压波形、功率模块VT1 两端电压波形和直流输出侧负载两端电压波形。图6、图7、图8 是触发角分别为30°、60°、90°条件时，交流侧输入端三相线电压波形、功率模块VT1两端电压波形和直流输出侧负载两端电压波形。从以上仿真波形图可知改变不同的控制角，输出电压在发生不同的变化。随着出发角度的增大，输出电压的平均值逐渐减小。

图5 励磁系统整流单元触发角α=0°时仿真输出波形

图6 励磁系统整流单元触发角α=30°时仿真输出波形

图7 励磁系统整流单元触发角α=60°时仿真输出波形

图8 励磁系统整流单元触发角α=90°仿真输出波形

4 结束语

通过仿真和分析，励磁系统整流单元的输出电压受控制角α 的影响，应用MATLAB 的可视化仿真工具Simulink 对励磁系统整流单元的仿真结果进行详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性[10]。MATLAB/Simulink 仿真工具的应用，可在仿真过程中灵活修改仿真模块参数，直观看到参数变化对输出结果的影响，实现快速有效对励磁系统功率整流装置的分析，规避了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，是发电机励磁专业工作人员一个非常有效的实用工具。