三相同步发电机的空载短路的simulink仿真

一、设计题目

1.1、设计题目 

三相同步发电机的空载短路的simulink仿真

1.2、设计内容仿真参数

一台有阻尼绕组同步发电机，其参数为：PN =200MW,UN =13.8KV,fN =5000Hz,xd =1.0,xq =0.6,x'd =0.30, ,x''d =0.21,x''q =0.31,r=0.005,xσf =0.18,xaD =0.1,xσQ =0.25, T'd0 =5s, TD =2s, T''q0 =1.4s。

1.3、设计要求

得出三相同步发电机的空载短路的simulink仿真

二、原理分析

2.1、空载特性

当转速n=常数，电枢电流为0时，励磁电势随励磁电流变化的关系Eo=f(If) 称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小（有效值）与转子每极磁通Φf 成正比，而励磁电流If 的大小又随作用于同步电机磁路上的励磁磁势Ff正比例变化，所以Eo=f（If） 与电机磁路的磁化曲线Φf=f(If) 具有类似的变化规律。如下图所示。由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，同步发电机的空载特性如所示中的c点。

 

图1 同步发电机的空载特性

同步电机的空载特性也常用标幺值表示，以额定电压作为空载电势的基值，以E0 =UN 时。励磁电流IfN (称为额定励磁电流)作为励磁电流的基值。用标幺值表示的空载特性具有典型性，

不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。

2.1 、短路特性

同步发电机运行于同步转速时，将电枢绕组三相的端点持续稳态短路，然后加上励磁电流，称为短路运行。这时端电压U=0，如果改变励磁电流If ,励磁电势E0 和电枢短路电流的有效值Ik 也会随之改变。短路特性就是指Ik 随If 变化的关系曲线Ik=f(If) 。

短路运行时，Ik 和励磁电势E0 之间的相位差ψ仅受同步电抗和绕组本身电阻的制约。在忽略绕组电阻时，整个电枢回路是一个纯感性回路，，Ik 将滞后于E0 90°电角度，全部作用于直轴，交轴分量Iq =0，其电枢反应表现为纯去磁作用。去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态，励磁电势的有效值E0 和励磁电流If 之间在数量上呈线性关系，由于短路电流Ik=-jEo/Xs ，所以短路电流的有效值Ik 和励磁电流在数量也呈线性关系，短路特性就是一条通过原点的直线。可见，稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。

以下给出了隐极同步发电机稳态短路运行的等效电路和相量图。对凸极式电机来说，短路时交轴电枢磁势Faq =0，故分析方法同隐极电机，只需将Xs 用Xd 代替，将Ia 用Id 来替代即可。

                  （a）等效电路                                    （b）向量图

三、Simulink模拟仿真

3.1、空载仿真

空载仿真模型

三相断路器的参数设置如下

空载通过开关计时元件实现，我们设置开关闭合的时间为0～0.6s。通过示波器可以观测到A、B、C三相电流波形的变化。

仿真结果

A、B、C三相电枢电流仿真波形图

从以上仿真波形图可以看出，正常运行时，各相电流正弦变化，空载后每相电枢电流为0。

交轴电流Iq、直轴电流Id、励磁电流If、转速wm的仿真波形图

从该仿真波形图可知，空载时交、直轴电流都变为0，与理论分析相符。

3.2、短路仿真

     

三相突然短路仿真模型

三相电路短路故障发生器的参数设置如下

短路通过三相电路短路故障发生器元件实现的。仿真时间为1s,由上图可知故障发生器设定0.02025s时发生短路。

根据上述仿真模型，该发电机在0.02025s发生对称性的三相短路，根据仿真运算结果，此时同步发电机的定子A相最大冲击电流标幺值为Iamax =9.161，定子电流的直轴和交轴分最大值分别为Idmax =9.170、Iqmax =3.216，励磁电流Ifmax =5.058。

仿真结果

A、B、C三相定子电流仿真波形图

在0.02025s时开始发生短路故障，在短路开始前线路是空载情况，三相定子电流均为0。短路故障开始后由于定子电流包含直流分量和交变分量，又阻尼绕组和电阻的存在, 上述电流分量将随时间开始衰减,直流分量逐渐衰减为0，交变分量逐渐衰减为呈周期性变化的正弦波函数，在横轴附近稳定波动。从上图可以看到A、B、C三相电流突然短路后逐渐衰减为呈周期性变化的正弦波。在突然短路的瞬间A相的短路冲击电流很大，巨大的冲击电流会对定子绕组的机械强度产生冲击，严重时可能损坏其结构。因此在发电机发生短路故障时应该限制其冲击电流在发电机能够承受的范围之内。

A相电压、电流波形图

三相短路期间，各相电压均为0。

                电枢电流的交轴分量Iq和直轴分量Id及励磁电流Ifd仿真波形图

由以上的仿真波形图可以看出，同步发电机突然短路时，其定子交轴分量电流Iq 由空载短路前的0突然增加至标幺值3.216，之后该电流发生对称衰减振荡，最终衰减至0。由于定子交轴电流有不断衰减的直流分量和基频分量。这两种电流将随时间常数衰减至0，所以从上图可以看到，短路稳定后，定子电流的交轴分量为零。

由以上的仿真波形图可以看出，同步发电机突然短路时，其定子直轴分量电流Id 由空载短路前的0突然增加至标幺值9.170, 定子直轴分量包含直流分量和基频分量，这两种电流将随时间常数衰减，基频分量衰减至0，直流分量衰减至稳定值，由上图可观测到该变化。

由以上的仿真波形图可以看出，励磁电流If 在0.02025s时发生三相短路，电流急剧上升至标幺值5.058，之后便开始对称振荡衰减至稳定值。这是因为当短路发生时由于阻尼绕组在交轴的直流分量随时间迅速衰减，励磁绕组为了保证磁链守恒要阻碍该衰减产生，故要增加其直流分量，因而在短路开始的瞬间会呈现励磁电流急剧增大的现象，而后又随着时间增加逐渐降低趋于稳定。

四、结论分析

通过Simulink仿真和MATLAB画图结果对同步发电机空载、短路特性及过程分析与从理论上对同步发电机的运行特性相吻合。

同步发电机短路后，电枢绕组会产生很大的短路电流，包括直流分量和交变分量，同样励磁绕组和阻尼绕组中也会产生一定的电流，也包括直流和交变分量，同步发电机中有电阻，使得短路电流逐渐衰减，最终达到稳态短路。稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。