目前應用廣泛的交流發(fā)電機整流系統(tǒng)向負載供電時，通常在直流側(cè)帶反電動勢和RC濾波器以改善直流輸出電壓的諧波特性。該文基于d－q坐標系下同步發(fā)電機的基本磁鏈和電壓方程，經(jīng)過合理的簡化處理，建立了三相交流發(fā)電機整流系統(tǒng)的等效電路模型，把交流電機看作帶內(nèi)部阻抗的正弦電壓源。利用整流器開關(guān)函數(shù)導出了直流輸出電壓的數(shù)學模型，引入直流電壓脈動系數(shù)的定義來描述輸出電壓的特性。通過實驗研究分析了帶RC濾波器和反電動勢負載時輸出電壓的諧波及脈動系數(shù)，與計算結(jié)果對比驗證了文中方法的正確性。關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機；整流器；反電勢負載；電壓脈動 1 引言 近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及需求的直流電源功率越來越大，帶整流負載的交流發(fā)電機在船舶電力推進、電力機車牽引、石油鉆井平臺及郵電通訊電源等方面，得到了越來越廣泛的應用［1］。 典型的交流發(fā)電機整流系統(tǒng)是由交流發(fā)電機經(jīng)整流器變流后，通過直流側(cè)并聯(lián)的蓄電池組向負載供電，如圖1所示。由于整流器的存在，使系統(tǒng)具有強非線性，過去人們在分析整流器特性以及負載對整流特性的影響等方面時，常常將發(fā)電機看成是理想電壓源，這樣處理雖然大大簡化了系統(tǒng)的理論分析，但由于忽略的因素過多，對實際工作的指導意義不大。另外根據(jù)國外文獻報導［2］和近來的試驗發(fā)現(xiàn)［3］，當發(fā)電機整流帶蓄電池負載時，將對整流器的直流輸出諧波特性產(chǎn)生一定的影響。因此有必要對這種系統(tǒng)帶RC濾波器和蓄電池負載的直流輸出特性進行研究。 2 系統(tǒng)等效電路模型 為不失一般性，假定電機轉(zhuǎn)子上有一交軸短路繞組，并設(shè)轉(zhuǎn)速ω為常數(shù)，這在分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性時是允許的［1］。對于變化不很快的過程，可以不考慮阻尼繞組電流中的非周期分量（它們很快衰減），并認為轉(zhuǎn)子回路中的交變電流對轉(zhuǎn)子磁鏈無貢獻（即不考慮轉(zhuǎn)子回路對交變電流的電阻）。采用“xad基值”系統(tǒng)，并且假設(shè)xfdkd＝xad，xfqkq＝xaq，便可寫出轉(zhuǎn)子回路磁鏈方程如下所示 式中 xfds、xfqs、xkds、xkqs分別為直軸勵磁繞組、交軸短路繞組、直軸阻尼繞組和交軸阻尼繞組的漏抗。交軸和直軸超瞬變電抗的等效電路如圖2所示。 由式（1）求出ifd、ikd、ifq、ikq后，代入Park磁鏈方程，可得 先分析換相期間的電壓方程。為不失一般性，可分析c相換到a相的換相過程（如c＋b－→c＋a＋b－），此時有 比較式（5）和式（8）可見，無論是在換相期間還是導通期間，電機端電壓方程均有同樣形式，即都可表示為正弦電壓源與阻抗相串聯(lián)的形式，其等效電路如圖3所示。 圖中Rl和Xl分別為整流器輸出端至蓄電池的線路電阻和電抗。令θ＝t＋π，則有 式中 t為時間變量；δ為勵磁電動勢E1領(lǐng)先端電壓U的相角，即電機的功率角�！ l(fā)電機整流系統(tǒng)等效為如圖3所示的電路模型，由于沒有作更多的假設(shè)（如忽略電樞繞組電阻、直流側(cè)電流平直），使得該電路模型比較符合實際，因而可以用此等效模型來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性（交流側(cè)電壓、電流的諧波，直流側(cè)電壓的脈動）�！ �3 整流器諧波分析 為分析方便，認為直流電流Id連續(xù)。下面利用整流器的開關(guān)函數(shù)模型來確定直流側(cè)的開路電壓［6］，利用變量代換t′＝t－δ，則整流器的開關(guān)函數(shù)如圖4所示。引入開關(guān)函數(shù)后，直流側(cè)開路電壓可表示為 觸發(fā)角φ和換相重疊角μ由式（12）和式（13）求得［5］ 式中Id=E1cosξ/(2xt),γ=r/xt,ξ=arctanγ。 求出整流器的開路電壓，就可利用圖5所示系統(tǒng)的等效電路求得直流側(cè)輸出電壓eab。其中Z1＝Rf－jXf／m和Z2＝Rl＋jmXl�？紤]換相重迭角后，交流側(cè)m次阻抗為Zm＝（2－3μ／2π）（r＋jmxt）。則有 4 輸出電壓脈動系數(shù)kVH6 對于交流發(fā)電機整流系統(tǒng)而言，輸出電壓的品質(zhì)至關(guān)重要，是負載能否正常工作的關(guān)鍵所在。為描述其品質(zhì)的因數(shù)，引入電壓脈系數(shù)kVH6，其表達式為kVH6＝V6／V0，數(shù)值上表示就是最低次諧波（即第6次諧波）和直流電壓的比值。kVH6的大小則表明直流輸出電壓的波動大小，對于高品質(zhì)的供電系統(tǒng)，必須對其最大允許值做出界定。 5 實驗驗證與結(jié)果 對一同步發(fā)電機整流系統(tǒng)進行實驗研究。發(fā)電機參數(shù)為（將電抗換算成電感） 圖6給出了整流器直流側(cè)計算和實測的電壓頻譜包絡（f0＝60Hz）。圖6表明：應用本文的諧波計算模型算得結(jié)果和實驗測得的結(jié)果很好地相吻合，這說明對發(fā)電機整流系統(tǒng)的等效是合理和精確的。圖6顯示，整流器直流電壓諧波以6次、12次、18次為主（直流側(cè)各n次諧波電壓以其有效值與平均電壓的比值表示）。 由表1可知，三相交流發(fā)電機整流器直流側(cè)空載電壓脈動系數(shù)為4．04％，即便是在直流側(cè)串入阻感或加直流濾波器，由于此時蓄電池電勢E＝0V，都不能較大程度的改善電壓脈動的大小。表2表明，在直流側(cè)同時并入RC濾波器和蓄電池負載后，可顯著減小直流電壓脈動，當E＝400V和Xf＝0．98Ω（即C＝2700μF）時，電壓脈動系數(shù)僅為0．824％，從而使直流供電品質(zhì)得到進一步改善。表3則顯示了直流電壓脈動隨蓄電池電勢的大小的變化而變化的規(guī)律。根據(jù)表2和表3的計算結(jié)果繪制出圖7，從圖中不難得出結(jié)論：濾波電容越大，直流電壓脈動越小，蓄電池電勢越高，這種減小的幅度越大。 6 結(jié)論本文對直流側(cè)帶蓄電池負載的發(fā)電機整流系統(tǒng)的輸出電壓進行諧波分析和電壓脈動的計算。把交流電機等效為帶阻抗的正弦電壓源，引入開關(guān)函數(shù)來描述電壓諧波計算的數(shù)學模型。研究表明，該方法準確有效。得出的結(jié)論有一定的指導意義 |
