带整流负载异步发电机技术研究

【导读】 由于带整流负载异步发动机具有可靠性高，成本低，功率密度高等优点，在电力系统直流供电模块中有重要应用。本文介绍了异步发电机带线性负载稳态和暂态的研究方法，同时也讨论了异步发电机带整流负载外特性研究方法。最后，对于异步发电机带整流负载谐波进行相关分析。一、异步发电机带线性负载稳态研究方法

步发电机的稳态研究主要是利用异步发电的一相等值电路，然后针对等值电路利用回路阻抗法或者节点导纳法列写电路方程，通过求解方程获得异步发电机的各种待求参数。

各量均折算到定子侧，并将实际参数折算到额定频率下的标么值。其中f1为实际频率与额定频率(50Hz)之比，n为实际转速与额定转速之比，发电机通常带电阻、电感静态负载或者带电动机等动态负载，图1为直接带电阻负载电路，由电路可以得出两种主要的分析方法：①回路阻抗法 ;②点导纳法。异步发电机稳态运行时，公式①、②中回路电流I1和机端电压U1不能为零，那么只有使得回路阻抗或者节点导纳为零。无论是回路导纳方程零还是节点导纳方程为零，经过化简后都是一个含有实部和虚部的复数方程，这里取实部和虚部分别为零，得到一个以激磁电抗Xm，定子电流频率f1为变量的高阶非线性方程组。于方程次数高达七阶，采用一般的微分降阶方法无法求取合理的方程解，常用的求解方法有“Newton-Raphson”法和优化计算方法。“Newton-Raphson”法虽然具有较高的精度与较快收敛速度，但求解过程受初值选择限制，可以选择优化算法作为分析方法，优化算法具有收敛速度快，计算精度高等优点，非常适合求解高次方程。

二、异步发电机带线性负载暂态研究方法

异步发电机暂态研究主要为了确定异步发电机建压过程中电容值大小选取或电机参数及负载变化时电路中的电压和电流变化情况，为了解异步发电机暂态过程中各物理量变化情况并为电机的设计提供理论基础，相关的研究方法经常采用特征值分析法。特征值主要是用来分析异步发电机在小扰动下的电机建压的临界问题，也可以用来确定最小建压激磁电容值，在电机模型的线性化过程之后，基于模型的稳定性的参考坐标系，系统方程式可以用矩阵的形式表现如下：③px=Ax+Bu。当特征根中的任何一个的实部大于零时，异步发电机将会自激建压，在异步发电机空载建压的状态矩阵A中，在保证电机参数不变的情况下，只有一个变量，即自激电容C，它可以人为的确定，它影响了系统特征根的分布，在异步发电机存在剩磁的条件下，只有激磁电容满足一定的数值时，才能使系统的特征根中有一个实部为正的，异步发电机能够自激建压。这里选取的坐标系是定子静止坐标系，由文献[14]可知在此坐标系下，异步发电机定子上的电量是随时间变化的正弦量，因此在异步发电机建压稳定后，应该能够维持正弦变化的电压，也就是系统处于等幅震荡状态，这时系统应存在实部为零的特征根，而不能存在实部大于零的特征根，否则系统将难以稳定。另外，还可以利用PARK变换转换为d-q轴等效电路进行相关求解。

三、异步发电机带整流负载外特性研究方法

异步发电机带非线性负载外特性分析主要用来研究异步发电机带整流负载后整流桥直流侧交流侧电压电流的变化情况，交流侧的研究也包含了电机木身内部参数的变化对直一交侧的影响，通常为了稳定直流侧的电压，需要改变交流侧的激磁电容或者电机转速，由于带整流桥后整个电路的运行要受非线性整流桥导通关断的约束，无法直接得到整个电路系统的稳态等值电路，目前国内外的研究主要包含异步带可控整流系统和不可控整流系统的分析研究，其研究方法主要有以下几种：①电路分析法，电路分析法是分析异步发电机及整流系统的主要方法。②回路电流法，基于电路拓扑理论的回路电流法是一种分析异步发电机带较为复杂负载电路的有效方法，具体的思路是首先选择所有的独立回路并给出回路的正方向，根据回路与支路是否关联以及相互间的正方向是否一致写出基本回路矩阵，然后将每个回路中所包含的支路电感、电容、电阻元件分别根据自身电压通过其电流大小利用向后Euler法数值公式处理为微分方程式，进而得到用于暂态分析的电阻、电感、电容元件的瞬时等值电路，从而得到了元件上电压和电流的任意时刻关系方程，使得元件具有时变性，最后利用基尔霍夫电压定律列写每个回路方程，利用MATLAB语言对回路矩阵方程电流求解，得到支路瞬时电流和支路瞬时电压。③场路祸合法，其是一种直接把电磁场方程与电路方程联立求解的分析方法，电路分析法中磁链一般写成电感与电流相乘的形式，用电路中的电感参数反映电机的电磁关系场路藕合分析法中的磁链直接用磁通密度或者向量磁位等场量表示，而这些场量常常通过离散电磁场方程并用有限元法获取。④利用工具软件仿真法，工具软件仿真法是一种方便简捷的分析方法，主要分为两类一类是利用电路系统的数学模型建模仿真，这类仿真一般借助Matlab中的Simulink。

四、异步发电机带整流负载谐波分析

正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波施加在非线性电路上时，电流就会变为非正弦波，非正弦波电路在电路阻抗中产生压降，使电压波形也变为非正弦波。异步发电机带整流负载后，整个电路就会变为非线性电路，异步发电机输出的电压电流将发生畸变，整流桥直流的电压波形也将变为周期脉波，其大小取一个周期内的平均值。

五、结语

本文介绍了异步发电机带线性负载稳态和暂态的研究方法，同时也讨论了异步发电机带整流负载外特性研究方法。最后，对于异步发电机带整流负载谐波进行相关分析。通过本文分析，希望能够对于带整流负载的异步发电机有着更为深刻的认识，从而使其得以更好应用。