1、MATLAB應(yīng)用技術(shù),清華大學(xué)出版社,王忠禮 段慧達(dá) 高玉峰編著,4.MATLAB在電機(jī)學(xué)中應(yīng)用,4.1 直流電動機(jī)模型,4.2.1直流電動機(jī)介紹,直流電動機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。 優(yōu)點(diǎn)：啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，在軋鋼機(jī)、電力機(jī)車的等方面有一定的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：由于其帶有機(jī)械換向器，比交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)運(yùn)行成本較高，逐步被交流電動機(jī)所取締。,直流電動機(jī)模型,F和F-：直流電動機(jī)勵(lì)磁電路控制端子，分別連接勵(lì)磁電源 的正極與負(fù)極； A和A-：直流電動機(jī)電樞回路控制端，與電機(jī)電樞繞組相連； TL：直流電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號輸入端； m：直流電動機(jī)測量信號的輸出端，包括轉(zhuǎn)速(rad/s

2、)，電樞 電流Ia（A），勵(lì)磁電流If（A），電磁轉(zhuǎn)矩Te（Nm）。,直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置,Armature resistance and inductanceRa (ohms) 和La(H)：電樞電阻和電感； Field resistance and inductanceRf (ohms) 和Lf(H)：勵(lì)磁回路電阻和電感 Field-armature mutual inductanceLaf (H)：電樞與勵(lì)磁回路互感； Total inertia J (kg.m2) ：電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量(kg.m2) ； Viscous friction coefficient Bm (N.m.s)：粘滯摩擦

3、系數(shù)(N.m.s)； Coulomb friction torque Tf (N.m)： 靜摩擦轉(zhuǎn)矩(N.m)； Initial speed (rad/s)：初始速度。,例1.直流電動機(jī)直接起動,直流電動機(jī)直接起動時(shí)，起動電流很大，可達(dá)額定電流的1020倍，由此產(chǎn)生很大的沖擊轉(zhuǎn)矩，在實(shí)際運(yùn)行中不允許直流電動機(jī)直接起動。 使用Simulink對直流電動機(jī)的起動過程建立仿真模型，通過仿真獲得直接起動電流的過程和電磁轉(zhuǎn)矩的過程。,使用模塊,直流電動機(jī)(DC-Motor),（2）直流電壓源（E、Ef）,模塊取自SimPowerSystems工具箱中的Electrical Sources庫里的DC vo

4、ltage source模塊。直流電壓E為直流電機(jī)的電樞回路電壓，直流電壓Ef直流電機(jī)的勵(lì)磁電壓，二者參數(shù)（Amplitude）設(shè)置為240。,2.仿真參數(shù)設(shè)置,3.仿真結(jié)果,圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,圖 電機(jī)電樞電流波形,圖 電磁轉(zhuǎn)矩波形,從仿真結(jié)果可以分析：轉(zhuǎn)速能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，但起動電流沖擊很大，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊也很大。,例2.直流電動機(jī)分級起動,由于直流電動機(jī)直接起動電流過大，為了限制起動電流，通常在電源和電動機(jī)之間加上起動變阻箱。 起動變阻箱由三個(gè)電阻組成，在每個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)理想開關(guān)，通過設(shè)置開關(guān)不同的導(dǎo)通時(shí)間，來切除電阻。起動瞬間，三個(gè)開關(guān)全部斷開，此時(shí)電阻全部接入。一定時(shí)

5、間后，第一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，相應(yīng)地第一個(gè)電阻被切除。依此類推，達(dá)到限制電流和保證電磁轉(zhuǎn)矩的目的。,圖 起動變阻箱的電路模型,圖 創(chuàng)建的子系統(tǒng),（1）斷路器（Breaker）,斷路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫里的Breaker模塊,使用模塊,（2）調(diào)速電阻,調(diào)速電阻選自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫里的series RLC branch模塊。,（3）斷路器控制信號（Step） 斷路器通斷控制采用階躍信號與模塊的控制端連接實(shí)現(xiàn)。,2.仿真結(jié)果,圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,圖 電機(jī)電樞電流波形,圖 電磁轉(zhuǎn)矩波形,起動電阻的阻值要根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)和起動具

6、體要求進(jìn)行選擇，阻值過大會延長起動時(shí)間，而阻值過小又起不到限流作用。,4.2異步電機(jī)模型,異步電動機(jī)模型:標(biāo)幺制和國際單位制,其電氣連接和功能分別為： A、B、C：交流電機(jī)的定子電壓輸入/輸出端子，可直接連接三相電壓； Tm：電機(jī)負(fù)載輸入端子，一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載；Tm0，為電動機(jī)；Tm0，為發(fā)電機(jī)。 a、b、c：繞線式轉(zhuǎn)子輸出電壓端子，一般短接在一起或者連接到其它附加電路中，而鼠籠式電機(jī)無此輸出端子； m：電機(jī)信號輸出端子，一般接電機(jī)測試信號分配器觀測電機(jī)內(nèi)部信號，或引出反饋信號。,異步電動機(jī)模型參數(shù)設(shè)置,Rotor type：轉(zhuǎn)子類型列表框，分別可以將電機(jī)設(shè)置為繞線式（Wound）

7、和鼠籠式（Squirrelcage）兩種類型； Reference Frame：參考坐標(biāo)列表框，可以選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（Rotor）、靜止坐標(biāo)系（Stationary）、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Synchronous）； Nom.power,L-L volt,and freq： 額定功率（VA），線電壓（V），頻率（赫茲）； Stator Rs (ohm) Lls（H）：定子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）； Rotor Rr (ohm) Lls（H）：轉(zhuǎn)子電阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）； Mutual inductance Lm（H）：互感Lm(H）； Intia，friction facto

8、r and pairs of poles ：轉(zhuǎn)動慣量J(kg.m2)，摩擦系數(shù)和極對數(shù)； Initial conditionss() th(deg) isa isb isc(A)：初始條件包括：初始轉(zhuǎn)差s，電角度，定子電流幅值isa isb isc(A)和相角phas, phbs, phcs（deg）。,電機(jī)測試信號分配器,ir_abc：轉(zhuǎn)子電流ira,irb,irc； ir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_d； phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_d； vr_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓

9、vr_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_d； is_abc：定子電流isa,isb,isc； is_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電流is_q和d軸下的定子電流is_d； phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子磁通phis_q和d軸下的定子磁通phis_d； vs_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電壓vs_q和d軸下的定子電壓vs_d； wm：電機(jī)的轉(zhuǎn)速wm； Te：電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te； Thetam：電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移Thetam。,電機(jī)測試信號分配器參數(shù)設(shè)置,例3. 一臺三相四極鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，額定功率Pn=10kw,額定電壓u1n=380v，額定轉(zhuǎn)速n=1455r/min,額

10、定頻率50Hz，已知定子每相電阻為0.458歐姆，漏抗0.81歐姆，轉(zhuǎn)子每相電阻0.349歐姆，漏抗1.467歐姆，勵(lì)磁電抗27.53歐姆，求空載運(yùn)行狀態(tài)下的定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁力矩，當(dāng)t=0.2s，負(fù)載力矩增大到100，求變化后的定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁力矩。,1.使用模塊,（1）三相電壓源： SimPower SystemsElectrical SourcesThree Phase Source,（2）三相變壓器： SimPower SystemsElementsThree Phase Transformer (Two windings),（3）三相電壓、電流測量元件： SimPower Sy

11、stemsMeasurementsThree Phase V-I Measurement,（4）異步電動機(jī)： SimPower Systems Machines Asynchronous Machine,先將電機(jī)初始狀態(tài)各值設(shè)為0，或任意數(shù)值。,（5）電機(jī)測量信號分配模塊 SimPower SystemsMechinesMachines Measurement Demux,（6）階躍模塊： SimulinkSourcesStep,（7）powergui模塊,2.仿真參數(shù)設(shè)置,雙擊powergui模塊，打開潮流和電機(jī)初始化窗口。,輸入仿真起始時(shí)，電機(jī)的機(jī)械功率,對電機(jī)的初始狀態(tài)進(jìn)行初始化,初始化

12、完畢之后的電機(jī)參數(shù)對話框,仿真時(shí)間、算法、步長設(shè)置,3.仿真結(jié)果,4.3同步電機(jī)模型,同步發(fā)電機(jī)原理： 定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組；轉(zhuǎn)子上裝有勵(lì)磁繞組，當(dāng)原動機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動到額定轉(zhuǎn)速后，勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，此時(shí)在電機(jī)的氣隙中就會產(chǎn)生磁通。該磁通切割定子繞組，若定子繞組開路，定子繞組中無電流，發(fā)電機(jī)端電壓即為繞組中的感應(yīng)電動勢，稱為空載電動勢 。,簡化同步電機(jī)模塊：忽略電樞反應(yīng)電感、勵(lì)磁和阻尼繞組的漏感，僅由理想電壓源串連RL組成。,其電氣連接和功能分別為： A、B、C：電機(jī)的定子電壓輸出/輸入端子，可直接連接三相電壓； Pm：施加在電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載功率，Pm0，發(fā)電機(jī)；

13、Pm0，電動機(jī)； E：電機(jī)內(nèi)部電壓； m：電機(jī)信號輸出端子，一般接電機(jī)測試信號分配器觀測電機(jī)內(nèi)部信號，或引出反饋信號。,輸入電機(jī)的機(jī)械功率,電機(jī)內(nèi)部電源電壓,標(biāo)幺值形式,國際單位制形式,三相額定視在功率、額定線電壓有效值、額定頻率,慣性時(shí)間常數(shù)H、阻尼系數(shù)Kd、極對數(shù)p,內(nèi)部阻抗，R可等于0，但X應(yīng)大于0,初始條件：初始角速度偏移、轉(zhuǎn)子初始角位移、線電流幅值、相角,標(biāo)幺制簡化同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置,標(biāo)么值（pu）模塊參數(shù)設(shè)置與國際單位制（SI）模塊參數(shù)設(shè)置內(nèi)容除單位不一樣以外，其余完全一致。,轉(zhuǎn)動慣量J,國際單位制簡化同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置,電機(jī)測試信號分配器參數(shù)設(shè)置,定子ABC三相電流,定子ABC三

14、相電壓,電機(jī)內(nèi)部電源電壓,機(jī)械角度,轉(zhuǎn)子速度,電磁功率,例4.模擬同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 額定值為1000MVA、315kv的兩對極同步發(fā)電機(jī)與315kv無窮大系統(tǒng)相連。求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率角和電磁功率。,1.使用模塊 （1）簡化的同步發(fā)電機(jī),根據(jù)功率和線電壓計(jì)算出阻抗基準(zhǔn)值為99.225。 電機(jī)的初始狀態(tài)各值可以先默認(rèn)為0，或其他任意數(shù)值。,（2）可編程三相電源,（3）三相電壓、電流測量元件,不加該元件，仿真時(shí)會報(bào)錯(cuò)。,（4）電機(jī)測試信號分配器,（5）選擇器,選擇輸入向量/矩陣中的某些元素,（6）傅立葉變換,Extra LibraryMeasurementsFourier 提取輸入信號中

15、第n次分量的幅值和相位。,（7）powergui模塊,2.參數(shù)設(shè)置,發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率Pm：采用Constant模塊，參數(shù)可先設(shè)為任意數(shù)值。 發(fā)電機(jī)內(nèi)部電動勢E：采用Constant模塊，參數(shù)可先設(shè)為任意數(shù)值。,雙擊powergui模塊，打開潮流和電機(jī)初始化窗口。,選擇PV發(fā)電機(jī)，可以設(shè)定電機(jī)端電壓和有功功率。,更新潮流，Pm和E值，電機(jī)的初始狀態(tài)各值發(fā)生改變。,3.仿真結(jié)果,4.仿真結(jié)果分析,由仿真結(jié)果，發(fā)電機(jī)功角約為11.2度，發(fā)電機(jī)輸出電功率為1020MW，接近額定電功率。 理論上，,4.4電力變壓器模型,單相三繞組線性變壓器,三相三繞組變壓器,三相雙繞組變壓器,多繞組變壓器,三相耦合

16、線圈,飽和變壓器,三個(gè)單相繞組變壓器所組成的模塊，所有端口可見,移相變壓器,三相雙繞組變壓器模塊,參數(shù)設(shè)置,額定容量、額定頻率,一次側(cè)線電壓有效值、電阻、漏感,二次繞組參數(shù),二次側(cè)繞組的連接形式,飽和鐵心,磁阻,勵(lì)磁電感,設(shè)置變壓器鐵心飽和之后參數(shù)設(shè)置對話框,飽和特性參數(shù)設(shè)置,磁滯復(fù)選框選之后，將打開磁滯特性對話框,磁通初始化復(fù)選框,飽和變壓器鐵芯參數(shù)設(shè)置：,變壓器的飽和特性用分段線性化的磁化曲線表示。,飽和變壓器鐵芯參數(shù)設(shè)置：,參數(shù)對話框中，從坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0）開始制定”電流磁通”特性曲線，即從原點(diǎn)開始制定飽和特性曲線上的每一個(gè)拐點(diǎn)的坐標(biāo)，電流和磁通用“空格”或“,”隔開，每組拐點(diǎn)之間用“;

17、”隔開。 磁化電流和磁通均使用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為： 其中V1為一次側(cè)額定相電壓有效值。 如圖所示的曲線，可以定義為0,0;0.2,0.8;0.8,1.5。,測量參數(shù)下拉菜單：,從SimPowerSystems庫的“Measurements”字庫中，選擇“Multimeter”模塊到模型文件窗口中，可以在仿真過程中對選中的測量變量進(jìn)行觀察。,例5.變壓器空載運(yùn)行仿真,一臺Y-D11連接的三相變壓器Pn=180kvA，U1N/U2N=10000/525，已知R1=0.4， R2=0.035，X1=0.22，X2=0.055 ，Rm=30，Xm=310，鐵芯飽和特性曲線如下圖，請用matlab仿真分析變壓器空載運(yùn)行時(shí)一次側(cè)的相電壓，主磁通和空載電流波形。,鐵心飽和特性數(shù)據(jù)0,0;0.59737,1;1.5,1.2,1.理論分析 空載時(shí)，由于變壓器鐵芯飽和，因此當(dāng)相電壓和主磁通為正