《电力电子电机控制系统仿真技术》洪乃刚第4章

第4章变压器和电机模块及其应用变压器和电动机是拖动控制系统的主要器件，它们的特点是都基于电磁感应原理。SIMULINK/SimPowerSystem模型库中有多种单相和三相变压器的模型本章主要介绍常用的一些变压器和电动机模型4.1变压器模型4.1.1单相变压器模型123LinearTransformer123SaturableTransformer单相变压器模型（饱和铁芯）单相变压器参数单位额定容量PN、频率fNVA、HZ绕组1（原边）额定电压V1有效值(rms)V电阻R1漏感L1标幺值（pu）绕组2（副边1）额定电压V2有效值(rms)V电阻R2漏感L2标幺值（pu）绕组3（副边2）额定电压V3有效值(rms)V电阻R3漏感L3标幺值（pu）饱和特性(线性变压器没有)磁化电流i1、磁通phi（i1phi1;i2phi2;…）标幺值（pu）磁阻和剩磁通(线性变压器没有)Rmphi0标幺值（pu）变压器磁化曲线磁化曲线的折点是以与折点对应的磁化电流i和磁通phi值依次输入,在电流和磁通间加空格，在两组电流和磁通间以“；”分隔。磁化电流和磁通标幺值与标准单位的换算关系basepubasepuIII22211NbaseNbasefVVPI4.1.3三相变压器ABCabcThree-PhaseTransformer(TwoWindings)ABCa2b2c2a3b3c3Three-PhaseTransformer(ThreeWindings)连接符号三相绕组连接Y星形接法，无中线Yn星形连接，带中性点的连接端Yg星形联接，中点在模型内接地Δ11三角形连接，电压相位领先Y接30°Δ1三角形连接，电压相位滞后Y接30°三相变压器（3绕组）对话框4.1.5变压器模型应用一台单相变压器原边电压为220V，副边电压为110V，副边连接阻感负载，仿真观察变压器原边和副边电压电流波形，并测量计算负载的有功功率，无功功率和功率因数。5.0R5.0RmhL1022QPp变压器电路模型v+-VM1v+-VM12TransformerS8S6S5S4S3S2S1SRLi+-IM1i+-IMf(u)FcnClockVIPQActive&ReactivePowerAC模型参数设置仿真算法为ode45，仿真时间为0.1秒原边电压和电流00.020.040.060.080.1-400-2000200400t/su1/V,i1/Au1i100.020.040.060.080.1-200-1000100200t/su2/V,i2/Au2i2副边电压和电流有功功率P=600W无功功率Q=3720Var00.020.040.060.080.1-100001000200030004000t/sP/W,Q/VarPQ00.020.040.060.080.1-1-0.500.5t/sFactor负载功率因数157.04.2直流电机模型TLmA+F+A-F-dcDCMachine4.2.1直流电机模型结构1m4F-3F+2A-1A+i+-iFi+-iARfLfRaLaTLiaifFCEMmMechanicsIn1Out1Measurementlists-+FCEM1TLMechanics模块结构2m1FCEMLaf20e-6s+1Mux1sIntegrator1/JCoulomb(Tf)&Viscous(Bm*w)FrictionTorques3if2ia1TLTeTewwIfIfiaiaEfcem直流电机模型的基本方程1.励磁回路电压方程：tdidLiRuFFFFF2.电枢回路电压方程：EtdidLiRuaaaaanCnKEKEeEE602或FEaFiKL/aTefmLeiKTTBTTdtdJ)sgn(3.电机转矩方程：当：Te-TL0时，电机工作在电动机模式Te-TL0时，电机工作在发电机模式例4.2仿真一台直流并激电动机的起动过程。电动机参数为：PN=17KWUN=220V，IN=89AnN=3000r/m,励磁电压220V，励磁电流为1.21A，电机转动惯量J=0.76kg.m2，测得电枢回路电阻Ra=0.087Ω。建立直流并激电动机电路仿真模型TL*speediaifTeifStep30/piGainTLmA+F+A-F-dcDCMachine17KW220V3000r/mDC计算电动机参数：励磁电阻Rf=Uf/If=220/1.21=181.5Ω,励磁电感Lf在恒定磁场控制时可取“0”。电枢电阻Ra=0.087Ω电枢电感估算，电枢绕组和励磁绕组的互感LafhIpnCULnomnomnoma0032.09.883000122204.01.1921.19HIKLCKrVnIRUCfEafeEnomnomanome56.021.1/676.0/676.00708.0260260min/.0708.030009.88087.0220转速稳定在mr/3000空载起动，起动电流达到2500A转速从0上升达到3100转/分时，电枢电流减小到0。0.5秒时电机加载，电机转速略有下降，电枢电流增加到88A在上题中直流电动机改为它激，用电阻起动器限制起动电流在200～100A之间，通过仿真设计选择起动电阻和切换时间。iaspeedTLStep3Step2Step1SCOPEgm12IdealSwitch2gm12IdealSwitch1gm12IdealSwitch9.55GainTLmA+F+A-F-dcDCMachineDC1DCR3R2R1设计步骤1：直流电动机串电阻起动模型步骤2：将step模块2和3的阶跃信号发生时间设为“0”，即R2、R3在起动时就短接；step1的信号发生时间设长一些（如20秒），使R1接入电枢回路，并初选R1′设R1＝R1′＝1Ω，启动仿真1087.0200220max1aNRIUR计算R1和预选R2ˊ步骤3：重新设R1和R2（R2＝R2ˊ）计算R2和R3。518.0482.0211max2RRRRInCURaeN162.032.0223max2RRRRInCURaeN步骤4：重新设定R2和R3,设step2的信号发生时间6秒.设step3的信号发生时间为8秒，切除R3.转速升到3000r/m，在整个起动过程中电流都限制在规定的范围内，起动器的电阻和切换时间设计完毕。4.3交流异步电机模型4.3.1三相异步交流电动机模型TmmABCabcAsynchronousMachineSIUnitsTmmABCAsynchronousMachineSIUnits一三相电压/二相电压的变换，bcrabrdrqrbcsabsdsqsVVVVVVVVcos3sinsin2sin3coscos231cos3sinsin2sin3coscos231二相电流/三相电流的变换brarcrbsascsdrqrbrardsqsbsasiiiiiiiiiiiiii2sincos32sin3cossincos2sincos32sin3cossincos二二相坐标系上的异步电机方程电压方程qrrdrdrdrdrdrrqrqrqrqrdsdsdssdsdsqsqssqsdtdiRVdtdiRVdtdiRVdtdiRVdsmdrrdrqsmqrrqrqrmdssdsqrmqssqsiLiLiLiLiLiLiLiLmlrrmlssLLLLLL电磁转矩)(5.1dsqsqsdseiipT三模型参数参数名单位额定容量Pn、额定电压Un、额定频率fnVA、V、Hz定子绕组电阻Rs、漏感LlsΩ、H转子子绕组电阻Rrˊ、漏感LlrˊΩ、H定转子绕组互感LmH转动惯量J、摩擦系数F、极对数pKg.m2测量模块mwmMachinesMeasurementDemux仿真一台7.5KW笼型异步电动机空载起动和加载情况下的工作过程。异步电动机特性研究模型参数表4.7ucubuatspeedphisqphisdphisphirqphirdphiriscisbisaircirbiraXYGraphTe-nTeTLmir_abcphir_qdis_abcphis_qdwmTeMachinesMeasurementDemux19.55GainDemuxDemuxDemuxDemuxClockTmmABCAsynchronousMachineSIUnits仿真波形00.20.40.60.81050010001500t/sn/rpm起动时电机转速迅速上升，在0.2秒后达到空载转速1500r/m,在0.5秒时电机加上了负载70N.m，电机转速下降转差变大，稳定后转速为1300r/m左右。在起动中随转速上升电流减小，在0.5秒加载后电流迅速增大，定子电流为50HZ的正弦波。起动时随转速上升转子电流频率下降，当电机达到理想空载转速1500r/m时，转子电流的大小和频率都接近为0，00.20.40.60.81-100-50050100t/sisa/A00.20.40.60.81-100-50050100t/sira/A起动中交流电机的转矩有较大波动，0.3秒时电机的空载转矩基本为0。0.5秒加载后，电机转矩上升，0.6秒后电机转矩稳定在70N.m与负载转矩相平衡。00.20.40.60.81-50050100t/sTe/N.m电机动态机械特性，其中A点是电动机空载转速达到同步转速时的工作点，加载后工作点从A移向B，B点对应电动机负载转矩是电机的工作点-100-500501001502000500100015002000Te/N.mn/sAB-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.5phisdphisq-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.5phirdphirq电动机磁场的建立过程，起动时定子磁链从0开始建立，然后不断增大并旋转，在正弦电压下电机达到稳定转速后定子磁链的轨迹是一个圆，转子磁链(图4.28b)与定子磁链有一样的建立过程。小结SIMULINK模型库中包含了各种变压器和电动机模型，使用这些模型可以使系统的仿真更接近实际工况。本章介绍了各种变压器和电动机模块的特性和参数，并以举例介绍了模块的使用。变压器和电动机的参数，如绕组电阻和电感是较难确定的，在举例中介绍了根据直流电动机铭牌参数计算模型参数的方法，模型也提供了一些电机型号和参数供参考，方便了读者使用。