MATLAB-simulink在电机中的仿真

MATLAB应用技术清华大学出版社王忠礼段慧达高玉峰编著MATLAB应用技术4.MATLAB在电机学中应用MATLAB应用技术4.1直流电动机模型4.2.1直流电动机介绍直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置。优点：启动转矩大，调速范围宽，在轧钢机、电力机车的等方面有一定的应用。缺点：由于其带有机械换向器，比交流电动机结构复杂，生产运行成本较高，逐步被交流电动机所取缔。MATLAB应用技术直流电动机模型MATLAB应用技术F＋和F-：直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极；A＋和A-：直流电动机电枢回路控制端，与电机电枢绕组相连；TL：直流电动机的负载转矩信号输入端；m：直流电动机测量信号的输出端，包括转速ω(rad/s)，电枢电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（N·m）。MATLAB应用技术直流电动机的参数设置•ArmatureresistanceandinductanceRa(ohms)和La(H)：电枢电阻和电感；•FieldresistanceandinductanceRf(ohms)和Lf(H)：励磁回路电阻和电感•Field-armaturemutualinductanceLaf(H)：电枢与励磁回路互感；•TotalinertiaJ(kg.m^2)：电机转动惯量(kg.m^2)；•ViscousfrictioncoefficientBm(N.m.s)：粘滞摩擦系数(N.m.s)；•CoulombfrictiontorqueTf(N.m)：静摩擦转矩(N.m)；•Initialspeed(rad/s)：初始速度。MATLAB应用技术例1.直流电动机直接起动直流电动机直接起动时，起动电流很大，可达额定电流的10~20倍，由此产生很大的冲击转矩，在实际运行中不允许直流电动机直接起动。使用Simulink对直流电动机的起动过程建立仿真模型，通过仿真获得直接起动电流的过程和电磁转矩的过程。MATLAB应用技术1.使用模块(1)直流电动机(DC-Motor)（2）直流电压源（E、Ef）模块取自SimPowerSystems工具箱中的ElectricalSources库里的DCvoltagesource模块。直流电压E为直流电机的电枢回路电压，直流电压Ef直流电机的励磁电压，二者参数（Amplitude）设置为240。MATLAB应用技术2.仿真参数设置MATLAB应用技术3.仿真结果0123456789100200400600800100012001400图电机转速波形图电机电枢电流波形MATLAB应用技术0123456789100100200300400500600700800图电磁转矩波形从仿真结果可以分析：转速能够在较短的时间内达到稳定，但起动电流冲击很大，同时电磁转矩的冲击也很大。MATLAB应用技术例2.直流电动机分级起动由于直流电动机直接起动电流过大，为了限制起动电流，通常在电源和电动机之间加上起动变阻箱。起动变阻箱由三个电阻组成，在每个电阻两端并联一个理想开关，通过设置开关不同的导通时间，来切除电阻。起动瞬间，三个开关全部断开，此时电阻全部接入。一定时间后，第一个开关导通，相应地第一个电阻被切除。依此类推，达到限制电流和保证电磁转矩的目的。图起动变阻箱的电路模型图创建的子系统MATLAB应用技术MATLAB应用技术（1）断路器（Breaker）断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块1.使用模块MATLAB应用技术（2）调速电阻调速电阻选自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的seriesRLCbranch模块。（3）断路器控制信号（Step）断路器通断控制采用阶跃信号与模块的控制端连接实现。MATLAB应用技术2.仿真结果图电机转速波形图电机电枢电流波形0123456789100200400600800100012001400012345678910510152025303540MATLAB应用技术图电磁转矩波形起动电阻的阻值要根据电动机的参数和起动具体要求进行选择，阻值过大会延长起动时间，而阻值过小又起不到限流作用。MATLAB应用技术4.2异步电机模型MATLAB应用技术异步电动机模型:标幺制和国际单位制其电气连接和功能分别为：•A、B、C：交流电机的定子电压输入/输出端子，可直接连接三相电压；•Tm：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载；Tm0，为电动机；Tm0，为发电机。•a、b、c：绕线式转子输出电压端子，一般短接在一起或者连接到其它附加电路中，而鼠笼式电机无此输出端子；•m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。MATLAB应用技术异步电动机模型参数设置•Rotortype：转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式（Wound）和鼠笼式（Squirrel－cage）两种类型；•ReferenceFrame：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系（Rotor）、静止坐标系（Stationary）、同步旋转坐标系（Synchronous）；•Nom.power,L-Lvolt,andfreq：额定功率（VA），线电压（V），频率（赫兹）；•Stator[Rs(ohm)Lls（H）]：定子电阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；•Rotor[Rr’(ohm)Lls’（H）]：转子电阻Rs（ohm）和漏感Lls（H）；•MutualinductanceLm（H）：互感Lm(H）；•Intia，frictionfactorandpairsofpoles：转动惯量[J(kg.m^2)]，摩擦系数和极对数；•Initialconditions[s()th(deg)isaisbisc(A)]：初始条件包括：初始转差s，电角度，定子电流幅值isaisbisc(A)和相角phas,phbs,phcs（deg）。MATLAB应用技术电机测试信号分配器MATLAB应用技术•ir_abc：转子电流ira,irb,irc；•ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d；•phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d；•vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d；•is_abc：定子电流isa,isb,isc；•is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d；•phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d；•vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d；•wm：电机的转速wm；•Te：电机的电磁转矩Te；•Thetam：电机转子角位移Thetam。电机测试信号分配器参数设置MATLAB应用技术例3.一台三相四极鼠笼型转子异步电动机，额定功率Pn=10kw,额定电压u1n=380v，额定转速n=1455r/min,额定频率50Hz，已知定子每相电阻为0.458欧姆，漏抗0.81欧姆，转子每相电阻0.349欧姆，漏抗1.467欧姆，励磁电抗27.53欧姆，求空载运行状态下的定子电流、转速和电磁力矩，当t=0.2s，负载力矩增大到100，求变化后的定子电流、转速和电磁力矩。MATLAB应用技术1.使用模块（1）三相电压源：SimPowerSystemsElectricalSourcesThreePhaseSourceMATLAB应用技术（2）三相变压器：SimPowerSystemsElementsThreePhaseTransformer(Twowindings)MATLAB应用技术（3）三相电压、电流测量元件：SimPowerSystemsMeasurementsThreePhaseV-IMeasurementMATLAB应用技术（4）异步电动机：SimPowerSystemsMachinesAsynchronousMachine先将电机初始状态各值设为0，或任意数值。MATLAB应用技术（5）电机测量信号分配模块SimPowerSystemsMechinesMachinesMeasurementDemuxMATLAB应用技术（6）阶跃模块：SimulinkSourcesStepMATLAB应用技术（7）powergui模块MATLAB应用技术2.仿真参数设置•双击powergui模块，打开潮流和电机初始化窗口。输入仿真起始时，电机的机械功率对电机的初始状态进行初始化MATLAB应用技术•初始化完毕之后的电机参数对话框MATLAB应用技术•仿真时间、算法、步长设置MATLAB应用技术3.仿真结果MATLAB应用技术4.3同步电机模型同步发电机原理：定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组；转子上装有励磁绕组，当原动机把同步发电机拖动到额定转速后，励磁绕组中通入直流励磁电流，此时在电机的气隙中就会产生磁通。该磁通切割定子绕组，若定子绕组开路，定子绕组中无电流，发电机端电压即为绕组中的感应电动势，称为空载电动势。0EMATLAB应用技术MATLAB应用技术简化同步电机模块：忽略电枢反应电感、励磁和阻尼绕组的漏感，仅由理想电压源串连RL组成。其电气连接和功能分别为：•A、B、C：电机的定子电压输出/输入端子，可直接连接三相电压；•Pm：施加在电机轴上的机械负载功率，Pm0，发电机；Pm0，电动机；•E：电机内部电压；•m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。输入电机的机械功率电机内部电源电压标幺值形式国际单位制形式MATLAB应用技术三相额定视在功率、额定线电压有效值、额定频率惯性时间常数H、阻尼系数Kd、极对数p内部阻抗，R可等于0，但X应大于0初始条件：初始角速度偏移、转子初始角位移、线电流幅值、相角标幺制简化同步电机的参数设置MATLAB应用技术标么值（pu）模块参数设置与国际单位制（SI）模块参数设置内容除单位不一样以外，其余完全一致。转动惯量J国际单位制简化同步电机的参数设置MATLAB应用技术电机测试信号分配器参数设置MATLAB应用技术定子ABC三相电流定子ABC三相电压电机内部电源电压机械角度转子速度电磁功率MATLAB应用技术例4.模拟同步电机稳态运行额定值为1000MVA、315kv的两对极同步发电机与315kv无穷大系统相连。求稳态运行时发电机的转速，功率角和电磁功率。MATLAB应用技术1.使用模块（1）简化的同步发电机•根据功率和线电压计算出阻抗基准值为99.225。•电机的初始状态各值可以先默认为0，或其他任意数值。MATLAB应用技术（2）可编程三相电源MATLAB应用技术（3）三相电压、电流测量元件•不加该元件，仿真时会报错。（4）电机测试信号分配器MATLAB应用技术（5）选择器•选择输入向量/矩阵中的某些元素MATLAB应用技术（6）傅立叶变换•ExtraLibraryMeasurementsFourier•提取输入信号中第n次分量的幅值和相位。MATLAB应用技术（7）powergui模块MATLAB应用技术2.参数设置•发电机的输入机械功率Pm：采用Constant模块，参数可先设为任意数值。•发电机内部电动势E：采用Constant模块，参数可先设为任意数值。MATLAB应用技术•双击powergui模块，打开潮流和电机初始化窗口。MATLAB应用技术选择PV发电机，可以设定电机端电压和有功功率。更新潮流，Pm和E值，电机的初始状态各值发生改变。MATLAB应用技术MATLAB应用技术3.仿真结果MATLAB应用技术4.仿真结果分析由仿真结果，发电机功角约为11.2度，发电机输出电功率为1020MW，接近额定电功率。理论上，sin327418/315