基于MATLAB的同步发电机短路故障仿真研究.doc

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1、毕业设计（论文）题 目 基于MATLAB的同步发电机短路故障仿真研究 学 院 计算机与控制工程学院 专业班级 电气 101 学生姓名 指导教师 成 绩 2014 年 6 月 26 日摘 要众所周知，同步发电机在电力系统中发挥着至关重要的作用，现代社会中使用的电能几乎由同步发电机所产生，同步发电机在人类社会的生活生产中占据着非常重要的地位。为了更直观地了解同步发电机短路故障状态下的特性指标，尽量避免发生短路故障或及时对短路故障做出相应的正确措施，更合理选择保护装置，研究同步发电机的短路故障状态就成了当务之急的问题。随着科技进步与自动化水平的提高，人们要求能够快速分析故障和解决故障，在电力系统中，

2、因运行环境、可操作性问题的限制，现场对同步发电机测试不太现实，因此，利用软件仿真的方法对同步发电机进行仿真研究就显得极其重要。本论文通过MATLAB软件建立同步发电机的仿真模型，对常见的短路故障进行仿真研究，以便更好地掌握同步发电机短路故障状态下的各特性，并设计了GUI用户界面，更好的实现了人机交互。文中对各短路故障进行了仿真实验，从仿真结果可以看出，本文所设计的仿真系统满足对同步发电机短路故障的研究需求，实现论文设计的目标。关键词：同步发电机；短路故障；MATLAB；GUIAbstractAs is known to all, synchronous generator plays an i

3、mportant role in power system. Now the electric power used in our society almost produce by synchronous generators.Synchronous generator occupies a very important position in human society.In order to learning the characteristic parameters of synchronous generator more intuitive in fault condition,

4、and trying to avoid short circuit fault or to make corresponding measures to correct vision in time or to protect device in the method of reasonable, studying the synchronous generator fault status has become an urgent problems. With the progress of science and technology and the improvement of auto

5、mation level, people require to be able to quickly analyze fault and solve the problem in the electric power system. With the limitation of the environment in running a synchronous generator, doing a test of generators directly is unlikely.Therefore, with the aid of MATLAB software powerful computin

6、g and graphics processing simulation to study the synchronous generator is extremely important.In this paper, a simulation model of the synchronous generator is established by MATLAB software in order to better grasp the performance index of synchronous generator in fault condition.And we also desig

7、n the Graphical User Interface(GUI) for better realizing the human-computer interaction. Each short circuit fault simulation experiments was carried out in this paper, as can be seen from the simulation results, the simulation system is designed to satisfy demands for synchronous generator short cir

8、cuit fault research, realizing the target of this paper.Key words: Synchronous generator；Short circuit fault；MATLAB；GUI目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 论文的背景和意义11.2 仿真技术的发展概况和趋势11.3 本论文研究的主要内容2第2章 同步发电机的理论分析32.1 同步发电机的主要结构32.1.1 定子32.1.2 转子32.2 同步发电机的基本理论42.2.1 同步发电机的基本工作原理42.2.2 正方向的规定52.2.3 同步发电机的基本方程52

9、.2.4 派克变换和坐标系统72.2.5 坐标系统10第3章 同步发电机短路故障仿真研究系统123.1 同步发电机的数学模型123.2 M文件的编写133.3 仿真界面设计163.3.1 界面组件的选择和布局163.3.2 编写回调函数18第4章 实例仿真与分析204.1 三相突然短路仿真与分析204.2 负载两相短路仿真与分析224.3 负载单相短路仿真与分析244.4 转子绕组短路仿真与分析26结论30参考文献31附录 132附录 234致谢42第1章 绪 论1.1 论文的背景和意义电能得到广泛的应用得益于电力系统的出现，进而推动了各个领域的社会生产的变化。因为电能有清洁、来源广、便于传输

10、及易于控制等特点，使其成为当今社会最为通用的能源。社会发展离不开可靠的、高品质的电能供应，现代发电厂最常用的发电机就是同步发电机，电力系统的安全与稳定运行状况直接取决于对同步发电机的控制。在对同步发电机进行故障分析时，使用真实电机在实际的工作应用场合进行现场实验研究是不大切合实际的。人们要求能够快速分析各种短路状态同步发电机的各项性能指标，利用计算机仿真技术来研究同步发电机短路故障是一种快速便捷的好方法，并且，采用仿真技术去研究发电机的运行状态显得越来越重要，通过仿真研究，掌握同步发电机的性能有助于实践中维护电机和对其功能的扩展。2005年以来，我们国家的电力网络已经形成了一个系统的全国互联大

11、网，同步发电机作为整个电力系统的能量源头，随着电力行业的迅猛发展，装机容量逐渐增大，对同步发电机的运行提出了更为系统和更为严格的要求。为了能够迅速准确地分析和解决故障，最大限度地降低事故带来的危害，恢复发电机和相关设备的正常运转，发电机设计师和操作人员必须熟知同步发电机各种短路故障状态下的各项性能指标。MATLAB软件在仿真技术领域发挥着重要作用，在众多的计算机仿真工具中，MATLAB享有最高权威并且最为常用，能够运用到各行各业，诸如信号处理、图形处理、控制系统的搭建、财务分析和建模等领域。用户可以通过在SIMULINK中搭建相关实验系统，也可以通过分析数学模型编写相应的M文件来模拟同步发电机

12、的故障运行状态，从而获取同步发电机各项性能指标，以便及时对故障采取合理的预防措施。这对三相同步发电机的正确使用、保护装置的选取及日常维护都具有十分重要的指导意义1。1.2 仿真技术的发展概况和趋势计算机仿真就是在已建立好数学模型的情况下，把模型搭建在计算机仿真软件上并运行，从而进行相应的科学实验分析和研究。上个世纪五十年代初的仿真技术依赖于电子模拟计算机，因电子模拟计算机自身缺点（精度较差），从七十年代开始，另一种仿真技术得到发展，即数字模拟混合计算机仿真。七十年代末，开始推广各种各样通用和专业计算机仿真。随着人们到达软件技术新的里程碑，八十年代，在借鉴集成数字仿真和模拟仿真的基础上，人们开发

13、出了更优秀的数字模拟混合仿真技术，更好地实现了仿真技术的智能化，在某些特定的仿真领域，这种仿真技术取得了振奋人心的成就。当时推出了一些仿真机，。无论是通过SIMULINK搭建模块还是编写系统的仿真程序，计算机仿真都需要依托于一定数学模型，计算机仿真的发展就是沿着高效率的道路发展，追根究底就是如何把系统的模型高效的呈现出来。MATLAB软件的推广把我们带到这样高效的时代，可以让开发人员把精力从程序调试上转移到实验研究上。社会的发展，工程领域分支出众多的支流工程，甚至仿真技术已经踏入了非工程领域。在复杂的大型工程系统建设之前， MATLAB在工程预估上发挥着越来越重要的作用。工程系统需要预估安全性

14、，从安全性、合理性的角度来实施开发设计。这样尽量做到最好的决策，预测可能性，避免故障，实现安全控制，仿真技术带来了优越性和巨大的经济效益。当前MATLAB已广泛引用于同步发电机的仿真分析中，其中不乏用SIMULINK进行快速建模仿真，有其中的优点，但用M文件建模仿真也有其不可或缺的地位，用M文件编写使我们了解仿真数学模型的真正来源，并且更有利于我们编写GUI界面，通过实践表明，我们可以编写出实现人机交互效率很高的图形用户界面，可以对复杂的系统进行包装，用户不需要直接面对纵横交错的电路图，把参数设置等设置选项链接到GUI界面，使得仿真系统更为简洁明了2。1.3 本论文研究的主要内容本文通过分析同

15、步发电机结构和工作原理，推导出同步发电机仿真所需要的数学方程，建立同步发电机各种短路故障运行状态下的数学模型，在MATLAB软件上编写仿真程序模拟同步发电机各故障的运行状态。主要研究的内容有：有阻尼和无阻尼下同步发电机三相突然短路的特性研究；有阻尼和无阻尼下同步发电机两相突然短路的特性研究；有阻尼和无阻尼下同步发电机单相突然短路的特性研究；同步发电机转子绕组短路定子突加对称电压的特性研究。为了方便人机交互，也提出了开辟一个窗口，即设计GUI界面，方便了人机交互。第2章 同步发电机的理论分析2.1 同步发电机的主要结构定子和转子是同步发电机两大基本组成部分。定子槽上三相交流绕组，当定子三相绕组接

16、通三相交流电时产生旋转磁场。转子上有励磁绕组，转子磁极由励磁绕组产生，当励磁绕组通入直流电后就可以产生固定方向的磁场。2.1.1 定子定子为发电机的静止部分，俗称电枢，所包含的主要部件如下：1. 定子铁心定子铁心是构成电机主磁路的一部分，电枢绕组镶嵌在定子槽内。它由涂有绝缘漆的硅钢片堆叠而成，钢片厚度一般为0.35毫米到0.5毫米。鉴于同步发电机的尺寸较大，铁心不能直接成型，先制作带有开口槽的扇形片，再按圆周将扇形片拼合成定子铁心。2. 电枢绕组一般同时使用实心和空心两种导线组合作为电枢绕组，以便更好实现冷却效果。特别是大型发电机，空心导线可以加装水冷系统，两种导线结合是必然的选择。3. 机座

17、和端盖机座和端盖为电机的支撑部分，增大壳体的表面积，并设计通风道有利于散热。2.1.2 转子同步电机的转子有凸极式和隐极式两种结构型式，如图2-1的（a）和（b）所示。a) 凸极式 b) 隐极式1定子2凸极机转子3隐极机转子 4集电环图2-1 同步发电机的转子结构同步发电机转子的主要部件：1. 转子铁心转子铁心一般采用整块合金钢锻造而成，转子铁心也是磁路的组成部分，励磁绕组和阻尼绕组就是靠转子铁心来固定。汽轮发电机的转速非常高，转子的离心作用大，需要的合金材料不仅机械强度要好，而且导磁性也要考虑在内。2. 励磁绕组励磁绕组由铜线绕制而成，励磁绕组的端部用导磁性较差的合金护环紧固，防止发生径向的

18、位移和轴向的位移。3. 阻尼绕组大容量同步发电机转子都装有阻尼绕组，阻尼绕组是一个闭合回路的绕组，起到缓冲作用，提高动态稳定性。当负载发生变化，阻尼绕组起到保护作用，减小转速振荡的幅度。4. 滑环通过滑环上的电刷将外部的直流励磁电流通入内部的励磁绕组。2.2 同步发电机的基本理论2.2.1 同步发电机的基本工作原理如图2-2所示，给出了同步发电机的工作原理示意图。旋转部分为转子，通过滑环上的电刷将外界的直流电供给励磁绕组产生有固定方向磁场，从而产生N极和S极。图2-2 工作原理示意图从图2-2中可以看出，当转子转动，转子磁通首先被A相导线切割，当转子转过和后，转子磁通又依次B、C两相导线切割。

19、这样，B相的电动势落后于A相， C相感应电动势又落后B相，发电机产生三相对称电动势，方向互差，如图2-3所示，给出了电势相量图。当转子在原动机的驱动下旋转时，相当于定子的三相绕组就处于旋转磁场中，绕组切割磁场感生出感应电势，机端输出给升压变压器，进而给电网供电3。图2-3 感应电势相量图2.2.2 正方向的规定为了建立6个回路方程（定子绕组3个、励磁绕组1个及直轴和交轴阻尼绕组各1个），首先要定下磁链、电流和电压的正方向。如图2-4所示，展示了各绕线电流流向和各磁通方向。a、b、c为各相绕组轴线，图中也标出了转子轴线d、q。d轴落后q轴，磁链方面：本论文取定磁链正向为各相绕组的轴向的正向，d轴

20、正向为励磁绕组及直轴阻尼绕组磁链正向；电流方面：电流正向为使定子各相产生正磁通的方向，d、q轴电流正向为转子各绕组产生正磁通的方向4。图2-4 同步发电机各绕组示意图2.2.3 同步发电机的基本方程如图2-5所示，已标出电流和电压的方向，从三相绕组向负荷侧看，压降的正向与三相电流的正向相同，转子方面的励磁回路，压降的正向与励磁电流的正向相同，由于阻尼绕组为闭合回路，因此回路没有压降，即电压为零。图2-5 同步发电机各回路电路图由图2-5我们可以得出式（2-1），发电机定子和转子各回路的电势方程5。 （2-1）其中为磁链对时间的导数，即，为各绕组磁链。同步发电机各绕组磁链为合成磁链，由绕组之间的

21、互感磁链和本绕组的自感磁链合成，因此我们可以把磁链方程写成式（2-2）。 （2-2）其中为自感系数(如为a绕组的自感系数)，为互感系数(如为绕组a和绕组b的互感系数)，两绕组之间的互感系数可逆，即、等以此类推。由于q轴阻尼绕组Q垂直于励磁绕组f与d轴阻尼绕组D，可知。于是式（2-2）可简写为式（2-3）： （2-3）式（2-1）和式（2-2）共12个方程16个变量。其中、为给定量，其余12个为待求量，数量上与12个方程相等，因此，其他未知量可通过方程求解出。2.2.4 派克变换和坐标系统对于凸极机，转子和定子相对位置不断变化，之间的耦合磁链也是周期性变化，可见上述方程为非线性方程，为了求解微分

22、方程的方便，美国工程师派克（Park）提出一种求解方法，就是通过坐标变换的方式将在abc坐标系下的方程变换到转动的坐标系统上，这样使得同步发电机的基本方程变换为常系数的线性微分方程，避免稳态分析中参数变动的问题6。派克变换就是将abc坐标下的变量通过下列变换，见式（2-4），转换成另外三个量。 （2-4）上式称为变换因子，并且矩阵P为满秩矩阵，可以求得它的逆矩阵，见式（2-5）。 （2-5）以电流变换为例，变换后将用和两个等效的电流来代替原三相电流、。这就相当于，存在两个等效绕组代替定子三相绕组来产生和两个电流。这两个等效的定子绕组在空间上并不是静止不动，而是伴随着转子同步旋转。由于这种空间位

23、置的不变，等效绕组与转子之间的磁阻恒定不变，从另外一个角度看就是电感系数变为了常数。当定子绕组存在幅值不变的三相不对称电流时，则系统为平衡，可用一个通用向量代替三相电流，当系统不平衡时，即当时，和两个电流不能代替原a、b、c三相电流，为此引入第三个变量，它与三相电流的关系为：，定义为定子电流零轴分量，相当于对称分量法中的零序电流7。这样就实现了从abc坐标系统转换到dq0坐标系统，利用逆变换可得： （2-6）展开得到式(2-7)。 （2-7）通过分析式（2-7）知道，各相电流含有零轴分量，原因是三相电流不平衡而导致，它们的合成磁势等于零，产生的磁通不会与转子匝链。这种变换过程叫做派克变换，磁链

24、方程和电压方程也可以进行这种变换。1磁链的坐标变换将式（2-2）展开得式(2-8)。 （2-8）式（2-8）左乘以P，利用Park变换得到式（2-9）。 （2-9）通过矩阵运算得到：将上述表达式带入式（2-9），并将其整理得到dq0坐标系统的磁链方程，见式（2-10）。 （2-10）2电压的坐标变换将式（2-1）简写成式（2-11）。 （2-11）等式两边左乘P，结合式（2-4）和式（2-5）得到式（2-12）。 （2-12）由于，在两端分别取导数，可以得到： （2-13）所以有： （2-14）其中：综上得dq0系统的电压方程，见式（2-15）。 （2-15）将式（2-15）展开并整理得到式（

25、2-16）。 （2-16）由于存在发电机电动势，和两个电压方程式为非线性方程，坐标转换后电压方程变为线性方程组。在研究电力系统短路和稳定问题时，由于发电机转速变化很小，可当做常数处理8。这样，磁链方程组也都是线性微分方程，它们的求解将大为简化。2.2.5 坐标系统同步发电机短路分析所需的数学模型一般建立在两种坐标系下：一种为上述把模型建立dq0坐标系统，另一种为把模型建立在坐标系统。前者用于对称运行状态，后者用于不对称运行状态。系统的分析方法和dq0系统的基本一致，只不过原来dq0系统中的零序绕组被静止绕组所代替，绕组内的各量是dq0绕组内的相关函数，有关转换不再详细阐述。当分析同步发电机不对

26、称运行状态时可采用坐标系统，也是要先建立同步发电机的电压方程： （2-17）其中： 然后根据各类短路情况，可得出对应的约束条件，再根据具体约束条件转换到系统，得到相应的参数，代入电压方程，即可进行相应的仿真9。第3章 同步发电机短路故障仿真研究系统3.1 同步发电机的数学模型编写仿真程序(即同步发电机的M文件)首先要知道同步发电机的数学模型，通过第2章的分析，以dq0坐标下的系统为例。实现过程为：先求出dq0坐标系统下的各个分量，再通过Park的逆变换，将这些量逆变成同步发电机的原始量。结合第2章，可以将同步发电机的数学模型简化，本文设定同步发电机没有中线引出，0轴变量始终为0，在转换中忽略。

27、同步发电机等效图如图3-1所示。a) d轴等效电路b) q轴等效电路图3-1 同步发电机等效电路由于q轴电路中的电感和阻抗一般相同，所以可以用一个通用式子表示。根据电磁感应定律，。由此，可建立编写各运行状态M文件所需的数学模型，见式（3-1）和式（3-2）。 （3-1） （3-2）磁链方程式（3-1）中： 、为定子绕组d、q轴的同步电感；为d轴电枢绕组之间的反应电感；、表示发电机励磁电感d、q轴上的分量；、分别为发电机阻尼绕组电感在d、q轴上的分量。电压方程式（3-2）中：u为各绕组的端电压；i为各绕组的电流； 为各绕组磁链；r为定子绕组电阻；下标 分别表示 坐标系中的d轴和q轴；下标f表示励

28、磁绕组；下标k为表示阻尼绕组。同步发电机有阻尼情况下的数学模型就是由式（3-1）和式（3-2）表示，在无阻尼的情况下，将阻尼绕组的电压方程和磁链方程去掉即可，其方程如式（3-3）所示。 （3-3）3.2 M文件的编写本文取定一台型号为STC-40同步发电机的基本参数如下（标幺值）：r=2.9069；=5.9013E-01；=11.900；=20.081；=24;=314；=3.0892E-01；=3.2164；=9.7153E-01；=3.0712E-01；=4.9076E-01；=1.0365。式（3-1）和式（3-2）中的电感与互感参数与同步发电机的基本参数的关系见式(3-4)。 (3-4

29、)对发电机进行仿真时，一般取定电压值为已知，以电压向量的形式给出，仿真要显示的为电流波形。由dq0系统下的电压方程（2-15）可以看出，电感、电阻为已知，电压、和电流未知。磁链方程式（2-10）给出了电流与的关系，由该式子将用电流来表示。、只是当三相电流构成不平衡系统时引入的一个变量，这些量的波形没有实际意义，将其省去。因此，式（2-15）可以转换为： （3-5）结合，对照发电机的基本参数，只有电压、 和电流为未知量，在对发电机状态进行仿真时，一般要显示的是同步发电机的各电流波形，只要通过一定的方法消除，就能利用式（3-5）求出各电流量。根据法拉第电磁感应定律， 与电流存在如下关系，见式（3-

30、6）。 （3-6）将式（3-6）代入式（3-5），并将互感转换到dq0坐标下的量，即可得到一个电压与电流的通用方程： （3-7）其中G如式（3-8）所示。 (3-8)对照发电机的基本参数，我们通过给定电压值，就可以通过解微分方程的方式来求得所需要的电流值。所求得的电流值是在dq0坐标系统下的量，为了得到同步发电机各相的电流，需要通过Park变换的逆变换，再将求得的电流返回到同步发电机的原始方程，就可以计算得到同步发电机的其他参数。所以，同步发电机各短路状态下M文件的编写思路可用图3-2表示。图3-2 同步发电机各运行状态的M文件设计思路其中，解微分方程的solver指令有多种形式，根据使用场合

31、分别如表3-1所示。表3-1 各种solver指令及使用场合solver指令类型解题类型适用场合ode45非刚性适用大多数场合ode23非刚性精度要求不高（）的场合ode113非刚性计算速度要求快的场合ode23t适度刚性适度刚性当同步发电机为不对称短路运行状态时，发电机数学模型分析方法与上诉基本一样，只不过把参数转换到坐标下，具体可参照以上方法。3.3 仿真界面设计3.3.1 界面组件的选择和布局根据设计具体要求，仿真主界面需要罗列同步发电机各短路状态的类型，并在选择该试验类型后能进入仿真，然后输出仿真波形。GUI缩写自Graphical User Interface（图形用户界面），设计G

32、UI交互界面有两种方式：一种是通过全命令的M文件编程，另一种是通过GUIDE辅助的图形界面设计。前者较为繁琐，后者为用户开辟了各种组件，用户只需要罗列所需组件，运行后即可得到m文件的主函数，只需要给组件编写回调函数即可为控件赋予特定的动作。在GUIDE建立的GUI中，有多种能够罗列同步发电机各短路状态的组件10。（1）文本标签（Static Text）： 文本标签的功能是固定显示字符串的标签区域。如果用此来罗列同步发电机的各种状态，就需要额外添加其他功能的按钮来链接进入相应的实验项目界面，从界面的简洁性来考虑，一般不采用文本标签来显示这些状态。（2）文本框（Edit Text）：用户通过键盘在

33、文本文框键入字符串，虽然可以显示文本，但这些状态都是静止固定的，用户在主界面上不可擅自修改。因此不便采用。（3）下拉菜单（Pop-up menu）：下拉菜单充当一组单选按钮，只能在界面上显示其中的一行文本，不能同时显示Pop-up menu 中所有的String。而本次的仿真需要仿真的运行状态较少，如果只采用一个下拉菜单来罗列发电机的所有状态，那用户查看仿真状态就不太直观。而且下拉菜单只是占界面的单行，单独放在一个界面上不太美观。但可以用于实验说明和释义。（4）单选按钮（Radio Button）： 单选按钮通常是多个作为一组联合使用，便于实现同一属性多项取值的来回切换。一组单选按钮在同一时刻

34、只能选定其中的一项，因此可以考虑采用。（5）复选框（Check Box）：复选框和单选按钮有相同的功能，也能执行选定操作。当用复选框同时运行几种状态，用户就无从考究显示出来的实验项目是对应哪个运行状态响应的。而如果只运行一种状态，单选按钮完全可以代替其功能，因此不适合用在显示这些运行状态。（6）下拉列表框（List Box）：下拉列表框相当于一组复选框，用户可以选择项目来设置程序段中需要改变的参数。可以直观显示多行字符串，通过选择这些String的Value值，编写不同Value值的响应函数，可以执行相应的程序。在点击列表框中的某行字符串时，就能执行相应的程序段，进入实验项目。（7）按钮（Pu

35、sh Button）：按钮是最常用的的控件，用于执行鼠标的单击事件动作。综合上述，在选择组件来罗列同步发电机各种短路运行状态的类型时，Radio Button、List Box和Push Button都是不错的选择，为了使界面保持一致性和整洁性，尽量只选用其中一种组件来显示这些运行状态。Push Button是最常用的控件，为了使界面更加人性化。这里采用Push Button来显示各种短路运行状态。在控件布局时，为了是界面整洁，需要使用位置调整工具（Alignment Tools）进行调整，选择把这些按钮左对齐并离界面左界有一定的空隙。界面制作包括两方面：界面各模块的排版和回调函数的编写，具体

36、制作步骤如下。（1）明确设计所要达到的功能；（2）绘制界面草图，使界面有良好的用户体验；（3）在GUIDE放置草图中所需的模块，并进行排版成型；（4）编写回调函数，并验证各模块的功能。打开MATLAB，接着打开GUIDE，新建一个Blank GUI，即新建一个空白的可视化窗口环境。界面左边为对象面板，放置以下控件：一个axes、四个Push Button、两个Pop-Menu，调整各图形位置和尺寸，然后开启对象对齐工具对齐界面上的控件。设置好各控件的属性，点击运行按钮，将fig文件保存。得到界面布局如图3-3所示。图3-3 界面布局3.3.2 编写回调函数此时布局好的界面上的控件是没有功能意义

37、的，必须给控件编写相应的回调函数赋予其特定的动作功能，由于在运行界面的时候系统已自动生成界面的主函数，只需在控件对应的位置编写回调函数的即可11。背景图片实现：VB、VC可以直接插入图片，但MATLAB不能，需要通过编程来实现，具体操作如下：（1）将选定的背景图片放到程序所在的文件夹；（2）创建一个axes：将Units属性设置为normalized，其中position属性设为0 0 1 1，使得图片覆盖窗口的全部；（3）调用图片的时候利用imread函数，imread的函数格式为：Pdata=imread(PictureFileName, PictureFormat)；（4）用image函

38、数创建图对象；（5）设置axes中 Visble属性为off，将坐标轴去掉。最后点击ToolsRun 命令，得到仿真界面，如图3-4所示。图3-4 仿真界面回调函数编写：回调函数的编写是为了给控件赋予某种执行功能。排版完成，设置好控件属性后，为了使得按钮能实现相应功能，编写回调函数是不可缺少的步骤。操作如下：选择菜单ViewObject CallbacksCallback，可以看到相应的空白function。由于前面已经写好了各类短路仿真的子程序，进入function后可以直接调用这些子程序，即空白处编写调用这些程序段的命令。写完回调函数，再次点击运行，这就激活了界面上的按钮，完成仿真平台的设

39、计，用户可以通过点击界面上的按钮进行短路仿真实验。第4章 实例仿真与分析同步发电机有众多短路类型，如三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路、转子绕组匝间短路等，可大体分为对称短路和不对称短路。分析方法繁多复杂，有叠加原理法、对称分量法等，分析的共性是基本假设一致，认为：电磁暂态过程非常快，短路瞬间同步发电机保持转速恒定，转差率保持不变。本章就前面分析的坐标系统和坐标系统下建立的同步发电机数学模型进行实例仿真分析，依次对三相短路、两相短路、单相短路、转子绕组短路进行仿真并分析。4.1 三相突然短路仿真与分析作为电力系统中最严重的故障，同步发电机突然三相短路是人们最为关心的问题，分析电枢电

40、流和转子电流为保证发电机、断路器、变压器、互感器等电器设备的可靠运行有重要的指导意义，了解短路电流的变化规律。 ，数学模型是基于dq0坐标系统建立。设定时间为0-1s，打开仿真界面，点击界面的“有阻尼下三相短路”按钮即可运行程序，得到有阻尼下三相短路仿真波形，如图4-1所示。图4-1 三相突然短路有阻尼仿真波形同理，设定好时间，点击按钮“无阻尼下三相短路”，运行得到无阻尼下三相短路的仿波形，如图4-2所示。图4-2 三相突然短路无阻尼仿真波形由图4-1和图4-2都可以看出，三相短路作为最严重的故障，各项电流都产生剧烈的震荡。经过分析，短路产生的冲击电流比正常运行时高出10-20倍，原因和物理过

41、程如下：突然短路后，电枢绕组产生对称的周期性变化的三相电流，并在气隙中产生一个合成的旋转磁势，由磁链不变原则，抵抗来自转子的磁势介入，电枢各绕组都产生一个非周期的直流电流，致使电枢电流增大，又由于励磁绕组和阻尼绕组是闭合的，两绕组为抵抗来自的介入，产生非周期的直流电 和，这些电流将产生磁通以抵消，绕道而行，使磁路磁阻增大， 只能进一步增大，这就需要更大的电枢电流，所以突然短路电流远远大于稳态电流。由仿真波形可以看出，电枢电流 快速衰减，振荡过程短暂，即突然短路过渡到稳态短路所持续时间非常短，通常约为0.1-0.4s。把设定时间改为0-2s，点击界面的按钮重新运行程序，得到有阻尼和无阻尼下同步发

42、电机突然三相短路仿真波形，将它们做比较，如图4-3所示。a) 有阻尼 b）无阻尼图4-3 三相短路仿真结果对比分析结果见表4-1：表4-1 有阻尼和无阻尼三相短路分析结果 对比项选项 幅 值 变 化响 应 快 慢有阻尼无阻尼有阻尼无阻尼直轴电流（Id）变化大变化小慢快转子电流（Ifd）变化大变化小慢快电枢电流（Ia）变化大变化小慢快因为阻尼绕组为闭合绕组，会感应出电流，使得有阻尼比无阻尼的振荡更为剧烈，同时有阻尼绕组下电流的衰减速度延缓，导致其振荡时间延长，由上表看出无阻尼下三相短路各电流幅值变化小于有阻尼的，但无阻尼下的响应速度比较快，符合前面分析的原因。4.2 负载两相短路仿真与分析对于发

43、电机的不对称运行，为叙述方便不妨设b、c相间短路，本次实验为同步发电机负载两相短路，为不对称运行状态，基于前三章建立坐标系统，其约束条件为： （4-1）将该条件转换到系统上，结合电压方程即可得到相应的数学模型。设定时间0-1s，点击界面“有阻尼下两相短路”按钮，得到负载两相短路仿真波形，如图4-4所示。图4-4 有阻尼负载两相短路仿真结果同理，设定时间为0-1s，运行无阻尼下负载两相短路，仿真结果如图4-5所示。图4-5 无阻尼负载两相短路仿真结果由图4-4和图4-5也可以看出负载两相短路对发电机带来的冲击电流，虽然冲击电流不及三相短路那么严重，但也不容忽视。在0-0.6s时间内，三相短路各电

44、流的振荡都较为严重，相关的断路器等保护装置在此期间应该保证相关动作。而负载两相短路的振荡延续时间相对较短，在0.2s末就基本达到平衡。把设定时间改为0-2s，点击界面的按钮重新运行程序，得到有阻尼和无阻尼下同步发电机负载两相短路仿真波形，它们的对比如图4-6所示。a) 有阻尼 b）无阻尼图4-6 负载两相短路仿真结果根据图4-6，比较同步发电机负载两相短路有阻尼和无阻尼下仿真波形，得到表4-2。表4-2 两相负载短路分析结果 对比项选项 幅 值 变 化响 应 快 慢有阻尼无阻尼有阻尼无阻尼直轴电流（Id）变化大变化小慢快定子交轴电流（Iq）变化大变化小慢快转子电流（Ifd）变化大变化小慢快当负载为不对称时，同步发电机的机端电压和电流皆为不对称，因流经电枢各绕组的电