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1、华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University毕 业 设 计（论 文）Graduation Design （Thesis）（20062010年）题 目： 基于Matlab的同步发电机系统仿真 华东交通大学理工学院毕业设计（论文）原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人
2、和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计（论文）。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书）毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年
3、月 日摘 要同步电机主要用来作为发电机运行。现代社会中使用的交流电能，几乎全由同步发电机产生。因此，同步发电机对人类社会生产生活都具有十分重要的意义。同时，研究同步发电机各故障状态可以让人们更好的掌握同步发电机故障状态下的各个性能指标，以便在同步发电机运行时尽量避免发生故障或同步发电机故障时做出相应的正确应对措施。因此研究同步发电机各故障状态对同步发电机的正确使用及功能扩展具有重要意义。MATLAB是一款强大的科学计算工程软件，通过MATLAB可以实现对同步发电机各故障状态的仿真实验，并得出相应仿真波形，运用其M文件编写功能，可以编写并运行同步发电机各故障状态下的M文件，得出仿真结果。在其GU
4、I（图形用户界面）功能下，可以通过对各故障状态M文件运行结果的调用，实现对同步发电机各故障状态的集中仿真。关键词：同步发电机；故障状态；MATLAB；M文件； 图形用户界面；AbstractSynchronous motor mainly used as a generator. The AC power used in the morden society is mostly generated by the synchronous generator. So, the sychronous generator has great significance to the production
5、 and life of human in the society. And,it is easier for people to grasp the various performance indicators under the malfunctions of synchronous generator by studying the malfuncions. Then, people can make the synchronous generator avoid malfunctions when it is running or do some right counter measu
6、res to the synchronous generator when it is in malfunctions. So, it is significant to using synchronous generator and its functional extension by studying the malfunctions.MATLAB is a powerful scientific computing engineering software, and people can implements the emulate experiments and get the co
7、rresponding experimental curves of the malfunctions of synchronous generator by using MATLAB. Through using the function of M-file comfiling of MATLAB, people can get the experimental curves by running the M-files of malfunctions. And under the function of GUI, the integrated emulation transfer coul
8、d be achieved by running the M-files integrated emulation.Key words: Sychronous Generator; Malfunction; MATLAB; M-file; Graphical User Interface;目 录中文摘要1英文摘要2目 录3第1章 绪 论11.1论文研究的背景，意义及内容11.1.1论文研究的背景11.1.2论文研究的意义11.1.3论文研究的内容11.2软件的介绍11.2.1软件的选择11.2.2 MATLAB的介绍2第2章 同步发电机的基本原理和主要机构32.1同步发电机的基本工作原理32.
9、2 同步发电机的主要结构42.2.1定子42.2.2转子42.3 同步发电机的额定值5第3章 三相同步发电机理论分析63.1 同步发电机的基本方程63.1.1正方向的规定63.1.2电势方程和磁链方程73.1.3坐标变换和dq083.1.4电压方程和磁链方程的派克变换113.2同步发电机的参数及等值电路133.2.1无阻尼绕组同步发电机的参数及等值电路133.2.2有阻尼绕组同步发电机的参数和等值电路15第4章 同步发电机M文件编写及其运行结果174.1 同步发电机的数学模型174.2 M文件的编写184.3 运行结果18第5章 GUI界面的制作205.1 界面制作205.1.1登录界面制作2
10、05.1.2电机仿真系统主界面制作215.2 界面运行23总 结26参考文献27谢 辞28附 录29附录A:M文件源程序29有阻尼篇：29三相同步发电机空载特性M文件：29三相同步发电机三相突然短路特性M文件：30三相同步发电机三相突然短路及转子绕组M文件：31无阻尼篇：32三相同步发电机空载特性M文件：32三相同步发电机三相突然短路特性M文件：33三相同步发电机三相突然短路及转子绕组M文件：34第1章 绪 论1.1论文研究的背景，意义及内容1.1.1论文研究的背景世界工业进步的一个重要因素是过去几十年中工厂自动化的不断完善。在上个世纪70年代初叶，席卷全球世界先进工业国家的石油危机，迫使他们
11、投入大量人力和财力去研究高效高性能的电机，期望用它来节约能源。由于大型发电机造价昂贵，所以从安全性、经济性和可行性等因素上考虑，设计发电机一般是在实验室通过动模机组进行故障的动态模拟试验研究。MATLAB语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言，它的出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。1.1.2论文研究的意义同步发电机是电力系统的能量提供者，它的控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行状况。因此，很多电力系统仿真技术都离不开同步发电机进行建模与仿真的分析与研究。1.1.3论文研究的内容本论文研究一下四个方面的内容：（1）开辟一个窗口，罗列同步发电机各种
12、运行状态的类型供用户选择。（2）选择类型后，又对应窗口显示该类型实验的项目。（3）选择实验项目后，有对应窗口显示该实验的说明和帮助。（4）选择实验特性后，通过按钮可以打开实验对应得仿真模型并运行。1.2软件的介绍1.2.1软件的选择早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算
13、机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL，SIMNOM，MATLAB/Simulink，Matrix/System Build，CSMP-C等。根据论文的研究要求，本论文选择了MATLAB仿真。1.2.2MATLAB的介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具，是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境
14、中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括：数学计算，运算法则的推导，模型仿真和还原，数据分析，采集及可视化，科技和工程制图，开发软件，包括图形用户界面的建立。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多
15、的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图。Simulink是Mathw
16、orks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulin作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。现在，MATLAB语言已经风靡全世界，成为控制系统CAD领域最普及、也是最受欢迎的软件环境。在20世纪90年代，图形用户界面（GUI）有了飞速的发展，目前GUI已经占据了主要位置，成为各类应用软件系统的主要形式。图形用户界面Graphics User Interface（GUI）用各种图形对象，如图形窗口、图轴、菜单、文本框等构建的用户界面，是人机交流的工具和方法。利用用户
17、界面，用户可以直接与计算机进行信息交流，不需了解应用程序究竟是怎样执行各种命令的，而只需了解可见界面组件的使用方法，通过与界面交流就可以使指定的行为得到正确执行。通常在设计发电机仿真时时尽量做到界面友好，最常使用的方法就是使用图形用户界面GUI。第2章 同步发电机的基本原理和主要机构2.1同步发电机的基本工作原理图2-1（a）是三相同步发电机工作原理示意图。图中静止的部分称为定子，旋转的部分称为转子。在一般同步发电机中，旋转的部分是磁极，以恒定不变的转速在旋转。转子上有绕组，绕组中通以直流电流以后便可激励一磁场。定子上有许多槽，槽中安置导体，其目的是为了在其中感应电动势。根据右手定则可知：当导
18、体被N极磁场切割时，它的感应电动势方向为流出（图2-1（a）中导体A）；当导体为S极磁场切割时，它的感应电动势方向为流入纸面。转子旋转时，导体交替地为N极和S极磁场切割，因此每根导体中的感应电动势方向是交变的。在图2-1（a）中，磁通首先切割A相导体，当转子转过及后，磁通再次依次切割B相导体和C相导体。因此，A相得感应电动势超前B相感应电动势，B相得感应电动势又超前C相感应电动势，于是得到如图2-1（b）所示的向量关系。三相电动势的大小相等，互差，这就是同步发电机的简单工作原理。 (a)工作原理示意图 （b）电动势向量图图2-1 同步电机交流电机的感应电动势由电动势的频率电动势的波形和电动势的
19、大小3个基本要素决定。2.2同步发电机的主要结构在图2-1中，已简单地介绍了同步发电机的结构概貌。同步发电机室由定子和转子两大部分所组成。定子上有三相交流绕组，转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。它们呢的结构分述于下：2.2.1定子同步发电机的定子有时也称为电枢，是由定子铁芯电枢三相绕组机座和端盖等部件组成。同步发电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步发电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。小型同步发电机定子绕组的电压较低，例如400V；但大型同步发电机绕组的电压则较高，所以对绕组的绝缘材料就提出了较高的要求
20、。可以认为大型电机定子绕组的制造问题，主要是它的绝缘问题。一般高压定子绕组常采用云母带作为绝缘材料。电机的机座是支持和固定定子铁芯和定子绕组的部分，中小型同步发电机的机座是铸铁机座；大型同步发电机的机座通常是钢板焊接而成，它的结构型式与采用的通风系统有密切联系。2.2.2转子同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。ba1定子2凸极转子3隐极转子 4集电环图2-2同步发电机的转子结构图2-2（a）为凸极式转子的示意图。沿着转子的圆周安装有凸出的磁极，由直流电励磁产生磁通。此磁通对转子式不变化的，因此转子不需要用硅钢片来制造。图2-2（b）为隐极式转子示意图。转子上没有凸出的磁极，沿着转子
21、的圆周上刻有槽和齿，刻有槽的部分约占圆周的2/3。励磁绕组是分布绕组，分布在各槽中。圆周上没有绕组的部分形成所谓的大齿，是磁极的中心区域。凸极结构转子的优点是制造方便，缺点是机械强度较差，因此多用在离心力较小、转速较低的中、小型电机中；或用在受水轮机的限制，具有极数较多、转速较慢的大功率水轮发电机中。隐极式转子的优点是机械强度好，但制造工艺较复杂，因此多用在离心力交大、转速较高的电机中，如受汽轮机的限制，汽轮发电机的转速较高，离心力较大，因此多采用隐极结构。2.3同步发电机的额定值同步发电机的额定值有：1）额定电压 额定电压是指在正常运行时，按制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压，单位为V或K
22、v。2）额定电流 额定电流是指正常运行时，按制造厂的规定，流过定子绕组的线电流，单位为A。 3）额定功率 额定功率是指正常运行时，电机的输出功率，单位为kW。对于发电机而言，是指输出的电功率；对于电动机而言，是指输出的机械功率。它们与额定电压和额定电流之间有如下关系： 发电机 电动机 4）相数m 同步发电机的相数一般为m=3。 5）额定频率 我国规定额定工业频率。6）额定转速 即为电机的同步转速，在一定极数及频率时时定值，即第3章 三相同步发电机理论分析3.1同步发电机的基本方程同步发电机是电力系统中最主要的元件，其暂态过程较为复杂，并且对整个电力系统在暂态过程起主导作用。首先假设所研究的同步
23、发电机为“理想电机”，即它具有对称性、正弦性、光滑性、不饱和性。在具有阻尼绕组的凸极同步电机中，共有六个磁耦合关系的绕组。在定子方面有静止的三个相绕组a、b和c，在转子方面有一个励磁绕组f和用来代替阻尼绕组的等值绕组D和Q，这三个转子绕组都随转子一起旋转，绕组f和绕组D位于直轴方向上；绕组Q位于交轴方向上。对于没有装设阻尼绕组的隐极同步电机，它的实心住转子所起的阻尼作用也是可以用等值的阻尼绕组来代表。3.1.1正方向的规定为建立发电机六个回路（三个定子绕组、一个励磁绕组以及直轴和交轴阻尼绕组）的方程，首先要选定磁链、电流和电压的正方向。图3-1给出了电机各绕组位置的示意图，图中标出了各相绕组的
24、轴线a、b、c和转子绕组的轴线d、q。其中，转子的d轴（直轴）滞后于q轴（交轴）。本论文中选定定子各绕组轴线的正方向作为各相绕组磁链的正方向。励磁绕组和直轴阻尼绕组磁链的正方向与d轴正方向相同；交轴阻尼绕组磁链的正方向与q轴正方向相同。图3-1中也标出了各绕组电流的正方向。定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时电流为正值；转子各绕组电流产生的磁通方向与d轴或q轴正方向相同时电流为正值。图3-2示出各回路的电流（只画了电感），其中标明了电压的正方向。在定子回路中向负荷侧观察，电压降的正方向与定子电流的正方向一致；在励磁回路中向励磁绕组侧观察，电压降的正方向与励磁电流的正方向
25、一致。阻尼绕组为短接回路，电压为零。图3-1 同步发电机各绕组示意图图3-2 同步发电机各回路电路图3.1.2电势方程和磁链方程根据以上各物理量正方向的规定，其发电机电势方程可用矩阵写成 (3-1)式中 磁链对世界导数，；各绕组磁链。同步发电机中电机中各绕组的磁链（合成磁链）是由本绕组的自感磁链和绕组间的互感磁链组合而成。其磁链方程式可用矩阵写成 (3-2)式中 自感系数；互感系数，两绕组之间的互感系数是可逆的，即、等等。式（3-1）和式（3-2）共有12方程，包括6个绕组的磁链、电流和电压共16个运行变量。一般是把各绕组的电压（、）作为给定量，则剩下6个绕组的磁链和电流共12个待求量，与已有
26、的12个方程正好相等。对于凸极式发电机（见图3-1），由于转子旋转时，定、转子绕组的相对位置不断变化，因此与定子绕组有关的（相耦合的）磁通路径的磁导也随转子的旋转作周期的变化。即与定子绕组有关的自感参数均随时间作周期性的变化（非线性变化）。这样一来，式（3-2）中系数矩阵仅右下角的分块矩阵中的元素是常数，而其他分块矩阵中的元素均不是常数。若要联立求解式（3-1）、式（3-2）的基本方程，则可以看出该方程组是非线性变系数的微分方程。为了便于对同步电机基本方程的求解。美国工程师派克（Park）在1929年首先提出采用坐标变换的方式将在abc坐标系系统下的基本方程变换到旋转的dq0坐标系统上，希望使
27、经变换后的同步电机基本方程变换为常数系数线性微分方程组。3.1.3坐标变换和dq0在原始方程中，定子各电磁变量是按三个相绕组也就是对于空间静止不动的三相坐标系统列写的，而转子各绕组的电磁变量则是对于随转子一起旋转的d、q两相坐标系统列写的。磁链方程式中出现变系数的原因主要是： （1）转子的旋转使定、转子绕组间产生相对远动，致使定、转子绕组间的互感系数发生相应的周期变化。 （2）转子在磁路上只是分别对于d轴和q轴对称而不是随意对称的，转子的旋转也是导致定子各绕组的自感和互感的周期性变化。在电机学中为了分析凸极电机中电枢磁势对旋转磁场的作用，一般采用双反应理论把电枢磁势分解为直轴分量和交轴分量。电
28、机在转子的直轴方向和交轴方向磁路的磁阻都是完全确定的，这就避免了在同步电机的稳态分析中出现参数的问题。同步电机稳态对称运行时，电枢磁势幅值不变，转速恒定，对于转子相对静止。它可以用一个同步转速旋转的矢量来表示。如果定子电流用一个同步旋转的通用向量表示（它对于定子各相绕组轴线的投影即是各相电流的瞬时值），那么相量与在任何时刻都同相位，而且在数值上成比例，如图3-3所示。图3-3 定子电流通用相量依照电枢磁势的分解方法，也可以把电流相量分解为直轴分量和交轴分量。令表示电流通用相量同a相绕组轴线的夹角，则有 (3-3)定子三相电流的瞬时值则为 (3-4)利用三角恒等式即可从式（3-3）和式（3-4）
29、得到 (3-5)通过这种变换，将三相电流、变换成了等效的两相电流和。可以设想。这两个电流是定子的两个等效绕组d-d和q-q中的电流。这组等效的定子绕组dd和qq不像实际的a、b、c三相绕组那样在空间静止不动，而是随着转子一起旋转。等效绕组中的电流产生的磁动势对转子相对静止，它所遇到的磁路阻恒定不变，相应的电感系数也就变为常数了。当定子绕组内存在幅值恒定的三相对称电流时，由式（3-5）确定的和都是常数。这就是说，等效的dd、qq绕组的电流是直流电流。如果定子绕组中存在三相不对称的直流，只要是一个平衡的三相系统，即满足仍然可以用一个通用相量来代表三相电流，不过这时通用相量的幅值和转速都不是恒定的，
30、因而它在d轴和q轴上的投影的幅值也是变化的。当定子三相电流构成不平衡系统时，三相电流三个独立的变量，仅用两个新变量（d轴分量和q轴分量）不足以代表原来的三个变量。因此，需要增选第三个变量，其值为 (3-6)式（3-6）与常见的对称分量发中零序的表达式相似。所不同的是，这里用的是电流的瞬时值，对称分量法中用的则是正弦电流的相量。我们称为定子电流的零轴分量。式（3-5）和式（3-6）构成了一个从abc坐标系统到dq0坐标系统的变换，可用矩阵合写成 (3-7)或简记为 (3-8)其中 (3-9)为变换矩阵，容易验证，矩阵非奇，因此存在逆阵，即 (3-10)利用可逆变换可得 (3-11)或展开写成 (
31、3-12)由此可见，当三相电流不平衡时，每相电流中都含有相同的零轴分量。由于定子三相绕组完全对称，在空间互相位移电角度，三相零轴电流在气隙中的合成磁动势为零，故不产生与转子绕组相交链的磁通。它只产生与定子绕组交链的磁通，其值与转子的位置无关。上述变换一般称为派克（Park）变换，不仅对定子电流，而且对定子绕组的电压和磁链都可以施行这种变换，变换关系式与电流的相同。3.1.4电压方程和磁链方程的派克变换派克变换是一种线性变换，它将abc三相变量转换为d、q、0轴分量，显然，只应对定子各量施行变换即可。经变换后得到的电压方程和磁链方程，可以写为式（3-13）和式（3-14）。 (3-13)同原来的
32、方程组（3-1）比较，可以看出，d-d和q-q绕组中的电动势都包含了两个分量，一个是磁链对时间的导数，另一个是磁链同转速的乘积。前者称为变压器电动势，后者称为发电机电动势。我们还看到式（3-13）中的第三个方程式独立的，这就是说，等效的零轴绕组从磁场的意义上说，对其他绕组是隔离的。 (3-14)这就是变换到dq0坐标系统的磁链方程。可以看到，方程中的各项电感系数都变为常数了。因为定子三相绕组已被假象的等效绕组dd和qq所代替，这两个绕组的轴线总是分别与d轴和q轴一致的，而d轴向和q轴向的磁导系数是与转子位置无关的，因此磁链与电流的关系（电感系数）自然亦与转子角无关。式（3-14）中的和分别是定
33、子的等效绕组dd和qq的电感系数，称为直轴同步电感和交轴同步电感。当转子各绕组开路（即，），定子通以三相对称电流，且电流的通用相量同d轴重叠时，气隙中仅存在直轴磁场。这时定子的任一相绕组的磁链和电流的比值为就是直轴同步电感系数。由于磁链包含了另外两组电流所产生的互感磁链，因为是一种一相等值电感。同对应的电抗就是直轴同步电抗。如果定子电流的通用相量同q轴重叠，则有=0，气隙仅存在交轴磁场，定子任一相绕组的磁链和电流的比值便是交轴同步电感系数，即同电感系数对应的电抗就是交轴同步电抗。当转子各绕组开路，定子通以三相零轴电流时，定子任一相绕组（计及另两相的互感）的电感系数就是零轴电感系数。还必须指出，
34、式（3-14）右端的系数矩阵变得不对称了，即定子等效绕组和转子绕组间的互感系数不能互易了。从数学上讲，这是由于所采用的变换矩阵不是正交矩阵的缘故。在物理意义上，定子对转子的互感中出现系数，是因为定子三相合成磁动势的幅值为一相磁动势的倍。由于系数矩阵的不对称，将使得分析计算带来麻烦，为使式（3-14）的系数矩阵为对称，常采用的方法是标幺值。我们可以通过适当的选取基准值方法来达到目的。考虑到，则式（3-14）用标幺值表示，即可写为 (3-15)从abc坐标系统到dq0坐标系统的转换，在数学上代表了一种线性变换，而它的物理意义则在于把观察者的观察点从静止的定子上转移到了转子上。由于这一转变，定子的静
35、止三相绕组被两个同转子一起旋转的等效绕组所代替，并且三相的对称交流变成了直流。这样就使得发电机各绕组之间的电磁关系有如静止的变压器的电磁关系。派克变换并没有改变发电机内容的电磁关系，只是改变了对物理量的表达式。习惯上常将dq0系统中的电势方程和磁链方程合称为同步电机的基本方程，亦称派克方程。这组方程比较精确地描述了同步电机的电磁过程，它是同步电机暂态分析的基础。3.2同步发电机的参数及等值电路3.2.1无阻尼绕组同步发电机的参数及等值电路无阻尼绕组同步发电机，即不计转子上的阻尼绕组D-D和Q-Q。1.稳态参数及等值电路当发电机空载时，由于，由磁链方程式（3-15），可得 (3-16)其中，代表
36、励磁电流对定子绕组产生的互感磁链（即工作磁链或互感磁链）。定义在定子绕组上感应的电动势，通常称为空载电动势（它是由d轴上的磁链产生，在q轴上的电动势）。当发电机正常稳态负载时，考虑到此时、均为恒定不变的值（正弦量经派克变换后为常量），。若再近似地认为r=0,则由派克方程有 (3-17) (3-18)由于、为常量，式（3-17）、式（3-18）可以改写成大写表示 (3-19) (3-20)考虑到、则式（3-19）、（3-20）用矢量表示 (3-21)式（3-21）中的两式相加可得即 (3-22)同步发电机稳态运行的相量图和等值电路分别示于图3-4和图3-5图 3-4同步发电机稳态运行相量图 (a
37、)纵轴向 （b）横轴向图 3-5 凸极机的等值电路对于凸极机来说，由于，所以稳态运行时，它必须用直轴（d轴）和交轴（q轴）方向的两个等值电路来表示。而对于隐极式发电机，由于，则式（3-23）可以写为 (3-23)对应的等值电路为图3-6的形式。图3-6 隐极机等值电路3.2.2有阻尼绕组同步发电机的参数和等值电路对于有阻尼绕组的同步发电机，在转子的直轴（d轴）方向上有励磁绕组（f-f）阻尼绕组（D-D）,在交轴方向上有阻尼绕组（Q-Q）。由于在结构上有阻尼绕组的同步发电机仅比无阻尼绕组的同步发电机增加了二个阻尼绕组。因此，有阻尼绕组的同步发电机突然发生三相短路后的暂态过程与无阻尼绕组的同步发电
38、的情况基本相似，定子电流的同步发电机突然发生三相短路后暂态过程与无阻尼绕组的同步发电机的情况基本相似，定子电流中包含有基频分量的增量和直流电流以及倍频电流分量，转子电流中包含有直流增量和基频电流分量。有阻尼绕组同步发电机突然发生三相短路后引起的暂态过程，通常分为两个阶段。故障后最初阶段称为次暂态过程，稍后的阶段仍称作暂态过程。在这二个过程中，磁链、电流、电压的变化规律分别取决于同步发电机的次暂态参数和暂态参数。要找出合适次暂态过程计算的次暂态参数，就如同研究无阻尼绕组同步发电机的暂态过程一样，需要找到在短路瞬间不会发生突变的次暂态电动势和与之相对应的次暂态电抗。如前所述，若定子三相绕组（ax、
39、by、cz）用d轴和q轴上的二个等效绕组（d-d和q-q）来等效，则在有阻尼绕组的同步发电机d轴和q轴上分别有f-f、d-d、D-D绕组q-q、 Q-Q绕组。如图3-7所示。图3-7 有阻尼绕组的发电机等效d轴和q轴上的绕组如图3-7所示，在d轴方向上存在着三个绕组（f-f、d-d、D-D），它们相对静止，其相互间的电磁关系与三绕组变压器相似，类同于三绕组变压器等值电路的形式，可作出有阻尼绕组的同步发电机在d轴方向上磁链平衡的等值电路，如图3-8所示。根据戴维南定理，可求出从d-d端看的等效电动势和等效电抗。如果定义这个等效电动势为、等效电抗为，即 (3-24) (3-25)图3-8 有阻尼绕
40、组同步发电机d轴磁链平衡等值电路称为次暂态电动势的q轴分量，它同励磁绕组的总磁链呈现线性关系。在运行状态突变瞬间，和都不能突变，所以也不能突变。称为次暂态电抗。这样就可以得到用、表示的有阻尼绕组同步发电机的d轴等值电路，如图3-9所示。图3-9 有阻尼绕组同步发电机d轴等值电路第4章 同步发电机M文件编写及其运行结果4.1同步发电机的数学模型三相同步发电机仿真程序的编写基于同步发电机的数学模型，因此，首先要建立发电机的数学模型。同步发电机运行分为对称运行和不对称运行。对称运行采用dq0系统仿真，不对称运行采用系统仿真。本文只分析对称运行状态，故根据第三章分析，可以建立在dq0坐标系统下的发电机
41、的数学模型，其模型如下：式中 d、q-dq0坐标系轴坐标； R、s-定转子轴坐标； L、m-自感和互感； f、k-励磁绕组和阻尼绕组。上述数学模型是在假设发电机含有阻尼绕组的基础上写出来的；当发电机没有阻尼绕组时，在上述数学模型的基础上去掉相应的电压方程和磁链方程即可。即4.2 M文件的编写发电机基本参数如下：r=2.9069;Rfd=5.9013E-01;Rkd=11.900;Rkq=20.081;Ufd=24;w=377;Ll=3.0892E-01;Lmd=3.2164;Lmq=9.7153E-01;Llfd=3.0712E-01;Llkd=4.9076E-01;Llkq=1.0365;M
42、文件的编写分两部分，一部分是各种状态下微分方程的M函数程序，另一部分是编写求解各种状态微分方程的函数程序。各种状态程序的区别如下：有阻尼绕组和无阻尼绕组的区别：有阻尼绕组各参数矩阵比无阻尼绕组多两列阻尼绕组在d、q坐标下分量。有阻尼绕组是五维矩阵，无阻尼绕组是三维矩阵。三相同步发电机空载特性、三相突然短路及转子绕组，定子绕组突加对称电压的区别：电压分量、y0及仿真时间初始化不同。由此我们可以体会到，微分方程求解类计算机仿真问题，初始化设定正确与否对求解结果影响很大。各种状态的程序见附录A。4.3运行结果三相同步发电机各种状态M文件编译正确，其运行结果如下：（1）三相同步发电机空载特性： 由图可
43、知：Ifd代表是励磁电流，无阻尼绕组励磁电流比阻尼绕组更快达到稳定值，更快的稳定运行。（2）三相同步发电机三相突然短路： 由图可知：无阻尼绕组各项电流比有阻尼绕组收敛要快，更快达到稳定。其中有阻尼绕组励磁电流要比无阻尼绕组的幅值大。（3）三相同步发电机转子绕组短路，定子绕组突加对称电压： 由图可知：无阻尼绕组各项电流比有阻尼绕组收敛要快，更快达到稳定。第5章 GUI界面的制作5.1界面制作图形用户界面（Graphical User Interfaces,GUI）是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。界面制作包括界面设计和程序实现。具体制作步骤如下。（1）分析界面所要求实现的主要功能，明确设计任务；（2）在稿纸上绘出界面草图，并站在使用者的角度来审查草图；（3）按构思的草图，上机制作（静态）界面并检查；（4）编写界面动态工程的程序，对功能进行逐项检查。5.1.1登录界面制作（1）设计界面。使用G
