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1、MATLAB应用技术,清华大学出版社,王忠礼 段慧达 高玉峰编著,4.MATLAB在电机学中应用,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。,直流电动机模型,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(rad/s)，电枢
2、电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（Nm）。,直流电动机的参数设置,Armature resistance and inductanceRa(ohms)和La(H)：电枢电阻和电感；Field resistance and inductanceRf(ohms)和Lf(H)：励磁回路电阻和电感Field-armature mutual inductanceLaf(H)：电枢与励磁回路互感；Total inertia J(kg.m2)：电机转动惯量(kg.m2)；Viscous friction coefficient Bm(N.m.s)：粘滞摩擦系数(N.m.s)；Coulomb
3、friction torque Tf(N.m)：静摩擦转矩(N.m)；Initial speed(rad/s)：初始速度。,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1020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。,使用模块,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Electrical Sources库里的DC voltage source模块。直流电压E为直流电
4、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。,2.仿真参数设置,3.仿真结果,图 电机转速波形,图 电机电枢电流波形,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。,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
5、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,（1）断路器（Breaker）,断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块,使用模块,（2）调速电阻,调速电阻选自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的series RLC branch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。,2.仿真结果,图 电机转速波形,图 电机电枢电流波形,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
6、起不到限流作用。,4.2异步电机模型,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。,异步电动机模型参数设置,Rotor type：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（Squirrelcage）两种类型；Referen
7、ce Frame：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-L volt,and freq：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）；Mutual inductance Lm（H）：互感Lm(H）；Intia，friction factor and pairs of poles：转动惯量J(kg.m2)，摩擦系数和极对
8、数；Initial conditionss()th(deg)isa isb isc(A)：初始条件包括：初始转差s，电角度，定子电流幅值isa isb isc(A)和相角phas,phbs,phcs（deg）。,电机测试信号分配器,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
9、-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,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，
10、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。,1.使用模块,（1）三相电压源：SimPower SystemsElectrical SourcesThree Phase Source,（2）三相变压器：SimPower SystemsElementsThree Phase Transformer(Two windings),（3）三相电压、电流测量元件：SimPower SystemsMeasurementsThree Phase V-I Measurement,（4）异步电动机：SimPower
11、 SystemsMachinesAsynchronous Machine,先将电机初始状态各值设为0，或任意数值。,（5）电机测量信号分配模块SimPower SystemsMechinesMachines Measurement Demux,（6）阶跃模块：SimulinkSourcesStep,（7）powergui模块,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,初始化完毕之后的电机参数对话框,仿真时间、算法、步长设置,3.仿真结果,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
12、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。,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
13、部电源电压,标幺值形式,国际单位制形式,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,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,电机测试信号分配器参数设置,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,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
14、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。,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。,（2）可编程三相电源,（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,（5）选择器,选择输入向量/矩阵中的某些元素,（6）傅立叶变换,Extra LibraryMeasurementsFourier提取输入信号中第n次分量的幅值和相位。,（7）powergui模块,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
15、动势E：采用Constant模块，参数可先设为任意数值。,双击powergui模块，打开潮流和电机初始化窗口。,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。,3.仿真结果,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，,4.4电力变压器模型,单相三绕组线性变压器,三相三绕组变压器,三相双绕组变压器,多绕组变压器,三相耦合线圈,饱和变压器,三个单相绕组变压器所组成的模块，所有端口可见,移相变压器,三相双绕组变压器模块,参数设置,额定容量、额定频率,一次侧线电压有效值、电阻、漏感
16、,二次绕组参数,二次侧绕组的连接形式,饱和铁心,磁阻,励磁电感,设置变压器铁心饱和之后参数设置对话框,饱和特性参数设置,磁滞复选框选之后，将打开磁滞特性对话框,磁通初始化复选框,饱和变压器铁芯参数设置：,变压器的饱和特性用分段线性化的磁化曲线表示。,饱和变压器铁芯参数设置：,参数对话框中，从坐标原点（0,0）开始制定”电流磁通”特性曲线，即从原点开始制定饱和特性曲线上的每一个拐点的坐标，电流和磁通用“空格”或“,”隔开，每组拐点之间用“;”隔开。磁化电流和磁通均使用标幺值，基准值为：其中V1为一次侧额定相电压有效值。如图所示的曲线，可以定义为0,0;0.2,0.8;0.8,1.5。,测量参数下
17、拉菜单：,从SimPowerSystems库的“Measurements”字库中，选择“Multimeter”模块到模型文件窗口中，可以在仿真过程中对选中的测量变量进行观察。,例5.变压器空载运行仿真,一台Y-D11连接的三相变压器Pn=180kvA，U1N/U2N=10000/525，已知R1=0.4，R2=0.035，X1=0.22，X2=0.055，Rm=30，Xm=310，铁芯饱和特性曲线如下图，请用matlab仿真分析变压器空载运行时一次侧的相电压，主磁通和空载电流波形。,铁心饱和特性数据0,0;0.59737,1;1.5,1.2,1.理论分析空载时，由于变压器铁芯饱和，因此当相电压和主磁通为正弦波时，空载电流（励磁电流）为尖顶波（含有三次谐波和一系列高次谐波）。但是，由于三相变压器一次侧采用Y形连接，3次谐波电流无法流通，高次谐波较小，可以忽略不计，所以一次侧空载电流接近正弦波。当励磁电流为正弦波时，借助作图法可知，磁通为平顶波，除基波磁通外，还含有3次磁通，3次磁通在二次绕组中产生3次谐波电动势，由于二次绕组为三角形连接，在三角形闭合回路中产生3次谐波环流，该环流将削弱主磁通中的3次谐波分量，因此主磁通也接近正弦波。,2.仿真模型,（1）三相双绕组变压器,（2）三相交流电源,（3）万用表模块,3.仿真参数配置,4.仿真结果,
