MATLAB与交直流调速系统仿真

MATLAB应用技术清华大学出版社王忠礼段慧达高玉峰编著

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ω(rad/s)，电枢电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（N·m）。直流电动机的参数设置电枢电阻和电感励磁回路电阻和电感电枢与励磁回路互感电机转动惯量粘滞摩擦系数静摩擦转矩初始速度例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。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。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。依此类推，达到限制电流和保证电磁转矩的目的。（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。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；Tm>0，为电动机；Tm<0，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。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）额定功率，线电压，频率定子电阻和漏感转子电阻和漏感互感转动惯量，摩擦系数和极对数初始条件：初始转差，电角度，定子电流幅值和相角电机测试信号分配器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，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：SimPowerSystems>>ElectricalSources>>ThreePhaseSource（2）三相变压器：SimPowerSystems>>Elements>>ThreePhaseTransformer(Twowindings)（3）三相电压、电流测量元件：SimPowerSystems>>Measurements>>ThreePhaseV-IMeasurement（4）异步电动机：SimPowerSystems>>Machines>>AsynchronousMachine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SimPowerSystems>>Mechines>>MachinesMeasurementDemux（6）阶跃模块：Simulink>>Sources>>Step（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，Pm>0，发电机；Pm<0，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ExtraLibrary>>Measurements>>Fourier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=0.4ῼ，R2=0.035ῼ，X1=0.22ῼ，X2=0.055ῼ，Rm=30ῼ，Xm=310ῼ，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.仿真模型模块名提取路径三相双绕组变压器S