三相同步发电机运行仿真与GUI设计 - 图文

摘要

三相同步发电机运行仿真与GUI设计

摘要

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。所以检测同步发电机的运行状态具有重要意义。

首先了解同步发电机的基本概述，国内外发电机的发展现状及趋势，同步发电机的运行原理、数学模型及主要的工作特性。然后介绍三相同步发电机的运行原理，并就其对称运行与不对称运行进行分析。应用M文件或者Simulink对电机的运行状态建立模型，得到相应的仿真图形。运用GUI工具制作一个“电机仿真试验系统”界面，通过登陆界面之后，进入统一的用户交互界面，来选择电机类型、实验项目，并借助MATLAB的支持，进行试验仿真。

本文对仿真的实例进行分析，证明了此种方法的可行性，所得到的仿真结果符合电机的运行状态。

关键词：同步发电机；运行状态；数学模型；对称；不对称；GUI；电机仿真。

I

Abstract

Three-phase synchronous generator running simulation

and GUI design

ABSTRACT

Synchronous generators in power systems energy provider, control performance is good or bad it will directly determine the power system security and stability of operating conditions. Therefore, the operation status of detecting synchronous generator is important.

First of all know the basic outline synchronous generator, the development situation of domestic and foreign generator and trend, operating principle of the synchronous generator, mathematical model and the main work characteristics. Then introduces the operation principle of three-phase synchronous generator，and to the symmetric and asymmetric operation to run the analysis. Applications of M files or Simulink to model the motor running, get the corresponding simulation graphics. Using GUI tool to make an \simulation test systems\interface, through after landing interface, entering unity of user interface, to choose the motor type, experiment project, using MATLAB support , test simulation.

This paper analyzes the simulation of the examples, proved the feasibility of this method, the simulation results with meet running state of the motor.

Keyword: Synchronous generator；operation status；mathematical model；Symmetric；

asymmetric；GUI；Motor simulation。

II

目录

目录

摘要............................................................................................. Ⅰ ABSTRACT .................................................................................. Ⅱ 第一章 绪论................................................................................. 1 1.1 引言 ......................................................................................................... 1 1.2 同步发电机概述....................................................................................... 1 1.2.1同步发电机在发电厂中的必要性 ....................................................... 1 1.2.2同步发电机结构和分类 ...................................................................... 1 1.2.3 同步发电机的运行方式 ...................................................................... 2 1.3 国内外中小型发电机发展状况 ................................................................ 3 1.3.1 国外中小型发电机现状 ..................................................................... 3 1.3.2 国内中小型电机现状 ......................................................................... 3 1.3.3 中小型同步发电机行业的技术发展展望 ........................................... 4 1.4本论文的主要内容 ................................................................................... 4 第二章 三相同步发电机的基本原理..................................................... 5 2.1 三相同步电机的运行原理........................................................................ 5 2.1.1 同步电机的数学模型 ......................................................................... 5 2.1.2 工作特性 ............................................................................................ 6 2.2 同步发电机的对称运行 ........................................................................... 7 2.3同步发电机的不对称运行 ........................................................................ 8 2.3.1 概述 ................................................................................................... 8

目录

2.3.2 同步发电机的不对称分析实例 .......................................................... 9 第三章 三相同步发电机仿真应用方法 .............................................. 12 3.1 MATLAB的应用....................................................................................... 12 3.1.1 GUI设计 ........................................................................................ 12 3.1.2 Simulink的建模 ............................................................................. 13 3.2同步电机坐标系统的选择 ...................................................................... 13 3.2.1 dq0坐标 ......................................................................................... 13 3.2.2

dq?0坐标 ....................................................................................... 15

第四章 设计思路 .......................................................................... 16 4.1 设计思路与框图..................................................................................... 16 4.2 构建过程及具体步骤 ............................................................................. 17 第五章 实例仿真分析 .................................................................. 26 5.1 同步发电机仿真实例 ............................................................................. 26 5.1.1三相突然短路 ................................................................................... 26 5.1.2负载两相短路 ................................................................................... 29 5.2 异步电机仿真实例 ................................................................................. 31 5.3 直流电机仿真实例 ................................................................................. 33 第六章 总结 ................................................................................ 35 6.1 具体工作 ................................................................................................ 35 6.2 存在不足 ................................................................................................ 36

目录

参考文献 ...................................................................................... 37 致谢............................................................................................. 38 附录 A 英文翻译 ......................................................................... 39 附录 B 中文翻译 ......................................................................... 47 附录 C 附录 D 附录 E 附录 F 登陆界面程序 ................................................................... 53 主界面程序 ...................................................................... 56 仿真界面程序 ................................................................... 61 运行特性程序 ................................................................... 65

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第二章 三相同步发电机的基本原理

2.1 三相同步电机的运行原理

同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可以旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割活动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。所谓的同步就是转子的转速等于定子旋转磁场的转速。 2.1.1同步电机的数学模型

同步电机的数学模型表示同步电机的电压、电流、磁链等电磁量与转矩、转速等机械量之间相互关系的数学表达式。它是进行同步电机及电力系统动态分析的基础。

同步电机的数学模型可以用图2.1来描述。

+Rkq1'+VqRs?R?d+iqLlkq1V'kq1'-L1i'L'Lmqlkq2kq1-R'i'k（a）q轴电路kq2-+V'kq2q2-

+Rkd'+VdRs?R?d-+Llkd'V'kdL1i'kdL'Lmd-lfdR'i'idfd-+fdV'fd(b) d轴电路-

2.1 同步电机原理等效电路

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2.1.2 工作特性

表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。

（1）空载特性

发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。如图2.2.

E0UN气隙线CE0?f(If)OIfIfN

图2.2 同步发电机空载特性

当If较小时，Ff较小，磁路不饱和，E0=f(If)呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。If增大时，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压UN一般设计在空载特性的弯曲处。

空载特性在同步发电机理论中有着重要作用： ① 判断电机设计是否合理。 ②空载特性结合短路特性(在后面介绍 )可以求取同步电抗的不饱和值。 ③通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 （2）负载运行特性

负载运行特性主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因子为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系，调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因子为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率U，常用百分数表示为20～40％。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布，它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低；当负载呈电容性时，电枢反应磁场起助磁作用,会使发电机的输出电压升高。

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2.2 同步发电机的对称运行

同步发电机的对称运行从同步电机的电势方程式和相量图来分析。 一、电势方程式

负载后，发电机电枢绕组中存在的电势：

?产生的E?； ① 由Ff0?产生的E?； ② 由Faa?产生的E?； ③ 由Fss④ 电枢电阻很小，其压降可以忽略。 ??E??E??U?。 发电机每相的电势方程为：E0as??E???jX??；E??U??jXI??jXI? 。 对凸极电机来说： EI?jXqIasddq0ddqq??E???jX???U??jX?对隐极电机来说：EI；EI 。 assa0sa二、电势相量图

同步电机理论中，用电势相量图来进行分析是十分重要和方便的方法。作相量图时，

?U?。 Ia的夹角为负载功率因子角j，Xs为已知量，根据方程式求得E与?0（1）隐极电机相量图画法（如图2.3）

?； ① 在水平方向做出相量UIa； ② 根据j角作出相量??的尾端,加上相量jX?I，它超前?Ia90°③ 在U； sa?。 ?的首端指向jX?I尾端的相量,该相量便是E④ 作出由Usa0?E0CA?jXsI?a?U?I?a?B 图2.3 隐极电机向量图

(2)凸极电机相量图画法（如图2.4）

?错开j角作?Ia； ① 在水平方位作出相量U?方位?的尾端加上相量jX??首端和jX?Ia90°EII② 在U超前于?经过U0qa，qa尾端的直线为

(q轴)；

Iq； Ia分解为?Id和?③ 将?

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??U??jX??。 ⑤ 根据方程EI?jXd?Id作出E00qq相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。

?CE0?Iq?jXqIq?jXqIaqA???Id??Ia?UdB

图2.4 凸极电机向量图

2.3同步发电机的不对称运行

2.3.1 概述

一、研究的必要性

实际中，由于电网中负载的不断变动以及大型的单相负载，使三相电压和电流任何时候不可能绝对地对称，例如冶金工厂单相电炉或电气铁道要求供给容量较大的单相负载输电线由于某些原因发生碰线而引起不对称短路等，这些情况都造成负载不对称，使发电机在不对称负载下运行，因此有必要对发电机的不对称运行加以研究。

二、同步发电机不对称运行带来的危害

同步发电机在不对称负载下运行时，电枢电流和端电压都将出现不对称现象，使接到电网上的变压器和电动机运行情况变坏，效率降低，同时也对发电机本身以及电网带来一些不良后果，因此对同步发电机不对称负载的程度有一定限制。

三、分析同步发电机不对称运行的基本方法－对称分量法

分析同步发电机不对称运行的基本方法是对称分量法，即将发电机不对称的三相电压、电流分解为正序、负序和零序分量，然后分别研究各相序电流所产生的效果，再将它们迭加起来，就得到实际的不对称相电流和相电压。实践证明，就基波而言，不计饱和时，所得结果基本上是正确的。

四、采用对称分量法分析不对称问题的基本步骤 (1）先列出不对称情况的边界条件；

(2）用对称分量法求出各序电流、各序电压间的特定约束关系；

(3）按照特定的约束关系，把各序等效电路连成一条统一的等效电路；

(4）从统一的等效电路解出各序电流和电压，最后再把正序、负序和零序分量迭加，求得各相的电流和电压。

2.3.2 同步发电机的不对称分析实例

1、单相对中点短路

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规定正方向如图2.5所示。

?Ik1A

??IU AA

?UB ?IC ??UCIBCB

图2.5单相中点短路简图 ?I?A?I?第一步：列出边界条件：

?k1?I?B?I?C?0 ??U?A?0第二步：利用对称分量法求出各序电流分量。

?I??A??1??2??I??A??I?I???1??A???2????1?A??I??1?k1????I?B???I?A???I?k1? ??I?03?1A????111????I?C?3???I?A?3 ???I?k1??第三步：根据上两式作出同步发电机单相对中点短路的等效电路。（如图2.6）

x1 I??A ～E??AU??

A

x2 I??AU??Ax0 I?0AU?0 A

2.6 单相中点短路的等效电路

第四步：根据等效电路求出各序电流，然后求出短路电。

I???0AE??A?I?A?I?E??A?jx??jA 1?jx2?jx0(x1?x2?x0) I??3E??Ak1?3I?A??j(x 1?x2?x0) 2-1）

2-2）

2-3）

2-4）

9

（ （

（ （

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?U?A?? UA?(x?x)?E0x1?A2?j(x1?x2?x0)x1?x2?x0?????xE?E?AA2??jx2?? (2-5)

??j?E?A??EAj(x1?x2?x0)x1?x2?x0????U?0A??jEA?EAx?0j(x?xx0??1?x20)x1?x2?x0??U?E?AB??2U??A??U??A?U?0A??xx2??2????x0???1??? 1?x2?x?0U?C??U??A??2U??E?AA?U?0A??x?x?x2????2??x0???1??? 1?x202、两相间短路 规定正方向如图2.7所示。

AU?AI?AU?BI?CI?U?BBCCI?k2

图2.7 两相间短路简图

第一步：列出边界条件：

?I?A?0??I?B??I?C?I?k2 ??U?BC?U?B?U?C?0第二步：利用对称分量法求各序电流和电压

?I??A??1??2??I?A???I?B??2I??2B?????? ???1???B?j3Ik21?I?A???1?2?????1?21(???I)???IB????I?B??I??B?(?2??I??B??????I?03A????111????I?C?3???0?3?)3?jI3???0???2?k ??0????因此??I???3A??I?A?j3I?k2 ??I?0A?0由于I?0A?0，所以U?0A?0，根据U?B?U?C可求出正、负序电压为： (2-6)

(2-7) (2-8) (2-9) 2-10） 10

（华东交通大学毕业设计（论文）

??1?1?U???????UA?3?1?A??2???UA???U???2U???????1?UABB??UB???????U??3?UA??2U???BB??U?C??2 （2-11）

第三步：作出各序等效电路，并根据上两式作出同步发电机相间短路时的等效电路，

如图2.8所示。

x1x2x0 I??

AI??AI?0 ～E??AU??AU??AAU?0A

图2.8 两相间短路等效电路图

第四步：根据等效电路求短路电流。

I???E??AE???jA?A??I?A?j(x?x?12)x1?x2? I?k2?I???02??0?B?I?B?I?B?I?B??I?A??I?A?I?A?因为I?0A?0，得到： I?E?AE?A23E?Ak2??2(?jx1?x)??(j2x)??E?jA1?x2x??)??1?x(?2x 1?x2第五步：求各相电压将正、负序电流表达式代入相序方程式得：

U??E?Ax2?A?x?1?x2?? U???A?EAx2?x1?x2??故未短路相（即A相）的电压为：U?A?U??A?U??A?E?2x2Ax 1?x 2短路相的电压则为：

U?xB?U?C?U??B?U??B??2U??A??U??A?(?2??)U??2A??U??A??12U?A??E?Ax 1?x2

2-12）

2-13）

2-14）

2-15）

2-16）

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（（ （（ （王艳苹：三相同步发电机运行仿真及GUI设计

第三章 三相同步发电机仿真应用方法

3.1 Matlab的应用

Matlab是一种用于工程计算的高性能程序设计语言，它集成了计算功能、符号运算、

数据可视化等功能，以及图形用户接口设计技术和应用程序接口技术。其代码编写工程与数学推导构成的格式很接近，使得编程更加直观和方便。 3.1.1 GUI设计

随着计算机技术的发展，人与计算机之间的交互信息发生了深刻的变化。从传统的命令输入格式发展为图形用户的交互方式。在图形用户接口下，用户无须记忆大量繁琐的命令，而只须通过鼠标等便捷的方式与计算机交互信息、选择想要运行的程序、控制程序的运行、实时显示图形信息。现在，90%以上的应用程序和软件都是在图形用户接口下运行的，而且各种高级语言也都发展成面向对象程序设计语言，通过这些高级语言设计出的程序和软件，直接给出图形用户接口的开发环境。

图形用户接口（GUI）是由图形对象构建的用户接口，在该接口上，用户可以根据接口上的提示信息完成自己的工作。所谓图形用户接口，简单地说就是包含了各种图形控制对象，如图形窗口、菜单、对话框及文本等内容的图形接口。利用该图形接口，用户可以方便地和计算机进行信息交流。

MATLAB作为最强大的科学计算软件，同样提供了创建图形用户接口的功能，尤其是该软件开发到MATLAB（R13）版本，图形用户接口功能得到了相当大程度的增强和改进。在该软件中，创建的图形用户接口对象通常包含以下3类：用户接口控制、下拉菜单和内容菜单。其中用户接口控件能够创建各种常见控件，如按钮、列表框、编辑框等；下拉菜单对象能够创建各种菜单和子菜单；内容菜单对象能够创建内容式菜单，如弹出式菜单等。根据这些图形对象，用户可以设计出功能强大的图形用户接口。

GUI创建方法：

（1） 利用GUIDE创建GUI（生成两个档：fig文件和M文件）； （2） 利用编程创建GUI（只生成M文件）。 GUI的设计原则： （1）简单性

设计接口时，应力求简洁、直接、清晰地体现出接口的功能和特征。那些可有可无的功能应尽量删去，以保持接口的整洁。设计的图形接口直观，为此应多采用图形，而尽量避免数值。设计接口应经量减少窗口数目，力避在不同窗口之间进行来回切换。

（2）一致性

所谓一致性有两层含义：一是，读者自己开发的接口风格尽量一致；二是，新设计的接口要与其它已有的接口风格不要截然相左。这是因为用户在初次使用新接口时，总习惯于凭经验进行试探。比方说，图形显示区常安排在接口左半边，而按键等控制区被排在右侧。

（3）习常性

设计新接口时，应尽量使用人们所熟悉的标志和符号。用户可能并不了解新接口的具体含义及操作方法，但他完全可以根据熟悉标志作出正确猜测，自学入门。

（4）其它考虑因素

除了以上对接口的静态要求外，还应注意接口的动态性能。如接口对用户操作的响应要迅速、连续；对持续时间较长的运算，要给出等待时间提示，并允许用户中断运算。

GUI的一般制作步骤：

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（1）分析接口所要求实现的主要功能，明确设计任务；

（2）在稿纸上绘出接口草图，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）接口，并检查之；

（4）编写接口动态功能的程序，对功能进行逐项检查。 3.1.2 Simulink的建模

Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。

在Simulink提供的图形用户接口上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形呈现，且采用分层结构。从建模角度将，这既适用于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottom-up）逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。

在Simuink环境下，用户将摆脱理论演绎时必须做理想化假设的无奈，观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随即因素对系统行为的影响。在Simulink的环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时观察系统行为的变化。由于Simulink环境使用摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐的编程的困扰，因此用户在此环境中会产生浓厚的探索兴趣，引发活跃的思维，感悟出新的真谛。

Simulink是基于MATLAB环境之上的高性能的系统级防止内设计平台，因此启动Simulink之前必须首先运行MATLAB，然后才能启动Simulink并建立系统模型。启动Simulink有两种方式：

（1）用命令行方式启动。即在MATLAB的命令窗口直接键入如下命令： >>simulink

（2）使用工具栏按钮启动，即用鼠标单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮。 为便于用户能够快速构建自己所需的动态系统，Simulink提供了大量以图形方式给出的内置系统模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计特定的动态系统。

Simulink建模和仿真的基本步骤：

1、启动Simulink 新建一个系统模型文件；

2、根据系统的物理模型或数学模型，在Simulink Browser中选取相关模块； 3、将选取的模块按照模块间的输入输出关系进行连接； 4、设置系统的模块参数； 5、设置系统的仿真参数；

6、运行仿真模型，进行分析和调试。

3.2同步电机坐标系统的选择

同步电机坐标系统在分析电机的各种运行方式时，为简化计算方法与提高计算精度，

需利用一些数学变换将实际绕组中的电磁量转换为另一表达形式的电磁量，与这些表达形式相对应的坐标构成同步电机坐标系统。选用不同的坐标系统，仿真模型将具有不同的形式。若用实际系统的同步电机数学模型进行仿真，一方面会大大增加计算时间，另一方面还有可能因电感矩阵L为病态而影响计算精度。所以针对对称与不对称运行选择不同的坐标系统。

3.2.1 dq0坐标

dqo坐标系统的d轴(直轴)与转子磁场方向一致，q轴(交轴)与d 轴相差900电角度。由于dqo坐标系统具有使电机电路方程中的参数恒为常数，方程简化，适合多机系统模型

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等优点，电力系统分析与计算中最广泛采用dqo 坐标系统。 坐标系统的变换为简化计算而作的纯数学变换，如经典派克变换即在一定的正方向规定下定子电流的 dqo分量与abc分量之间的关系为同步电机电路方程分为基本方程和导出模型两类，其复杂程度由模型阶次、求解问题要求和假设条件所决定。不同的情况有不同的表达形式。派克方程是用dqo坐标系统表示的同步电机基本方程。

Park转换，也称派克变换，英文为Park transformation，为现在占主流地位的交流电机分析计算时的基本变换。在电力系统分析和计算中，park转换具有重要的理论和实际意义。

关于park变换： 从数学意义上讲，park变换没有什么，只是一个坐标变换而已，从abc坐标变换到dq0坐标，ua，ub，uc，ia，ib，ic，磁链a，磁链b，磁链c这些量都变换到dq0坐标中，如果有需要可以逆变换回来。具体数学表示如下：

?cos?2? p???sin?3?1?2cos(??120)?sin(??120120)00cos(??120)?0? ?sin(??120)? （3-1）1?2?从物理意义上讲，park变换就是将ia，ib，ic电流投影，等效到d，q轴上，将定子

上的电流都等效到直轴和交轴上去。对于稳态来说，这么一等效之后，iq，id正好就是一个常数了。

从观察者的角度来说，我们的观察点已经从定子转移到转子上去，我们不再关心定子三个绕组所产生的旋转磁场，而是关心这个等效之后的直轴和交轴所产生的旋转磁场了。

对于同步发电机的对称运行问题，采用dq0坐标下的数学模型，这样电感系数矩阵为常数阵，问题变得简单。其基于dq0坐标下的数学模型如图2.1所示。

建立同步电机基本方程时，主要假设条件是设同步电机为理想电机，即忽略饱和等非线性现象以及假定电枢绕组是正弦分布的。

（1）忽略饱和及其它非线性现象是假定所有磁通都与产生它的电流成正比。因而可以应用迭加原理,即任何一个线圈中的电流单独建立一个磁通势，并产生一个磁通分量。这部分磁通在该线圈或任何其它线圈中感应产生电压。根据迭加原理，可以将任一线圈中的所有电压分量迭加起来得到该线圈的合成电压。所有线圈的电压方程和转矩方程联立，即为电机的基本方程。

（2）假定电枢绕组是正弦分布的。因而绕组中的电流在电机中不产生空间谐波磁通势。还假定空间基波磁通势由于磁路磁阻不均匀所产生的谐波磁通也不在绕组中感应任何电压。这使得电机内部物理过程的描述变得简单。其电路方程为：

Vd?Rsid?ddt?q??R?q （3-2）

Vq?Rsiq?ddt?q??R?q （3-3）

ddtV'fd?R'fdi'fd??'fd （3-4）

V'kd1?R'kd1i'fd?V'kq1?R'kq1i'kq1?ddt?'kd1 （3-5） ?'kq1 （3-6） ?'kq2 （3-7）

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ddtV'kq2?R'kq2i'kq2?

ddt

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图4.5 直流电机仿真界面

第三类：直流电机仿真界面如图4.6。

图4.6 异步电机仿真界面

图4.6 是simulink建立的仿真Model，Subsystem是构建的模型，Scope是示波器，显示仿真波形。

四、运行特性仿真

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编写仿真特性代码，根据各电机的特性及其数学或者物理模型，以及相关参考书，分析编写运行特性微分方程的M—函数程序代码，或者建立模型，然后进行仿真，分析波形是否正确，若不正确检查错误，直到正确为止。下面是仿真波形。各特性代码见附录D。

（1）同步发电机

三相短路如图4.7。

（a）无阻尼 （b）有阻尼

图4.7 三相短路仿真结果

转子绕组短路，定子突加对称电压如图4.8。

（a）无阻尼 （b）有阻尼

图4.8 绕组短路、定子突加对称电压仿真结果

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负载两相短路如图4.9。

（a）无阻尼 （b）有阻尼

图4.9 负载两相短路仿真结果

负载单相短路如图4.10。

（a）无阻尼 （b）有阻尼

图4.10 负载单相短路仿真结果

同步发电机：短路发生时，同步发电机的运行都出现振荡不稳定过程，经过一定时间后，同样会达到了一个新的稳定过程；各种短路情况的有阻尼与无阻尼相比较，其无阻尼的振荡幅度都小于有阻尼，并且无阻尼的响应快于有阻尼。

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（2） 异步电动机：

直接启动如图2.11。

图2.11 异步电动机直接启动仿真结果

机械特性如图2.12。

图2.12 异步电动机机械特性

直接启动：输出端对应情况：Out1——相间电压(V)，Out2——转子电流(A)，Out3——定子电流(A)，Out4——转速（n/m），Out5——转矩（N*m）。相间电压为正弦变化，其启动转矩较大，启动电流也较大。转速从零迅速上升，当t=0.4s，启动过程结束，进入稳定运行状态。

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王艳苹：三相同步发电机运行仿真及GUI设计

机械特性：转速n（或者转差率s）与电磁转矩T的关系，呈非线性。当s较小时，每极的磁通量几乎为常数，转子每极电阻R2起主导作用；当s增大时很多时，定子电流与定子漏阻抗压降要增大，致使电动势与电压相差很大，每极的磁通量减少，转子每相漏电抗X2s起主导作用。

（2） 直流发电机如图2.13。

n=1000r/min

并励

串励

n=750r/min

他励

他励

并励

图2.13 直流电动机仿真结果

（a）空载特性 （b）调整特性 （c）外特性

空载特性：不同励磁方式的发电机，空载特性基本相同，以他励直流发电机为例。本仿真是已知在750r/min转速时的空载特性，额定励磁电流为2.5A，求额定转速1000r/min时的额定空载电压。采用样条插值的方法，在图上可直观的得到电压值。

调整特性：端电压恒定时，负载电流与励磁电流的关系。波形之所以略上翘是因为在负载电流增加时，如果不增加一些励磁电流以补偿电枢反应的去磁作用及电压回路的电阻压降，则不能维持端电压的恒定。并励直流发电机的电枢电流比他励直流发电机多一个很小的励磁电流，则相对并励比他励偏上。

外特性：当励磁电流为额定电流时，端电压与负载电流之间的关系。通常是随负载电流的增大而向下垂。

（3） 直流电动机如图2.14。

串励

并励 他励

（a）机械特性 （b）转矩特性

图2.14 直流电动机仿真结果

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王艳苹：三相同步发电机运行仿真及GUI设计

?r?0.26;Rfd?0.13;Rkd?0.0244;Rkq?0.02;ufd?17.8876;w?314;??L1?1.14e?3;Lmd?13.7e?3;Lmq?11.0e?3;L1fd?2.1e?3;其基本参数为：??L1kd?1.4e?3;L1kq?1e?3;

??Lfd?L1fd?Lmd;Lkd?L1kd?Lmd;Lkq?L1kq?Lmq;Ld?Lmd?L1;??Lq?Lmq?L1;ud?100;L0?L1对同步发电机负载两相短路有阻尼与无阻尼对比如下：

图5.6 定子电流

图5.7 定子交轴电流

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华东交通大学毕业设计（论文）

图5.8 转子电流

结果分析：

当负载不对称时，发电机的三相端电压及电流都将不对称。由于流过电枢各相的电流有效值各不相同，它们所产生的合成电枢磁势不再是一个幅值不变的圆形旋转磁势，故障短路将会出现很大的冲击电流,不过冲击电流的持续时间是很短暂的,这一过程属于瞬变过程。瞬变过程完毕后就进入稳态短路。两相线对线短路电流大约为三相短路电流的1.5倍。

根据以上对同步发电机两相负载短路有阻尼与无阻尼的对比，得到下表5-2：

对比项 选项 定子电流（Id） 定子交轴电流（Iq） 转子电流（Ifd） 表5-2 两相负载短路分析结果 幅 值 变 化 有阻尼 变化大 变化大 变化大 无阻尼 变化小 变化小 变化小 慢 慢 慢 响 应 快 慢 有阻尼 无阻尼 快 快 快 原因：如三相短路所诉。 5.2 异步电机仿真实例

异步电机仿真选择异步电机直接启动。

异步电机直接启动仿真采用的是Simulink系统，具体模型图如下：

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+-V1Ir_abc2+++ABCTm1Te5mmwm9.554Is_abc3

图5.9 异步电机直接启动模型

图5.10 异步电机参数设置

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华东交通大学毕业设计（论文）

5000-500100相间电压（V）00.10.20.30.40.50.60.70.80.91转子电流（A）0-100020010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91

-1000.1 20000 0 -200000.1 200 100

0 -100 00.1

结果分析：

定子电流（A）0.20.30.40.50.60.70.80.91转速（n/m）0.20.30.40.50.60.70.80.91m）转矩（N·0.20.30.40.5Time0.60.70.80.91图5.11 异步电机直接启动仿真波形

在额定电压下直接启动三相异步电动机，在启动瞬间主磁通?m约减少到额定值的一

半，功率因数cos?又很低，造成启动转矩很大，从而导致启动电流相当大的结果。转速从0迅速上升，以上仿真波形符合理论分析，相间电压波形呈正弦变化，在t=0.4s，启动结束，电动机进入稳定工作状态。

5.3 直流电机仿真实例

直流电机仿真选择直流发电机外特性。

直流发电机的外特性是指电机负载稳定运行时端电压和负载电流之间的关系，即U=f(I)。

仿真波形如下图5-12： 结果分析：

不同发电机外特性的仿真波形不同，因为不同发电机励磁方式不同。

下面介绍不同发电机的原理图5-13所示，其中Ea为感应电动势，Ra为电枢绕组电阻，Ia为电枢电流，I为负载电流，If为励磁电流，Rf为励磁电阻，RL为负载电阻。

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5.12 直流发电机外特性仿真波 图

RLEaRiRLEaEaLfiaRfIfIaIf （a）他励 (b)串励 (c)并励

图5.13（a、b、c）不同励磁方式直流发电机原理图

由以上波形的下表5-3。

由上仿真波形可看出外特性曲线随负载电流的增大而向下垂，下垂的原因有二：一是因为在励磁磁动势不变的情况下，当负载电流增加时，由于电枢反应通常是去磁效应，是气隙磁通量减少，从而减少了电枢电动势Ea；二是由于电枢回路各绕组的电压压降IaRa，使端电压进一步下降。并励比他励下降的幅度更大，是因为并励电机中不仅有电枢反应和电枢电压压降起作用，而且端电压的降低，还会引起励磁电流的减少。

特性 电机类型 他励直流发电机 串励直流发电机 并励直流发电机 表5-3 直流电机外特性结果分析 电压平衡方程 当I=0时 U=Ea-IaRa U=Ea-Ia(Ra +RL) U=Ea-IaRa U=Ea≠0 (I=Ia，If≠0) U=Ea=0 （I=Ia=If） U=Ea≠0 (I≠Ia，If≠0) 当I变化时 Ea=常数，呈线性 Ea≠常数，呈曲线 Ea≠常数，呈曲线

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