MATLAB與交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、MATLAB應(yīng)用技術(shù)清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社王忠禮王忠禮 段慧達(dá)段慧達(dá) 高玉峰編著高玉峰編著MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.MATLAB在電機(jī)學(xué)中應(yīng)用MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.1 直流電動機(jī)模型4.2.1直流電動機(jī)介紹直流電動機(jī)介紹直流電動機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。優(yōu)點(diǎn)：啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，在軋鋼機(jī)、電力機(jī)車的等方面有一定的應(yīng)用。缺點(diǎn)：由于其帶有機(jī)械換向器，比交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)運(yùn)行成本較高，逐步被交流電動機(jī)所取締。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)直流電動機(jī)模型直流電動機(jī)模型MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)F和F-：直流電動

2、機(jī)勵磁電路控制端子，分別連接勵磁電源 的正極與負(fù)極；A和A-：直流電動機(jī)電樞回路控制端，與電機(jī)電樞繞組相連；TL：直流電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號輸入端；m：直流電動機(jī)測量信號的輸出端，包括轉(zhuǎn)速(rad/s)，電樞 電流Ia（A），勵磁電流If（A），電磁轉(zhuǎn)矩Te（Nm）。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置 電樞電阻和電感勵磁回路電阻和電感電樞與勵磁回路互感電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量粘滯摩擦系數(shù)靜摩擦轉(zhuǎn)矩初始速度MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)例例1.直流電動機(jī)直接起動直流電動機(jī)直接起動n直流電動機(jī)直接起動時，起動電流很大，可達(dá)額定電流的1020倍，由此產(chǎn)生很大

3、的沖擊轉(zhuǎn)矩，在實際運(yùn)行中不允許直流電動機(jī)直接起動。n使用Simulink對直流電動機(jī)的起動過程建立仿真模型，通過仿真獲得直接起動電流的過程和電磁轉(zhuǎn)矩的過程。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)使用模塊使用模塊直流電動機(jī)(DC-Motor)（2）直流電壓源（E、Ef） 模塊取自SimPowerSystems工具箱中的Electrical Sources庫里的DC voltage source模塊。 直流電壓E為直流電機(jī)的電樞回路電壓，直流電壓Ef直流電機(jī)的勵磁電壓，二者參數(shù)（Amplitude）設(shè)置為240。 MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)2.仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置MATLABM

4、ATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)3.仿真結(jié)果仿真結(jié)果0123456789100200400600800100012001400圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形012345678910050100150200250300350400450圖 電機(jī)電樞電流波形MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)0123456789100100200300400500600700800圖 電磁轉(zhuǎn)矩波形n從仿真結(jié)果可以分析：轉(zhuǎn)速能夠在較短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，但起動電流沖擊很大，同時電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊也很大。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)例例2.直流電動機(jī)分級起動直流電動機(jī)分級起動n由于直流電動機(jī)直接起動電流過大，為了限制起動電流，

5、通常在電源和電動機(jī)之間加上起動變阻箱。n起動變阻箱由三個電阻組成，在每個電阻兩端并聯(lián)一個理想開關(guān)，通過設(shè)置開關(guān)不同的導(dǎo)通時間，來切除電阻。起動瞬間，三個開關(guān)全部斷開，此時電阻全部接入。一定時間后，第一個開關(guān)導(dǎo)通，相應(yīng)地第一個電阻被切除。依此類推，達(dá)到限制電流和保證電磁轉(zhuǎn)矩的目的。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（1）斷路器（Breaker）斷路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements庫里的Breaker模塊 使用模塊使用模塊MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（2）調(diào)速電阻調(diào)速電阻選自SimPowerSystems工具箱

6、中的Elements庫里的series RLC branch模塊。（3）斷路器控制信號（Step）斷路器通斷控制采用階躍信號與模塊的控制端連接實現(xiàn)。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)2.仿真結(jié)果仿真結(jié)果圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖 電機(jī)電樞電流波形0123456789100200400600800100012001400012345678910510152025303540MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)圖 電磁轉(zhuǎn)矩波形n起動電阻的阻值要根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)和起動具體要求進(jìn)行選擇，阻值過大會延長起動時間，而阻值過小又起不到限流作用。01234567891001020304050607080MA

7、TLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.2異步電機(jī)模型MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)異步電動機(jī)模型異步電動機(jī)模型:標(biāo)幺制和國際單位制標(biāo)幺制和國際單位制 其電氣連接和功能分別為： A、B、C：交流電機(jī)的定子電壓輸入/輸出端子，可直接連接三相電壓； Tm：電機(jī)負(fù)載輸入端子，一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載；Tm0，為電動機(jī)；TmElectrical SourcesThree Phase SourceMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（2）三相變壓器：SimPower SystemsElementsThree Phase Transformer (Two windings)MATLABM

8、ATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（3）三相電壓、電流測量元件：SimPower SystemsMeasurementsThree Phase V-I MeasurementMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（4）異步電動機(jī)：SimPower SystemsMachinesAsynchronous Machine先將電機(jī)初始狀態(tài)各值設(shè)為0，或任意數(shù)值。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（5）電機(jī)測量信號分配模塊SimPower SystemsMechinesMachines Measurement DemuxMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（6）階躍模塊：SimulinkSourc

9、esStepMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（7）powergui模塊MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)2.仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置雙擊powergui模塊，打開潮流和電機(jī)初始化窗口。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)輸入仿真起始時，電機(jī)的機(jī)械功率對電機(jī)的初始狀態(tài)進(jìn)行初始化MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)初始化完畢之后的電機(jī)參數(shù)對話框MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)仿真時間、算法、步長設(shè)置MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)3.仿真結(jié)果仿真結(jié)果MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.3同步電機(jī)模型同步發(fā)電機(jī)原理：同步發(fā)電機(jī)原理：定子鐵芯上有齒和槽，槽

10、內(nèi)設(shè)置三相繞組；轉(zhuǎn)子上裝有勵磁繞組，當(dāng)原動機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動到額定轉(zhuǎn)速后，勵磁繞組中通入直流勵磁電流，此時在電機(jī)的氣隙中就會產(chǎn)生磁通。該磁通切割定子繞組，若定子繞組開路，定子繞組中無電流，發(fā)電機(jī)端電壓即為繞組中的感應(yīng)電動勢，稱為空載電動勢 。0EMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)n簡化同步電機(jī)模塊：簡化同步電機(jī)模塊：忽略電樞反應(yīng)電感、勵磁和阻尼繞組的漏感，僅由理想電壓源串連RL組成。其電氣連接和功能分別為：A、B、C：電機(jī)的定子電壓輸出/輸入端子，可直接連接三相電壓；Pm：施加在電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載功率，Pm0，發(fā)電機(jī)；PmMeasurementsF

11、ourier提取輸入信號中第n次分量的幅值和相位。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)（7）powergui模塊MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)2.參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率Pm：采用Constant模塊，參數(shù)可先設(shè)為任意數(shù)值。發(fā)電機(jī)內(nèi)部電動勢E：采用Constant模塊，參數(shù)可先設(shè)為任意數(shù)值。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)雙擊powergui模塊，打開潮流和電機(jī)初始化窗口。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)選擇PV發(fā)電機(jī)，可以設(shè)定電機(jī)端電壓和有功功率。更新潮流，Pm和E值，電機(jī)的初始狀態(tài)各值發(fā)生改變。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)MATLABM

12、ATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)3.仿真結(jié)果仿真結(jié)果MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析由仿真結(jié)果，發(fā)電機(jī)功角約為11.2度，發(fā)電機(jī)輸出電功率為1020MW，接近額定電功率。理論上，sin327418/315000*1.0*sin11.21.010.2eEUPxMATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)4.4電力變壓器模型MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)單相三繞組線性變壓器三相三繞組變壓器三相雙繞組變壓器多繞組變壓器三相耦合線圈飽和變壓器三個單相繞組變壓器所組成的模塊，所有端口可見移相變壓器MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)三相雙繞組變壓器模塊三相雙繞組變

13、壓器模塊MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置額定容量、額定頻率一次側(cè)線電壓有效值、電阻、漏感二次繞組參數(shù)二次側(cè)繞組的連接形式飽和鐵心磁阻勵磁電感MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)設(shè)置變壓器鐵心飽和之后參數(shù)設(shè)置對話框飽和特性參數(shù)設(shè)置磁滯復(fù)選框選之后，將打開磁滯特性對話框磁通初始化復(fù)選框MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)飽和變壓器鐵芯參數(shù)設(shè)置：n變壓器的飽和特性用分段線性化的磁化曲線表示。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)飽和變壓器鐵芯參數(shù)設(shè)置：n參數(shù)對話框中，從坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0）開始制定”電流磁通”特性曲線，即從原點(diǎn)開始制定飽和特性曲線上的每一個拐點(diǎn)的坐標(biāo)，

14、電流和磁通用“空格”或“,”隔開，每組拐點(diǎn)之間用“;”隔開。n磁化電流和磁通均使用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為： 其中V1為一次側(cè)額定相電壓有效值。n如圖所示的曲線，可以定義為0,0;0.2,0.8;0.8,1.5。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)測量參數(shù)下拉菜單：從SimPowerSystems庫的“Measurements”字庫中，選擇“Multimeter”模塊到模型文件窗口中，可以在仿真過程中對選中的測量變量進(jìn)行觀察。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)例例5.變壓器空載運(yùn)行仿真變壓器空載運(yùn)行仿真n一臺Y-D11連接的三相變壓器Pn=180kvA，U1N/U2N=10000/525，已

15、知R1=0.4?， R2=0.035?，X1=0.22?，X2=0.055? ，Rm=30?，Xm=310?，鐵芯飽和特性曲線如下圖，請用matlab仿真分析變壓器空載運(yùn)行時一次側(cè)的相電壓，主磁通和空載電流波形。鐵心飽和特性數(shù)據(jù)0,0;0.59737,1;1.5,1.2MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)1.理論分析理論分析空載時，由于變壓器鐵芯飽和，因此當(dāng)相電壓和主磁通為正弦波時，空載電流（勵磁電流）為尖頂波（含有三次諧波和一系列高次諧波）。但是，由于三相變壓器一次側(cè)采用Y形連接，3次諧波電流無法流通，高次諧波較小，可以忽略不計，所以一次側(cè)空載電流接近正弦波。當(dāng)勵磁電流為正弦波時，借助作

16、圖法可知，磁通為平頂波，除基波磁通外，還含有3次磁通，3次磁通在二次繞組中產(chǎn)生3次諧波電動勢，由于二次繞組為三角形連接，在三角形閉合回路中產(chǎn)生3次諧波環(huán)流，該環(huán)流將削弱主磁通中的3次諧波分量，因此主磁通也接近正弦波。MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)2.仿真模型仿真模型MATLABMATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)模塊名模塊名提取路徑提取路徑三相雙繞組變壓器SimPowerSystems/Elements三相交流電壓源SimPowerSystems/Elements中性點(diǎn)模塊node 10SimPowerSystems/Elements萬用表模塊MultimeterSimPowerSystems/Measurements信號分離模塊demuxSimulink/Signal Routing示波器scopeSimulink/Sinks