电机的数学模型与仿真分析

电机的数学模型与仿真分析华中科技大学电气与电子学院主讲人：李达义1、电气工程的仿真技术2、直流电机的数学模型与仿真分析3、电磁耦合系统4、异步电机的数学模型与仿真分析5、电机中常用的坐标系统6、同步电机的数学模型与仿真分析报告提纲1. 电气工程的仿真技术2. 直流电机的数学模型与仿真分析3. 电磁耦合系统4. 异步电机的数学模型与仿真分析5. 电机中常用的坐标系统6. 同步电机的数学模型与仿真分析1、电气工程的仿真技术1.1 电气工程仿真的特点1.2 Psim6.0仿真软件的使用1.3 MATLAB软件的使用1.4 电机及控制技术的最新发展1.1 电气工程仿真的特点1、 仿真的作用：模拟实际系统，进行最优设计，用来学习知识等。2、 仿真的过程：建模和实验，两种方法包括模拟仿真和数字仿真。时域分析的一般顺序和方法3、 仿真工具：主要有三种：一种是从通用的仿真软件发展而来，pspice， saber等，一种是从专用软件中发展而来，如 matlab， emtp； 另一种是电力电子的专门软件：如 simplis， MATLAB， Psim， Pspice，Saber， EMTP， SIMPLIS， SCAT， Simplorer。1.1 电气工程仿真的特点用于模拟电路仿真的 SPICE（ Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis） 软件于 1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用 FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。 SPICE的正式实用版 SPICE 2G在 1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。 1985年，加州大学伯克利分校用 C语言对 SPICE软件进行了改写， 1988年 SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以 SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在 SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使 SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模块，其中核心模块是 PSPICE A/D， 其余功能模块分别是： Capture（ 电路原理图设计模块）、 Stimulus Editor（ 激励信号编辑模块）、Model Editor（ 模型参数提取模块）、 PSPICE/Probe（ 模拟显示和分析模块）和 Optimizer（ 优化模块）。 4、 PSPICE语言的主要特点PSPICE则是由美国 Microsim公司在 SPICE 2G版本的基础上升级并用于 PC机上的 SPICE版本，其中采用自由格式语言的 5.0版本自 80年代以来在我国得到广泛应用，并且从 6.0版本开始引入图形界面。 1998年著名的 EDA商业软件开发商 ORCAD公司与 Microsim公司正式合并，自此 Microsim公司的 PSPICE产品正式并入 ORCAD公司的商业 EDA系统中。目前， ORCAD公司已正式推出了 ORCAD PSPICE Release 9.0， 与传统的 SPICE软件相比， PSPICE 9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数 /模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。虽然 PSPICE应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于 SPICE软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。 PSPICE采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电路而言，将造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有时甚至不收敛。另外，在磁性元件的模型方面 PSPICE也有待加强。 5、 Saber2004仿真软件的主要特点Saber 软件简介Saber软件主要用于外围电路的仿真模拟，包括 SaberSketch和 SaberDesigner两部分。 SaberSketch用于绘制电路图，而 SaberDesigner用于对电路仿真模拟，模拟结果可在 SaberScope和 DesignProbe中查看。 Saber的特点归纳有以下几条：1 集成度高：从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切换工作环境。2 完整的图形查看功能： Saber提供了 SaberScope和 DesignProbe来查看仿真结果，而 SaberScope功能更加强大。3 各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、 DC分析、 AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等。4模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计，并可对子电路和整体电路仿真模拟。5 模拟行为模型：对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及各部件参数漂移等，进行仿真模拟。1.2 Psim6.0仿真软件的使用1） Psim是一家加拿大的公司编写的专门适合于电力电子的仿真软件。采用特殊的算法保证实际系统的收敛性，现在我们看到的版本是 Psim6.0。这个版本可以在 XP下运行的。以前的版本不能在 XP下运行的。而且这个软件是一个绿色软件。里面有很多的帮助。2） psim的特点：软件小，算法单一，非线性问题有专门算法，属于电气工程的专门软件。3）通过一个简单的例子进行讲解。1.3 MATLAB软件的使用1） Matlab语言是由美国的 Clever Moler博士于 1980年开发的设计者的初衷是为解决 “线性代数 ”课程的矩阵运算问题取名 MATLAB即 Matrix Laboratory 矩阵实验室的意思。2）它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性 、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合。3） MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设计语言容易4、 MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和 C语言与汇编语言的关系一样计算机语言的发展数值运算 解析运算管理、可视化 智能化标志着计算机语言向 “智能化 ”方向发展，被称为第四代编程语言。5、 MATLAB已经不仅仅是一个 “矩阵实验室 ”了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的 Windows图形界面设计方法6、 MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言 , 它以超群的风格与性能风靡全世界 , 成功地应用于各工程学科的研究领域7、 MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一 (C, FORTRAN, ASSEMBLER, MATLAB)8、近年来， MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校9、 MATLAB语言不受计算机硬件的影响， 286以上的计算机都可以使用 。9、 Matlab的应用领域 工业研究与开发 数学教学，特别是线性代数 数值分析和科学计算方面的教学与研究 电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究1.4 电机及控制技术的最新发展1 新材料、新结构和专用调速型电机2 新型变流装置和变流技术3 新的控制策略4 无速度（位置）检测器的检测技术5 全数字化控制及集成化技术6 能量回馈的实现20世纪 60年代以前，调速系统是以直流机组为主，20世纪 60年代， 开始有晶闸管构成的直流 V-M系统。20世纪 70年代开始，研究交流调速系统。20世纪 80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。 l 交流电机控制系统仍在不断的发展和完善，目前主要的发展有如下一些动向：1 新材料、新结构和专用调速型电机2 新型变流装置和变流技术3 新的控制策略4 无速度（位置）检测器的检测技术5 全数字化控制及集成化技术6 能量回馈的实现l 电机控制系统的发展极为迅速：1. 电气工程的仿真技术2. 直流电机的数学模型与仿真分析3. 电磁耦合系统4. 异步电机的数学模型与仿真分析5. 电机中常用的坐标系统6. 同步电机的数学模型与仿真分析2、直流电机的数学模型与仿真分析2.1 直流电机的结构2.2 直流电机的励磁方式2.3 直流电机的磁场 2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电机的能量转化关系2.6 直流电机的基本方程 2.7 直流电机的数学模型2.8 直流电动机电气传动2.9 直流电动机的调速系统2.1 直流电机的结构1 风扇 2 机座 3 电枢4 主磁极 5 刷架 6 换向器 7 接线板 8出线盒 9 换向极 10 端盖 电枢铁心冲片 多边形机座示意图 主磁极 电机中的主极和换向极 2.1 直流电机的结构电枢绕组在槽中的绝缘情况 换向器 普通的电刷装置 直流电枢绕组元件2.1 直流电机的结构单叠绕组的展开图 2.1 直流电机的结构直流电机各种励磁方式的接线图 2.2 直