（电机与电器专业论文）不同拓扑结构晶闸管—感应电机系统变工况运行仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 用晶闸管对感应电机进行节能控制时电机工作状态将会发生改变，状态改变对 电机和控制系统本身产生一定影响。对晶闸管一感应电机系统进行仿真研究，可以 有效的对其过渡过程进行分析。 本文根据感应电 机和晶闸管的数学模型， 基于m a t l a b / s i m u l i n k ， 建立了一 种晶闸管一感应电机系统的仿真模型，研究开发了适合不同节能控制方式的通用仿 真程序， 可以 对不同拓扑结构下感应电机的起动、晶闸管控制断电、 重合闸、 调压、 / y变化等过渡过程进行仿真， 并通过实例对周期性变工况运行感应电机晶闸管控 制断续供电节能进行了仿真研究。本文工作不仅能对感应电机节能控制系统进行方 便地理论研究，同时能为控制装置的设计和控制策略的确定提供有价值的信息。 关键词: 感应电机，晶闸管，ma t l a b ，节能控制 t h e e n e r g y - s a v i n g c o n t r o l s t r a t e g y u s in g t h y r i s t o r s c a n c h a n g e t h e o p e r a t i o n s t a t e s o f t h e i n d u c t i o n m o t o r a n d e ff e c t i t . i t i s s i m p l e t o s t u d y t h e p r o c e s s o f t r a n s i t i o n u s i n g t h e s i m u l a t i o n o f t h y r i s t o r - i n d u c t i o n m o t o r s y s t e m . i n t h e p a p e r , t h e s i m u l a t i o n m o d e l o f t h y r i s t o r - i n d u c t i o n m o t o r s y s t e m h a s b e e n f o u n d b a s e d o n t h e ma t h e ma t i c s mo d e l s o f t h e m. t h e s o ft wa r e ma t l a b / s i ml j l m i s u s e d . t h e p r o g r a m i s a p p l i c a b l e t o r e s e a r c h o n e n e r g y - s a v i n g c o n t r o l s t r a t e g i e s o f m o t o r . t h e s t a r t in g p r o c e s s o f t h e m a c h i n e a n d t h e p r o c e s s o f p o w e r o 氏r e - c l o s i n g , v o lt a g e m o d u l a t i o n , d e l t a a n d s t a r c o n n e c t i o n c h a n g i n g , r e a l i z e d b y c o n t r o l l i n g t h y r i s t o r u n d e r d i f f e r e n t t o p o l o g y c a n b e s i m u l a t e d u s i n g t h e m o d e l . a c c o r d i n g t o t h e m o d e l , t h e e n e r g y - s a v in g c o n t r o l s t r a t e g y b y t h y r i s t o r s w i t h t h e m o t o r c a r r y i n g s p e c i a l l o a d h a s b e e n s t u d i e d a n d s e r v e d a t y p i c a l e x a m p l e . t h e r e s e a r c h p r o v i d e s t h e o r e t i c s d i r e c t i o n f o r p r a c t i c e s p r o d u c t i o n a n d t e s t i f i e s t h e s i m u l a t i o n mo d e l i s a v a i l a b l e l i x i u y u n ( e l e c t r i c a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u x i a o f a n g k e y wo r d s : i n d u c t i o n mo t o r , t h y r i s t o r s ,e n e r g y - s a v ing y 7 1 3 2 7 0 二 上 二口口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 不同拓扑结构晶i7 管一感应电机系统 变工况运行仿真研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的 研 究 工 作 和 取 释 的 研 究 成 果 据 本 人 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 之 处 外 ， 论 文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 4 in 文 作 者 签 名 : 连日期 : 1 4 3 关于学位论文使用授权的说明 木人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 c 6% 密的 学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 妹 云导 师签名: 4 -10 日期 : ) lo o 碑弓 月 期:之 。 华北电力大学硕十学位论文 第一章 绪论 1 . 1感应电机动态仿真研究现状 感应电机，又称异步电机，在工业中具有广泛的应用。感应电动机，作为将电 能转换成机械能的一种装t，以其结构简单，制造方便，重量较轻，价格便宜，坚 固耐用，运行可靠，效率高等优点，在各个领域中应用普遍。据统计，电动机消耗 的电能约占全国总用电量的6 0 % 到7 0 % m 1z 1 。因此，了解和掌握电机在稳态和瞬态情 况下的运行性能十分重要。 1 . 1 . 1 感应电 机过渡过程的研究 多年来，感应电机稳态运行或暂态过程 ( 如起动、制动、负荷突然变更、电压 改变、 供电频率改变、 电源切换及短路) 的研究一直受到国内外研究工作者的重视。 在电机过渡过程的研究分析方法方面，基本上己经达到标准化，这种研究方法的核 心就是坐标变换和运算阻抗概念的应用19 。当转子以 一定速度旋转时，交流电机定 转子绕组间的互感呈周期性变化， 所以通过坐标变换， 可以建立电机常系数微分方程 方便求解:而运算阻抗概念的应用，使多个绕组藕合电路分析大大简化，为参数的 意义及实验测定提供了清晰的物理基础，在此基础上的参数定义以及实验测定方法 亦得到公认。 文献 1 0 一 1 4 1 等对此进行了详细的理论推导和说明。 1 . 1 . 2基于m a 丁 l a 日 的感应电机仿真研究 计算机仿真技术是应用计算机对所研究对象的数学模型进行计算和分析的方 法，是现代工程设计、产品研究开发的新型手段，具有巨 大的优越性。目 前国内外 对感应电机过渡过程的研究、 分析己 广泛采用了 这项技术。 传统的计算机编程语言， 如f o r t r a n , c语言等在处理电机过渡过程问题时，大量的时间和精力都花在矩阵的 处理方面，如矩阵的输入、求逆和图形的生成分析等繁琐易错的细节，这些本不是 电 机研究者所真正关心的， 但却分散了研究者的注意力。 m a t l a b被誉为第四代计 算机语言，它是以矩阵计算为基础的科学计算语言，在矩阵处理和图形处理方面等 具有得天独厚的优势。特别是在 m a t l a b 5 .2版本以后，m a t l a b中的电力模块 ( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t p s b ) 具有已 经封 装好的电 机模型， 对感应电 机的 仿 真运 算非常方便。 而且随着版本的不断更新， ma t l a b的功能不断完善， 其功能齐备的 应用工具箱、 良 好的 用户界面、 便捷的模块化动态仿真环境， 使m a t l a b / s i m u l i n k 成为国际上最为流行的科学计算以及系统仿真领域的系统软件工具。 1 华北电力大学硕十学位论文 第一章 绪论 1 . 1感应电机动态仿真研究现状 感应电机，又称异步电机，在工业中具有广泛的应用。感应电动机，作为将电 能转换成机械能的一种装t，以其结构简单，制造方便，重量较轻，价格便宜，坚 固耐用，运行可靠，效率高等优点，在各个领域中应用普遍。据统计，电动机消耗 的电能约占全国总用电量的6 0 % 到7 0 % m 1z 1 。因此，了解和掌握电机在稳态和瞬态情 况下的运行性能十分重要。 1 . 1 . 1 感应电 机过渡过程的研究 多年来，感应电机稳态运行或暂态过程 ( 如起动、制动、负荷突然变更、电压 改变、 供电频率改变、 电源切换及短路) 的研究一直受到国内外研究工作者的重视。 在电机过渡过程的研究分析方法方面，基本上己经达到标准化，这种研究方法的核 心就是坐标变换和运算阻抗概念的应用19 。当转子以 一定速度旋转时，交流电机定 转子绕组间的互感呈周期性变化， 所以通过坐标变换， 可以建立电机常系数微分方程 方便求解:而运算阻抗概念的应用，使多个绕组藕合电路分析大大简化，为参数的 意义及实验测定提供了清晰的物理基础，在此基础上的参数定义以及实验测定方法 亦得到公认。 文献 1 0 一 1 4 1 等对此进行了详细的理论推导和说明。 1 . 1 . 2基于m a 丁 l a 日 的感应电机仿真研究 计算机仿真技术是应用计算机对所研究对象的数学模型进行计算和分析的方 法，是现代工程设计、产品研究开发的新型手段，具有巨 大的优越性。目 前国内外 对感应电机过渡过程的研究、 分析己 广泛采用了 这项技术。 传统的计算机编程语言， 如f o r t r a n , c语言等在处理电机过渡过程问题时，大量的时间和精力都花在矩阵的 处理方面，如矩阵的输入、求逆和图形的生成分析等繁琐易错的细节，这些本不是 电 机研究者所真正关心的， 但却分散了研究者的注意力。 m a t l a b被誉为第四代计 算机语言，它是以矩阵计算为基础的科学计算语言，在矩阵处理和图形处理方面等 具有得天独厚的优势。特别是在 m a t l a b 5 .2版本以后，m a t l a b中的电力模块 ( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t p s b ) 具有已 经封 装好的电 机模型， 对感应电 机的 仿 真运 算非常方便。 而且随着版本的不断更新， ma t l a b的功能不断完善， 其功能齐备的 应用工具箱、 良 好的 用户界面、 便捷的模块化动态仿真环境， 使m a t l a b / s i m u l i n k 成为国际上最为流行的科学计算以及系统仿真领域的系统软件工具。 1 华北电力大学硕士学位论文 ma t l a b之所以受到人们的广泛应用， 除了具有强大的科学计算功能和丰富的 图形功能之外，还具有一些其它软件无法比 拟的功能和优点日 5 ! : i ) 具有a p i 应用程序接口，能够保证ma t l a b便捷地和其它强大的计算机软 件相结合。 2 )具有较高的计算精度，通常数值计算精度能够达到 t o - 数量级，能够满足 科学计算和工程计算的要求。 3 )基本的计算单位是矩阵，操作数组像操作数一样的方便，使用户易读易写。 4 )具有源程序的开放性和功能齐备的软件包，编写程序时，只需调用相应的 工具箱中的函数就可以了，节省了编写复杂的应用程序所花费的时间。 5 )具有世界流水平的数学函数库。 6 )完全基于h t ml的帮助系统。 7 )语言简洁紧凑，程序设计流程灵活，易学易用，扩充能力强。 另外，ma t l a b还有一个显著的特点，它还提供了系统动态仿真工具箱一一 s i mu l i n k . s i mu l i n k使得 ma t l a b的功能得到了进一步的扩展。s i mu l i n k 由 模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成，是一个模块化的系统动态仿真 环境。 用户用s i m u l i n k 对系统进行建模、 仿真和分析时如同堆积木一样简单方 便， 只需要在模型窗口中单击或是拖动鼠标即可。 s i m u l i n k不能脱离ma t l a b 而独立运行， 但是它借助m a t l a b在科学计算上得天独厚的优势以及可视化的仿 真模型窗口，弥补了传统仿真软件工具的不足。 感应电机数学模型中的电压方程，磁链方程都是复杂的矩阵方程，而 ma t l a b对于求解矩阵方程具有很大的优势， 所以很多研究工作者选用ma t l a b 作为感应电机运行的动态仿真工具。 目前用ma t l a b对感应电机所做的仿真工作已经很多，这些用ma t l a b对 感应电 机仿真建 模大体可以 分成 三种形式 p -z o i . 1 ) 根据感应电机的数学模型列写状态方程， 利用感应电机状态方程， 编写m 文件，调用算法进行求解，获得感应电机的运行特性曲线，对电机进行仿真。 2 ) 直接利用m a t l a b 模块库中的电 力系统模块库( p s b ) 中的电 机模型对感应 电机进行仿真。 p s b中的电机模型是己经封装过的电机模型，使用时只要将其托 拽到指定的位置，然后对电机模型中的参数值进行修改，就可以得到需要仿真的 电机模型。 3 ) 用m a t a l b / s i mu l i n k工具箱，根据电机的数学模型，应用其中的信号 源，数学运算器件等搭建感应电 机的仿真模型。如此建立的感应电 机的数学模型 较第一种方法建立的模型具有更好的图形界面，更改电机参数也更容易。较第二 种方法虽然有些麻烦，但却可以根据研究者的需要设定输出量，获得需用信息， 所以更多的人选用这种方法建立感应电机的仿真模型，对电 机各种运行状态进行 2 华北电力大学硕士学位论文 动态仿真计算。 1 . 2 晶闸管一感应电机系统仿真研究的必要性 随着科学技术的发展，大功率电力电子器件已经越来越多地应用于电力领域， 其中，采用晶闸管对感应电机进行控制实现节能，己经应用到实际的生产当中。文 献 4 卜 8 对晶闸管控制电机的节能方式进行了介绍，感应电机的运行状态随晶闸 管节能1制策略的变化而改变。 感应电机带周期性变化负载运行，当负载力矩出现正负变化，电机运行工况可 能在电动和发电两种不同的状态之间改变;晶闸管控制感应电机时，调节晶闸管开 关的控制信号，三相晶闸管在不同时刻导通与关断，使电机出现单相、定子绕组两 相、三相对称运行的不同运行状态。虽然晶闸管属于无触点开关，但是感应电机在 突然断电和在转速不为零的情况下突然接通电 源时，晶闸管控制策略如果不合理， 电机将会产生非常高的过电流，不仅会危害控制电路，造成电路元件的烧毁，而且 更有甚者，电机长时间的这样投切，造成过电流频繁冲击，会导致电机严重损坏， 甚至烧毁电机，严重影响电机安全。因此，对晶闸管开关控制感应电机变工况运行仿 真研究尤为必要。 1 . 3论文的主要工作介绍 1 . 3 . 1论文主要研究内容 本文的主要工作是研究分析感应电 机和晶闸管的数学模型，以m a t l a b 6 . 1 为运 行环境，利用 s i m u l 工 n k工具箱建立合理的晶闸管一感应电机系统的仿真模型，使 其成为一种通用的仿真程序，可以对不同拓扑结构下感应电机起动，不对称故障运 行， 带周期性变化负载时电动、 发电变换工况运行， 用晶间管控制电机/ 0 c 断电) ， 0 / y 变换，以及用晶闸管调压造成的电机状态连续改变等各种运行过程进行仿真， 为实际生产中电机的晶闸管控制节能研究提供有利的仿真工具。所做主要工作内容 如下: 1 .在查阅大量文献的基础上，分析研究了感应电机在不同坐标系下的数学模 型，建立了感应电机在 s i m u l 工 n k下的仿真模型。用考虑转子集肤效应和主磁路饱 和的电机仿真模型与电机的线性模型对电机的起动过程进行了仿真研究，对仿真结 果进行了分析，比较。 2 .分析了晶闸管的开关特性，根据拓扑结构改变的需要，完善了反并联晶闸 管的非理想开关模型，对不同的晶闸管开关控制策略编写不同的s函数，通过s 函 数实现了反映实际硬件电路中触发控制策略的晶闸管触发控制方案。 华北电力大学硕士学位论文 动态仿真计算。 1 . 2 晶闸管一感应电机系统仿真研究的必要性 随着科学技术的发展，大功率电力电子器件已经越来越多地应用于电力领域， 其中，采用晶闸管对感应电机进行控制实现节能，己经应用到实际的生产当中。文 献 4 卜 8 对晶闸管控制电机的节能方式进行了介绍，感应电机的运行状态随晶闸 管节能1制策略的变化而改变。 感应电机带周期性变化负载运行，当负载力矩出现正负变化，电机运行工况可 能在电动和发电两种不同的状态之间改变;晶闸管控制感应电机时，调节晶闸管开 关的控制信号，三相晶闸管在不同时刻导通与关断，使电机出现单相、定子绕组两 相、三相对称运行的不同运行状态。虽然晶闸管属于无触点开关，但是感应电机在 突然断电和在转速不为零的情况下突然接通电 源时，晶闸管控制策略如果不合理， 电机将会产生非常高的过电流，不仅会危害控制电路，造成电路元件的烧毁，而且 更有甚者，电机长时间的这样投切，造成过电流频繁冲击，会导致电机严重损坏， 甚至烧毁电机，严重影响电机安全。因此，对晶闸管开关控制感应电机变工况运行仿 真研究尤为必要。 1 . 3论文的主要工作介绍 1 . 3 . 1论文主要研究内容 本文的主要工作是研究分析感应电 机和晶闸管的数学模型，以m a t l a b 6 . 1 为运 行环境，利用 s i m u l 工 n k工具箱建立合理的晶闸管一感应电机系统的仿真模型，使 其成为一种通用的仿真程序，可以对不同拓扑结构下感应电机起动，不对称故障运 行， 带周期性变化负载时电动、 发电变换工况运行， 用晶间管控制电机/ 0 c 断电) ， 0 / y 变换，以及用晶闸管调压造成的电机状态连续改变等各种运行过程进行仿真， 为实际生产中电机的晶闸管控制节能研究提供有利的仿真工具。所做主要工作内容 如下: 1 .在查阅大量文献的基础上，分析研究了感应电机在不同坐标系下的数学模 型，建立了感应电机在 s i m u l 工 n k下的仿真模型。用考虑转子集肤效应和主磁路饱 和的电机仿真模型与电机的线性模型对电机的起动过程进行了仿真研究，对仿真结 果进行了分析，比较。 2 .分析了晶闸管的开关特性，根据拓扑结构改变的需要，完善了反并联晶闸 管的非理想开关模型，对不同的晶闸管开关控制策略编写不同的s函数，通过s 函 数实现了反映实际硬件电路中触发控制策略的晶闸管触发控制方案。 华北电力大学硕士学位论文 动态仿真计算。 1 . 2 晶闸管一感应电机系统仿真研究的必要性 随着科学技术的发展，大功率电力电子器件已经越来越多地应用于电力领域， 其中，采用晶闸管对感应电机进行控制实现节能，己经应用到实际的生产当中。文 献 4 卜 8 对晶闸管控制电机的节能方式进行了介绍，感应电机的运行状态随晶闸 管节能1制策略的变化而改变。 感应电机带周期性变化负载运行，当负载力矩出现正负变化，电机运行工况可 能在电动和发电两种不同的状态之间改变;晶闸管控制感应电机时，调节晶闸管开 关的控制信号，三相晶闸管在不同时刻导通与关断，使电机出现单相、定子绕组两 相、三相对称运行的不同运行状态。虽然晶闸管属于无触点开关，但是感应电机在 突然断电和在转速不为零的情况下突然接通电 源时，晶闸管控制策略如果不合理， 电机将会产生非常高的过电流，不仅会危害控制电路，造成电路元件的烧毁，而且 更有甚者，电机长时间的这样投切，造成过电流频繁冲击，会导致电机严重损坏， 甚至烧毁电机，严重影响电机安全。因此，对晶闸管开关控制感应电机变工况运行仿 真研究尤为必要。 1 . 3论文的主要工作介绍 1 . 3 . 1论文主要研究内容 本文的主要工作是研究分析感应电 机和晶闸管的数学模型，以m a t l a b 6 . 1 为运 行环境，利用 s i m u l 工 n k工具箱建立合理的晶闸管一感应电机系统的仿真模型，使 其成为一种通用的仿真程序，可以对不同拓扑结构下感应电机起动，不对称故障运 行， 带周期性变化负载时电动、 发电变换工况运行， 用晶间管控制电机/ 0 c 断电) ， 0 / y 变换，以及用晶闸管调压造成的电机状态连续改变等各种运行过程进行仿真， 为实际生产中电机的晶闸管控制节能研究提供有利的仿真工具。所做主要工作内容 如下: 1 .在查阅大量文献的基础上，分析研究了感应电机在不同坐标系下的数学模 型，建立了感应电机在 s i m u l 工 n k下的仿真模型。用考虑转子集肤效应和主磁路饱 和的电机仿真模型与电机的线性模型对电机的起动过程进行了仿真研究，对仿真结 果进行了分析，比较。 2 .分析了晶闸管的开关特性，根据拓扑结构改变的需要，完善了反并联晶闸 管的非理想开关模型，对不同的晶闸管开关控制策略编写不同的s函数，通过s 函 数实现了反映实际硬件电路中触发控制策略的晶闸管触发控制方案。 华北电力大学硕士学位论文 3 .基于先前对电机绕组角接，晶闸管内接情况下晶iq 管控制感应电机过渡过 程的仿真研究，建立了不同拓扑结构的晶闸管一感应电机系统的仿真模型，对电机 绕组角接、星接，晶闸管的内接、外接等各种不同拓扑连接方式下的电机运行以及 电机断线，断相不对称运行，电机连接方式的/ y 变换等各种运行过程进行了仿真 研究，并通过实验与稳态数值分析的方法对仿真结果进行了验证。 4 .根据感应电机负载力矩的周期性变化，对感应电动、发电运行状态改变的 连续过程进行了仿真研究，分析了感应电机电动与发电状态下各电量的变化关系。 5 应用建立的晶irqt j 管一感应电机系统仿真程序， i 对感应电机带抽油机负载 时晶闸管断续供电控制策略进行了仿真研究。 根据现场大量的实测负载特性曲线，通过拟和的方式搭建了抽油机电机的负载 力矩仿真模型，研究了感应电机带周期性变化负荷时的转速和工况变化情况;对电 机转速、电压相角、负载状况等因素对重合闸时冲击电流大小的影响，以及晶闸管 控制下的调压软投入的控制角的影响进行了仿真分析，提出了应用于晶闸管控制断 续供电节能的控制策略。 1 . 3 . 2论文工作的必要性 利用计算机软件，建立晶n j 管一感应电机系统仿真模型，使研究工作者可以根 据需要对感应电机在晶闸管控制下的运行进行仿真，获得有用信息，可以更方便的 了解晶闸管控制感应电机的过渡过程，对实践进行指导，减小实际实验操作中不必 要的浪费。 电力模块 ( p s b )中具有已经封装好的电机模型和晶闸管模型，利用此模型可 以建立晶闸管控制感应电机系统的仿真模型，但是这样建立的模型存在一些不易解 决的问题。 1 .晶闸管控制电机绕组开断 晶闸管控制感应电机时，绕组连接方式不同，晶闸管位置不同可以具有多种不 同拓扑结构，以下是常见的几种拓扑结构: 人 .刀 .c . scat i t scr2 scb3一 : sch1 iba t h . ichi sce. ( a ) 角外接( b ) 角内接 华北电力大学硕士学位论文 3 .基于先前对电机绕组角接，晶闸管内接情况下晶iq 管控制感应电机过渡过 程的仿真研究，建立了不同拓扑结构的晶闸管一感应电机系统的仿真模型，对电机 绕组角接、星接，晶闸管的内接、外接等各种不同拓扑连接方式下的电机运行以及 电机断线，断相不对称运行，电机连接方式的/ y 变换等各种运行过程进行了仿真 研究，并通过实验与稳态数值分析的方法对仿真结果进行了验证。 4 .根据感应电机负载力矩的周期性变化，对感应电动、发电运行状态改变的 连续过程进行了仿真研究，分析了感应电机电动与发电状态下各电量的变化关系。 5 应用建立的晶irqt j 管一感应电机系统仿真程序， i 对感应电机带抽油机负载 时晶闸管断续供电控制策略进行了仿真研究。 根据现场大量的实测负载特性曲线，通过拟和的方式搭建了抽油机电机的负载 力矩仿真模型，研究了感应电机带周期性变化负荷时的转速和工况变化情况;对电 机转速、电压相角、负载状况等因素对重合闸时冲击电流大小的影响，以及晶闸管 控制下的调压软投入的控制角的影响进行了仿真分析，提出了应用于晶闸管控制断 续供电节能的控制策略。 1 . 3 . 2论文工作的必要性 利用计算机软件，建立晶n j 管一感应电机系统仿真模型，使研究工作者可以根 据需要对感应电机在晶闸管控制下的运行进行仿真，获得有用信息，可以更方便的 了解晶闸管控制感应电机的过渡过程，对实践进行指导，减小实际实验操作中不必 要的浪费。 电力模块 ( p s b )中具有已经封装好的电机模型和晶闸管模型，利用此模型可 以建立晶闸管控制感应电机系统的仿真模型，但是这样建立的模型存在一些不易解 决的问题。 1 .晶闸管控制电机绕组开断 晶闸管控制感应电机时，绕组连接方式不同，晶闸管位置不同可以具有多种不 同拓扑结构，以下是常见的几种拓扑结构: 人 .刀 .c . scat i t scr2 scb3一 : sch1 iba t h . ichi sce. ( a ) 角外接( b ) 角内接 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 星外接 图 1 - i晶闸管一感应电机系统不同拓扑结构图 电力模块中的感应电 机模型是已 经封装好的模型，对于笼形电 机只有定子电压 三个输入端， 晶闸管只能接到电 源线上， 控制外电 源的开断， 如果要实现如图1 - 1 ( b ) 中对绕组的控制需要改变电力模块中电机的内部结构， 一 分不方便。 2 .拓扑结构的转换 晶闸管对电机节能控制时，当电机绕组角接且负载率较低时可以采用星型接法 实现节能。电力模块中的电机绕组星接、角接的不同是通过电源连接方式的不同实 现的， 且只能实现角外接形式， 不具有对绕组的控制， 对电机绕组连接的 / y切换， 在连续的仿真中实现起来很不方便。 3 .绕组两端并联电容 电机节能控制时常采用补偿电容的方法，当电机a n变化时， 所需的电容补偿 容量也发生改变，将电容器并联于绕组两端，可以根据绕组连接方式的改变自然切 换补偿电容的连接方式， 自 动调节补偿容量， 这种电机绕组两端加补偿电容的情况， 电力模块中的电机模型也是不易实现的。 由于上述情况是晶闸管控制感应电机节能时的常用方法，电力模块中的电机模 型不易实现， 所以 本文根据晶闸管、电 机数学模型， 用s i m u l i n k工具箱搭建了晶 闸管一感应电机系统的仿真模型，使其可以实现不同拓扑结构，a n 切换等情况的 仿真。 以往对电机系统的仿真，一般都是根据研究电机某一特性需要，针对某一运行 过程进行仿真， 对电机一系列工况变化的连续仿真很少， 尤其是用 s i mu l i n k根据 电机方程搭建和用m文件根据状态方程编写仿真模型时。 这是因为电机的不同状态 对应于方程中不同的约束条件，运行状态改变时，约束条件改变，电机的仿真模型 需要从新搭建，对于连续工况的仿真不易实现。晶闸管控制电机时，晶闸管通断时 刻不同会使电 机运行在单相，两相不对称或三相对称情况下，运行状态不断改变， 另外感应电 机带周期性变化负载时工况也会发生改变， 所以利用s i m u l i n k工具箱 建立感晶闸管一应电 机系统仿真模型，使其可以对晶闸管控制感应电机的连续变工 况运行状态进行仿真十分必要。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 3 . 3所涉及的主要问题及解决途径 1 .电机在不同运行状态下模型转换 由于感应电机的节能要求采用了晶闸管控制，使得电机的工作状态连续的发生 变化，晶闸管的各相通断控制，使感应电机的运行状态在单相运行，两相运行和三 相对称运行之间连续发生变化。不同运行状态下电机运行的差异，以及模型之间的 转换是仿真要解决的问题。 通过不同状态下的感应电 机电压电流的约束条件建立起多个电机仿真模型，并 根据一定的控制策略下状态改变使仿真模型不断切换，实现不同过渡过程的仿真， 在切换过程中会出现过渡冲击问题。所以本文结合晶闸管控制建立了开关的模型， 使电机状态转变通过开关的开断自然过渡完成。 2 .晶闸管触发控制的问题 晶闸管模型的建立是仿真工作的一个重点， 晶闸管的模型中包括晶闸管的触发 控制部分。 晶闸管的通断要考虑三个因素1b 1 晶闸管两端的电压 u t ;门极触发脉冲 1 g ; 流 经晶 闸 管的电 流i o . 对于两个反并联的晶闸管来说，电压的正负半波都会有一个晶闸管导通，另一 个晶闸管截止。所以当门极加触发信号，反并联晶闸管导通，直至i o q ，晶闸管关 断。在仿真模块里，如果单独用判断语句来实现这样的控制功能非常困难，本文结 合s i m u l i n k 中的扩展工具s 函数， 在仿真过程中， 通过s 函数来调用程序， 实现了 这一控制，反映了晶闸管的基本控制特点。 3 .代数环的问题 在对晶闸管一感应电机系统的仿真计算中，需要求解高阶微分方程，不可避免 地要出现代数环。所谓代数环是指模块的输入量直接或者间接依赖于本模块的输出 量。如图所示为一个简单的代数环构成。 此代数环的回路仅由一个求和模块构成， 其中模块的输出状态z同时作为模块 的输入。不难看出此代数环可以用如下的数学表达式来描述: z= u- z 显然，此系统模块的输出状态为 z = u / 2 。但是对于本文所研究系统的代数环而 言，组成代数环的所有模块都要求在同一时刻计算输出。这与系统仿真的顺序概念 相反，因此，要采用特殊的方法对系统方程进行求解。本文利用 s i mu l i n k 中的 华北电力大学硕士学位论文 me mo r y模块对代数环采取切断的方法来解决仿真系统代数环的求解问题。但是 需要注意的是，使用 me mo r 、模块切断代数环之后，改变了系统的动态特性，可 能导致系统的不稳定，从而使状态值的求解发散。 华北 电力大学硕士学位论文 第二章 感应电机与晶iel 管的数学模型及相关理论 2 . 飞感应电 机的数学模型 感应电机由分别设在定、转子上一些具有电磁祸合关系的绕组所组成， 借助电磁感应作用把能量从定子传递到转子，用数学关系式描述电机的能量 传递特性就形成了电机的数学模型。 2 . 1 . 1感应电 机在a b c 坐标下线性数学模型 在分析感应电机的运行方式时，一般都做一些必要与可行的假定。具体 如 下 19 1 . ( 1 ) 忽略电机的铁损，忽略掉电 机铁磁材料饱和、磁滞和涡流等影响。 铁磁材料和导线中的集肤效应也不予考虑; ( 2 )定子的三个绕组在空间的位置恰好彼此相差 1 2 0 0 ，而且三个绕组在 结构上完全一样;同时它们在气隙中均产生正弦形分布的磁场; ( 3 ) 转子为圆柱形，即其气隙为均匀的。定子和转子的齿槽和通风沟等 均不影响气隙磁场的分布，即认为电机定子和转子均具有光滑的表面; ( 4 ) 转子绕组为对称的多相绕组，即转子各相绕组均相同，而且每两个 相邻绕组在空间相差的角度均相等，转子每相绕组在气隙中均产生正弦分布 的磁势。 按照上面的一般惯例假定，取各相绕组轴线如下图所示 1 4 1 图2 - 1感应电机轴线与正方向的规定 线圈轴线的正向即为该线圈磁场轴线的正方向，电流和电压的正方向的 规定方法如图2 - 1 所示:产生正向磁链的电流方向为电流的正方向;回路两 端电压的正方向与电流的方向如图所示，即符合电动机惯例;电压、电流、 华北 电力大学硕士学位论文 第二章 感应电机与晶iel 管的数学模型及相关理论 2 . 飞感应电 机的数学模型 感应电机由分别设在定、转子上一些具有电磁祸合关系的绕组所组成， 借助电磁感应作用把能量从定子传递到转子，用数学关系式描述电机的能量 传递特性就形成了电机的数学模型。 2 . 1 . 1感应电 机在a b c 坐标下线性数学模型 在分析感应电机的运行方式时，一般都做一些必要与可行的假定。具体 如 下 19 1 . ( 1 ) 忽略电机的铁损，忽略掉电 机铁磁材料饱和、磁滞和涡流等影响。 铁磁材料和导线中的集肤效应也不予考虑; ( 2 )定子的三个绕组在空间的位置恰好彼此相差 1 2 0 0 ，而且三个绕组在 结构上完全一样;同时它们在气隙中均产生正弦形分布的磁场; ( 3 ) 转子为圆柱形，即其气隙为均匀的。定子和转子的齿槽和通风沟等 均不影响气隙磁场的分布，即认为电机定子和转子均具有光滑的表面; ( 4 ) 转子绕组为对称的多相绕组，即转子各相绕组均相同，而且每两个 相邻绕组在空间相差的角度均相等，转子每相绕组在气隙中均产生正弦分布 的磁势。 按照上面的一般惯例假定，取各相绕组轴线如下图所示 1 4 1 图2 - 1感应电机轴线与正方向的规定 线圈轴线的正向即为该线圈磁场轴线的正方向，电流和电压的正方向的 规定方法如图2 - 1 所示:产生正向磁链的电流方向为电流的正方向;回路两 端电压的正方向与电流的方向如图所示，即符合电动机惯例;电压、电流、 华北电力大学硕十学位论文 磁链的止方向符合右螺旋法则。 转子中六个绕组的磁链方程可以表达为: ( 2 - 1 ) lesl十!esesleseseses- ，翻-幼.ic，而t那人 广lesesesesee.1，.iesesll 又 门leseseseses.一llj mrtc呱mccmac硫l.c 嘛嘛mcnman玩腼 嘛嘛mcolaam 。 一 告 : 、 几 十 吞 八 m - 0乌 l , c o s ( 0 一 1 2 0 ) ! c , - s ( 0 + 1 2 0 ) l , l _ + l ,. , ws ( 0 + 1 2 0 0 l , l, c o s 0 l , . c o s ( 0 一 1 2 0 ) 一 告 l n 乌 : 十 l , 一 告 l ,m c o s ( 0 - 1 2 d ) c o s ( 0 + 1 2 0 ) ( 2 - 2) |lleseseseseslesesesj 翻扭记1而肠ic 一!11es 只 如书 l ,m c o s 0 l , -( 0 一 1 2 0 ) l, ws ( 0 + ) 2 0 ) l , c o s ( 0 + 1 2 0 ) l ,m c o s 0 1 , m w s ( 0 一 1 2 0 ) l , c o s ( 0 一 1 2 0 ) l , m c o s ( 0 + 1 2 d )石 m c o s 0 一一 热叽娇叽叽叭 式中转子各量已经折算到定子侧， 并将折算后的电流、 磁链、 漏感都省 去了 “ ” ， ，在以后的电压方程里电阻和电压也都省去了 “ ”符号。 电压方程为: 0 0 0 0 0 0 ( 2 - 3 ) 钾尹笋尹尹少 p + 卜防阵廿防比尸巨 x 00000八 000月。 0月。 州000 八0000 其中p 为微分算子p = d / d t , r l 为定子电阻， r 2 为转子电阻。 电机中的磁场储能wm 等于电机中的全部n个载流回路在电流从零开始 建立磁场的过程中由外电源注入系统的净能 ( 扣除电阻损耗后的净能) 。根 据能量守恒原理， 在感应电 机运行时，电源送入的净电能d w 。 应等于电 机磁 场能量的增量d w, 与输出的机械功d wm e c h 之和， 根据文献 1 4 可得感应电机 的电磁转矩为: t“ - p l , . ( ia i o + i e ib + ii i, ) s i n g + ( ia id + ib i, + i c i a ) s i n ( 0 + 1 2 0 ) + ( a , + i b ia + ic ib ) s i n ( 0 一 1 2 0 ) 在一般情况下，电机的转矩平衡方程式是: ( 2 - 4 ) t ， = t 。 一 j 鸟 一 d d 8 d t d t ( 2 - 5 ) 式中p 一一电机极对数 t l 一负载阻力矩 j一一电动机的转动惯量 d 一一与转速成正比的摩擦及风阻阻力矩系数 氏一 一转子机 械角 速度， b.= 6 / p d b二 上 d b d t p d t d b，、 ，二二 二二 _ 。 _ 二 、二一、 ， . . 一 二 一=m , t 。r w 士爬 1 r tf j t . 气用迷度 ) ，脚: at ti = t 。 一 j d c o , p d t ( 2 - 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 以上的磁链方程、 电压方程、 转矩方程组成了感应电机的基本方程式。 通过这些方程式就可以描述感应电机。在上述微分方程巾包含了周期性变 化的系数，这是由于转子绕组和定子绕组之间有相对运动。所以对 a b c 坐标系统中感应电动机的基本方程式的求解十分困难，通常采用坐标变换 对方程来加以改造。 2 . 1 . 2感应电机在 a 0 0 坐标下基本方程 感应电机在 a b c坐标系统下的数学模型是一个高阶、非线性、强祸合 的多变量系统。在只考虑气隙基波磁场情况下，通过坐标变换的方法，可以 用新坐标下的量，替代 a b c坐标下的变量，可使定子绕组的自感系数、互 感系数由时变系数变为常系数。 常用的坐标变换有恒相幅值变换和恒功率变换。恒相幅值变换是指对 称稳态运行时，原变量的 相幅值与新变量的相幅值相等。恒功率变换是指 变换前后的瞬时输入的总功率相等， 恒功率变换近年来得到了广泛的应用。 坐标系统的选择一般以便于分析， 使方程简便， 或使结果较为准确为宜。 一般来说，假如定子和转子某一方的电路和磁路是对称，而另一方是不对称 时，则较合适的方法是选用将坐标轴放在不对称的那一方的坐标系统。当感 应电机定、转子均对称时，分析时不仅可以将坐标系统选在转子上，也可以 选在定子上。 本文研究感应电机在晶闸管控制下实现/ 0切换，0/ y切换，及断电 后重新投入电源等过渡过程， 在这些过渡过程中， 电机转子绕组一直保持对 称状态， 转速不断发生改变，电机定子绕组会出现不对称运行状态 ( 定子绕 组一相或两相断开) ， 因此本文选用坐标轴选在定子绕组上且静止不动的a . 卜 。 坐 标系 统下的电 机数学 模型建立 仿真 模型。 p a l a , p 、 。 坐标系统是以 定子绕组a相轴线为a 轴， r 轴超前a 轴9 0 0 , 如图2 - 2 所示， 坐标轴固定于定子上静止不动， 所以a , 0 , 。 坐标系统也被 称为两相静止坐标系。 图2 - 2 a ,p 坐标轴 华北电力大学硕士学位论文 以上的磁链方程、 电压方程、 转矩方程组成了感应电机的基本方程式。 通过这些方程式就可以描述感应电机。在上述微分方程巾包含了周期性变 化的系数，这是由于转子绕组和定子绕组之间有相对运动。所以对 a b c 坐标系统中感应电动机的基本方程式的求解十分困难，通常采用坐标变换 对方程来加以改造。 2 . 1 . 2感应电机在 a 0 0 坐标下基本方程 感应电机在 a b c坐标系统下的数学模型是一个高阶、非线性、强祸合 的多变量系统。在只考虑气隙基波磁场情况下，通过坐标变换的方法，可以 用新坐标下的量，替代 a b c坐标下的变量，可使定子绕组的自感系数、互 感系数由时变系数变为常系数。 常用的坐标变换有恒相幅值变换和恒功率变换。恒相幅值变换是指对 称稳态运行时，原变量的 相幅值与新变量的相幅值相等。恒功率变换是指 变换前后的瞬时输入的总功率相等， 恒功率变换近年来得到了广泛的应用。 坐标系统的选择一般以便于分析， 使方程简便， 或使结果较为准确为宜。 一般来说，假如定子和转子某一方的电路和磁路是对称，而另一方是不对称 时，则较合适的方法是选用将坐标轴放在不对称的那一方的坐标系统。当感 应电机定、转子均对称时，分析时不仅可以将坐标系统选在转子上，也可以 选在定子上。 本文研究感应电机在晶闸管控制下实现/ 0切换，0/ y切换，及断电 后重新投入电源等过渡过