三相同步发电机运行仿真与GUI设计毕业论文.doc

目录 三相同步发电机运行仿真与三相同步发电机运行仿真与 GUIGUI 设计毕业论文设计毕业论文 目录 摘要 ABSTRACT 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 目录 2 3 同步发电机的不对称运行 8 2 3 1 概述 8 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 坐标 150dq 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 目录 6 2 存在不足 36 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 登陆界面程序 53 附录 D 主界面程序 56 附录 E 仿真界面程序 61 附录 F 运行特性程序 65 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 0 第一章 绪论 1 1 引言 随着改革开放及经济建设的发展 近二十年来我国电力系统的规模和容量都有了突 飞猛进的发展 2005 年以后 我国已形成全国互联大电网 系统互联和新技术的采用 使得电力系统的安全与稳定性要求越来越高 同步发电机是电力系统的能量提供者 是电力系统中最重要和最复杂的元件 由多 个具有电磁耦合关系的绕组构成 他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 因此 很多电力系统仿真技术都离不开对同步发电机进行建模与仿真分析 和研究 同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍 对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响 因此对同步发电机动态特性的研 究历来是电力系统中的重要课题之一 众所周知 电机行业是一个传统的机电制造行业 其发展已有二百多年的历史 对整 个国民经济的发展起着相当重要的作用 电的产生 传输 使用都离不开电机 电机对社 会发展和人民生活水平提高起到了巨大的推动作用 扮演了重要的角色 并已经成为社 会生产生活中不可缺少的重要工具 成为生产生活中重要的动力来源 1 2 同步发电机概述 作发电机运行的同步电机 是一种最常用的交流发电机 交流电是有频率周期的 交流电的大小方向随时间变化 如果发电机发电不是同步的 那么电流在同一时间内有 大有小 且方向有的也不同 会抵消电流 实际电流就会变小 1 2 1 同步发电机在发电厂中的必要性 1 可以同时输出有功和无功功率 如果做成异步发电机 则发电机在并网后必然大 量吸收无功功率 造成系统电压降低 电网无功缺额过大 无法维持合格的电压 2 电网中的负荷大部分都是感性负载 所以必须由发电机提供无功功率 3 一般的大型发电机都是设计为同步发电机 异步运行时候无法达到额定负荷 最 多达到 50 且异步运行时候发电机转子温升很高 为一种非正常运行方式 不可以长 期运行 4 只有小部分发电机可以使用异步发电机 在发出有功的同时吸收无功 因为系统 中大部分都是同步发电机 所以无功储备还是比较大的 1 2 2 同步发电机结构和分类 同步发电机的结构按其转速分为高速和低 中 速两种 前者多用于火电厂和核电 站 后者多与低速水轮机或柴油机联动 在结构上 高速同步发电机多用隐极式转子 低 中 速同步发电机多用凸极式转子 1 高速同步发电机 因大多数发电机与原动机同轴联动 火电厂都用高速汽轮机 作原动机 所以汽轮发电机通常用高转速的 2 极电机 其转速达 3000 转 分 在电网频率 为 60 赫时 为 3600 转 分 核电站多用 4 极电机 转速为 1500 转 分 当电网频率为 60 赫时 为 1800 转 分 为适应高速 高功率要求 高速同步发电机在结构上一是采用隐 极式转子 二是设置专门的冷却系统 隐极式转子 外表呈圆柱形 在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组 并用金属槽 楔固紧 使电机具有均匀的气隙 由于高速旋转时产生的巨大的离心力 要求转子有很 高的机械强度 隐极式转子一般由高强度合金钢整块锻成 槽形一般为开口形 以便安 装励磁绕组 在每一个极距内约有 1 3 部分不开槽 形成大齿 其余部分的齿较窄 称作 华东交通大学毕业设计 论文 1 小齿 大齿中心即为转子磁极的中心 有时大齿也开一些较小的通风槽 但不嵌放绕组 有时还在嵌线槽底部铣出窄而浅的小槽作为通风槽 隐极式转子在转子本体轴向两端还 装有金属的护环和中心环 护环是由高强度合金制成的厚壁圆筒 用以保护励磁绕组端 部不至被巨大的离心力甩出 中心环用以防止绕组端部的轴向移动 并支撑护环 此外 为了把励磁电流通入励磁绕组 在电机轴上还装有集电环和电刷 冷却系统 由于电机中能量损耗和电机的体积成正比 它的量级与电机线度量级 的三次方成比例 而电机散热面的量级只是电机线度量级的二次方 因此 当电机尺寸 增大时 受材料限制 增大电机容量就得加大其尺寸 电机每单位表面上需要散发的热 量就会增加 电机的温升将会提高 为此 已研制出多种冷却系统 2 低速同步发电机 多数由较低速度的水轮机或柴油机驱动 电机磁极数由 4 极到 60 极 甚至更多 对应的转速为 1500 100 转 分及以下 由于转速较低 一般都采 用对材料和制造工艺要求较低的凸极式转子 凸极式转子的每个磁极常由 1 2 毫米厚的钢板迭成 用铆钉装成整体 磁极上套 有励磁绕组 励磁绕组通常用扁铜线绕制而成 磁极的极靴上还常装有阻尼绕组 它是 一个由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成的一个短接回路 磁极固定在转子 磁轭上 磁轭由铸钢铸成 凸极式转子可分为卧式和立式两类 大多数同步电动机 同 步调相机和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机 都采用卧式结构 低速 大容量水轮 发电机则采用立式结构 卧式同步电机的转子主要由主磁极 磁轭 励磁绕组 集电环和转轴等组成 其 定子结构与异步电机相似 立式结构必须用推力轴承承担机组转动部分的重力和水向下 的压力 大容量水轮发电机中 此力可高达四 五十兆牛 约相当于四 五千吨物体的 重力 所以这种推力轴承的结构复杂 加工工艺和安装要求都很高 按照推力轴承的安 放位置 立式水轮发电机分为悬吊式和伞式两种 悬吊式的推力轴承放在上机架的上部 或中部 在转速较高 转子直径与铁心长度的比值较小时 机械上运行较稳定 伞式的 推力轴承放在转子下部的下机架上或水轮机顶盖上 负重机架是尺寸较小的下机架 可 节约大量钢材 并能降低从机座基础算起的发电机和厂房高度 1 2 3 同步发电机的运行方式 同步发电机绝大多数是并联运行 并网发电的 各并联运行的同步发电机必须频率 电压的大小和相位都保持一致 否则 并联合闸的瞬间 各发电机之间会产生内部环流 引起扰动 严重时甚至会使发电机遭受破坏 但是 两台发电机在投入并联运行以前 一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的 为了使同步发电机能投入 并联运行 首先必须有一个同步并联的过程 同步并联的方法可分为准同步和自同步两 种 同步发电机在投入并联运行以后 各机负载的分配决定于发电机的转速特性 通过 调节原动机的调速器 改变发电机组的转速特性 即可改变各发电机的负载分配 控制 各发电机的发电功率 而通过调节各发电机的励磁电流 可以改变各发电机无功功率分 配和调节电网的电压 1 准同步并联 将已加励磁的待投运发电机通过调节其原动机的转速和改变该发 电机的励磁 使其和运行中的发电机的频率差不超过 0 1 0 5 在两机电压相位差不超 过 10 的瞬间进行合闸并联 两者即可自动牵入同步运行 准同步并联的操作可以手动 也可以借自动装置完成 2 自同步并联 把待投入并联的发电机转速调到接近电网的同步转速 在未加励 磁的条件下就合闸并联 然后再加入励磁 依靠发电机和电网之间出现的环流及相应产 生的电磁转矩把发电机迅速牵入同步 采用自同步并联时 由于减少了调节发电机转速 电压和选择合闸瞬间所需的时间 所以并列的过程较快 特别适宜于电力系统事故情况 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 2 下机组的紧急投入 但是此法在并联合闸瞬间的电流冲击比较大 会使电网电压短时下 降 电机绕组端部承受较大的电磁力 1 3 国内外中小型发电机发展状况 1 3 1 国外中小型发电机现状 国外中小型发电机 F 级绝缘已被广泛采用 H 级绝缘经常使用或与 F 级混用 温升 按 F 级考核 近年来 美国和法国公司大力发展单轴承同步发电机 其优点在于取消了 电机与发电机间部件联接件 从而缩小了机组的总体尺寸 这种发展的条件在于美国汽 车工程师学会标准将飞轮和飞轮壳标准化 新机床的出现与所达到的高加工精度和采用 的高质量材料 使单轴承电机能联接 整体凸极迭片式转子也是国外近年来发展的一种转子结构 这种转子的磁极与磁扼 为一体 励磁绕组用绕线机直接绕在极身上 然后整体浸渍 成为一个坚固的转子 这 种转子不仅其机械和绝缘强度提高了 而且由于绕组匝长缩短 节省了铜材 典型的有 美国的 CATERPILLAR 公司和 MAGNETEK 公司生产的 SR4 等系列发电机 我国卫星通 信地面站 通信枢纽等重要部门的备用电源 均采用 SR4 系列发电机 由于电力电子技术的进步 除小容量应急发电机采用有刷励磁以外 其它发电机励 磁都为无刷结构的励磁方式 无刷同步发电机其稳态电压调整率已普遍达到士 2 5 士 0 5 瞬态电压调整率一般在 12 20 以内 响应时间一般在以内 普遍采用一种特殊 形状的高压内用全阻尼绕组 并有无功补偿装置 1 3 2 国内中小型电机现状 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一 广泛应用于小型水电站 船舶电 站 移动电站 固定电站 应急备用电站 正弦波试验电源 变频电源 计算机电源及 新能源 风力发电 地热发电 潮汐发电 余热发电等 它对边 疆 老 区 贫 穷 地区实现电气化 提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用 中小型发电机在船舶 现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备 移动 电站对国防设施 工程建设 海上石油平台 陆上电驱动石油钻机 野外勘探等也是不 可缺少的关键装备之一 应急备用电站在突发事件中的防灾 救护保障人民的生命和财 产的安全有着不可替代的作用 开发绿色能源 可再生能源 减少大气二氧化碳的含量 小水电 风力发电 地热发电和余热发电是重要的组成部分 我国小型同步发电机的第一代产品是 1956 年电工局在上海组织的统一设计 并于 1957 年完成的 TSN TSWN 系列农用水轮发电机 第二代产品是在进行了大量试验研究 和调查研究的基础上于 1965 年开始的 T2 系列小型三相同步发电机统一设计 该水平达 到六十年代国际先进水平 为 B 级绝缘的有刷三相同步发电机 在这段时间还开发了 ST 系列有刷单相同步发电机 此系列电机出口量较大 1979 年开始进行 TFW 系列三相无刷 同步发电机和 TFDW 系列单相无刷同步发电机的统一设计 1982 年 10 月通过了样机鉴 定工作 并推广生产 此两系列主要性能指标达到或接近当时的国际先进水平 此系列 仍采用 B 级绝缘结构 进入八十年代末 九十年代初 随着我国改革开放不断发展 我国的电机行业的部 分企业开始引进先进工业国的中小型同步发电机 有的按生产许可证方式进行技术引进 有的引进软件技术 或生产技术 有的按合作生产方式引进国外的先进技术 其先后有 德国西 门子公司的 IFC5 和 IFC6 系列 德国 AEG 公司的 DKBH 系列 英国彼特普公司 E 系列 美国马拉松公司的 MP 系列发电机 英国的斯坦福公司 BC HC 系列等发电机 这些发电机的绝缘等级为 F 级或 H 级 采用隐极式或整体凸级结构 其技术经济指标较 先进 可靠性较高 其制造工艺水平较先进 这些产品的引进 对提高我国的中小型发 华东交通大学毕业设计 论文 3 电机水平和制造工艺水平有较大的促进作用 比如 无锡电机厂 汾西机械厂 柳州电 机厂引进了德国西门子公司 1FC5 1FC6 系列无刷发电机 兰州电机有限责任公司 以下 简称兰电 引进了德国 AEG 公司 DKBH 系列船用 陆用无刷发电机 福州发电设备厂引 进了美国麦格乃泰克公司无刷发电机制造技术等等 近年无锡电机厂又引进了西门子公 司最近开发的 1FC2 系列无刷三相同步发电机 该电机为整园凸极冲片 克服了原西门子 公司 1FC5 1FC6 隐极结构体积偏大 重量偏重的不足 90 年代 无锡电机厂与新时代 公司 上海革新电机厂与马拉松公司合资办了企业 使我国中小型三相同步发电机水平 又有了进一步的提高 使国内三相同步发电机生产的主要企业产品达到了国际先进水平 兰州电机厂在引进德国 AEG 公司 DKBH 系列基础上 90 年代中期 又开发了自己的新 一代产品 1 3 3 中小型同步发电机行业的技术发展展望 同步发电机行业的技术发展展望如下 1 低噪声和低振动的精密轴承 2 导磁材料 如以冷代 导电材料及工程塑料和电子器件的应用 是发电机向小 型 轻量 节能 智能化方向发展 3 推广 F 级和 H 级绝缘 采用无刷溶剂滚浸 真空压力浸漆工艺 4 钢板机壳制造技术及少切削无要削加工技术 5 机辅助设计 CAD 6 体化技术 满足各行业的需求 应改变同步电机品种规格少 派生及专用产品少的现象 同步发 电机的开发和发展应考虑到新能源开发 船舶 运输 石油化工等的发展需要以及技术 发展的潮流 预计可以得到发展的中小型同步电机产品有 发展安装结构派生的单轴承 发电机 防护结构派生的 IP44 发电机 用途派生的多频多压发电机 发展专用 特殊用 途的发电机系列 微型水力发电机 风力发电机 正弦波试验电源发电机 轴带发电机 和变速恒频发电机 高效率永磁同步电动机 高压中小同步发电机和电动机 无级调速 中小同步电动机 中频发电机 油田钻井电站发电机及海上石油平台专用发电机等 1 4本论文的主要内容 本论文主要是针对三相同步发电机运行特性仿真问题进行论述 首先介绍同步发电机的基本原理 得到其数学模型 同时了解一下其主要的工作特 性 然后主要针对对称运行与不对称运行进行分析 然后对三相同步发电机仿真的应用方法进行介绍与分析 该仿真主要用到了 GUI 设 计与 Simulink 建模 以及针对不同的运行状态选择不同的坐标系统 最后对该仿真设计具体框图 构建的过程进行介绍 最终得到框图实形 针对所做的运行特性仿真进行实例分析 对比 得到相应的结果 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 4 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 s R Rd 1 L 1 lkqL 1 kqR 1 kqV 2 kqV 2 kqR 2 lkqL mq L q V q i 2 kqi 1 kqi a a q q轴轴电电路路 s R Rd 1 L lkdL kdR kdV fdV fdR lfdL fdi kdi md L d V d i b b d d轴轴电电路路 2 1 同步电机原理等效电路同步电机原理等效电路 华东交通大学毕业设计 论文 5 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 O 气隙线 C fN I N U 0 E 0 f Ef I f I 图图 2 2 同步发电机空载特性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 判断电机设计是否合理 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 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 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 6 用 会使发电机的输出电压升高 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 由产生的 f F 0 E 由产生的 a F a E 由产生的 s F s E 电枢电阻很小 其压降可以忽略 发电机每相的电势方程为 0as EEEU 对凸极电机来说 asd dq q0d dq q EEjX IjX IEUjX IjX I 对隐极电机来说 ass a0s a EEjX IEUjX I 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 与的夹角为负载功率因子角 j Xs为已知量 根据方程式求得 U a I 0 E 1 隐极电机相量图画法 如图 2 3 在水平方向做出相量 U 根据 j 角作出相量 a I 在的尾端 加上相量 它超前90 U s a jX I a I 作出由的首端指向尾端的相量 该相量便是 U s a jX I 0 E A B C a I sa jX I 0 E U 图图 2 3 隐极电机向量图隐极电机向量图 2 凸极电机相量图画法 如图 2 4 在水平方位作出相量错开 j 角作 U a I 在的尾端加上相量 超前于90 经过首端和尾端的直线为方U q a jX I a I U q a jX I 0 E 位 q 轴 华东交通大学毕业设计 论文 7 将分解为和 a I d I q I 根据方程作出 0q qd d EUjX IjX I 0 E 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 A B C qa jX I 0 E U qq jX I a I q I d I q d 图图 2 4 凸极电机向量图凸极电机向量图 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 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 8 1 单相对中点短路 规定正方向如图 2 5 所示 第一步 列出边界条件 2 1 0 0 Ak BC A II II U 1 第二步 利用对称分量法求出各序电流分量 2 2 1 2 1 0 1 1 111 1 333 111 AAAk ABAk ACAk IIII IIII IIII 2 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 第四步 根据等效电路求出各序电流 然后求出短路电 2 0 120120 AA AAA EE IIIj jxjxjxxxx 3 A U B U C U C I A I B I 1k I A CB 图图 2 5 单相中点短路简图单相中点短路简图 1 x A E A I A U 2 x A U A I 0 A I 0 A U 0 x 2 6 单相中点短路的等效电路单相中点短路的等效电路 华东交通大学毕业设计 论文 9 2 1 120 3 3 A kA E IIj xxx 4 2 5 20 1 120120 2 2 120120 0 0 0 120120 AA AA AA A AA A ExxE UEjx j xxxxxx EE x Ujx j xxxxxx E xE Ujx j xxxxxx 2 6 202 20 120 1 A BAAA E UUUUxx xxx 2 7 202 20 120 1 A CAAA E UUUUxx xxx 2 两相间短路 规定正方向如图 2 7 所示 A U B U C U C I A I B I A C B 2k I 第一步 列出边界条件 2 8 2 0 0 A BCk BCBC I III UUU 第二步 利用对称分量法求各序电流和电压 2 9 222 2 222 2 0 3 1 1111 1 3 3333 111000 k AABBB ABBBBk AC jI IIIII IIIIIjI II 图图 2 7 两相间短路简图两相间短路简图 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 10 因此 2 2 0 3 3 0 AAk A IIjI I 10 由于 所以 根据可求出正 负序电压为 0 0 A I 0 0 A U BC UU 2 22 22 111 331 A AABB B AABB C U UUUU U UUUU U 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 第四步 根据等效电路求短路电流 2 1212 020 2 AA AA kBBBBAAA EE IIj j xxxx IIIIIIII 12 因为 得到 0 0 A I 2 22 2 12121212 3 AAAA k EEEE Ijjj xxxxxxxx 13 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 2 2 12 2 12 A A A A E x U xx E x U xx 14 故未短路相 即 A 相 的电压为 2 2 12 2 AAAA x UUUE xx 15 1 x A E A I A U 2 x A U A I 0 A I 0 A U 0 x 图图 2 8 两相间短路等效电路图两相间短路等效电路图 华东交通大学毕业设计 论文 11 短路相的电压则为 2 22 2 12 1 2 BCBBAAAAAA x UUUUUUUUUE xx 16 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 12 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 华东交通大学毕业设计 论文 13 GUI 的一般制作步骤 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 轴相差电角度 0 90 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 14 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 3 00 0 0 111 222 coscos 120 cos 120 2 sinsin 120sin 120 3 p 1 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 3 d ds dqRqdt VR i 2 3 d qs qqRqdt VR i 3 3 d fdfdfdfddt VRi 华东交通大学毕业设计 论文 15 4 3 111 d kdkdfdkddt VRi 5 3 1111 d kqkqkqkqdt VRi 6 3 2222 d kqkqkqkqdt VRi 7 式中 111222 dd dmdfdkdqq qmqkq fdfdfdmddkdkdkdkdmddfd kqkqkqmd dkqkqkqmd q L iLiiL iL i LiLiiLiLii LiL iLiL i 其中下标 f k 分别表示转子励磁绕组和阻尼绕组 l 表示漏抗 3 2 2 坐标0dq 针对 d q O 系统及 a O 系统在电机理论分析中的优点及不足 综合提出了一 种 旋转 静止 坐标系统 即 d q 0 系统 本系统模型具备前两种系统模型的优点 在电机对称运行时电感系数为常数 不对称运行时则约束条件简单 因此更能反映电机 的实际运行情况 在电机的仿真计算中尤为有效 对同步发电机的不对称运行状态采用 dq0 系统 首先建立发电机的电压方程 即 3 ULpiGiRi 8 其中 0 00 dqfdB Uuuuu 0dqfdkdkqB iiiiiii 000 000 0000 000 000 0000 sin cossinsincos dadad qaq adfdad adadDd aqQq ddadadad LLL LL LLL L LLL LL LLLLLLLL 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 16 00 0000 000 000000 000000 000000 cos sincoscossin0 qaq dadad ddadadaq LL LLL G LLLLLLL fd kd kq r r R R R R r 然后根据具体的短路情况 可得到相应的约束条件 根据约束条件转换到系统 0dq 得到相应的参数 代入电压方程进行仿真运算即可得到相应的仿真波形 华东交通大学毕业设计 论文 17 第四章 设计思路 4 1 设计思路与框图 本论文主要是对三相同步发电机运行状态进行仿真 通过设计 GUI 来实现运行过程 设计的主要思路如图 4 1 同步发电机异步发电机直流发电机直流电动机 三相短路 两相短路 单相短路 定子绕组突加对称 空载特性 调整特性 外特性 转矩特性 机械特性 仿真 机械特性 直接启动 主界面 登陆界面 仿真界面 绕组情况选择 对比情况选择 转子电阻选择 电机类型选择 电机类型选择 转速选择 具体说明如下 1 用户接口设计 首先创设一个用户登陆接口 要有用户名输入及密码输入 输入 正确方可进入 然后登陆主界面 主界面的功能如下 图图 4 1 设计思路图 设计思路图 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 18 1 开辟一个窗口 罗列同步发电机各种运行状态的类型供用户选择 2 选择类型后 又对应窗口显示该类型实验的项目 3 选择实验项目后 有对应窗口显示该实验的说明和帮助 4 选择实验特性后 通过按钮可以打开实验对应的仿真模型并运行 2 建立运行特性模型 三相同步发电机 1 三相同步发电机三相突然短路 2 同步发电机转子短路 定子绕组突加对称电压仿真 3 三相同步发电机空载单相突然短路 4 三相同步发电机突然两相空载短路 除对同步发电机做了仿真外 还对其他类型电机进行了仿真 具体如下 三相异步电机 1 三相异步电机的机械特性 2 三相异步电机直接启动仿真 直流发电机 1 直流发电机空载特性 2 直流发电机外特性 3 直流发电机调整特性 直流电动机 1 直流电动机转矩特性 2 直流电动机机械特性 3 建立仿真界面 仿真界面目的是为了使用户更方便 直观的对所要仿真的运行特性进行操作 所以 该设计在能够显示波形的前提下增加了一些其他功能 对于同步发电机特性的仿真 能够实现有阻尼与无阻尼情况的选择 并且对共有的 波形进行对比 对于异步电动机的机械特性实现电阻值的选择 对于直流发电机与电动机要实现电机类型的选择 4 2 构建过程及具体步骤 一 建立登陆界面 在 GUI 中选择所要添加的控件 设置属性 排版后 在 M 文件中添加需要实现的功 能 点击运行 具体界面如下图 4 2 该界面密码用 号代替 用户名和密码都正确则进入登陆成功界面 点击确定进入主 界面 如果用户名或者密码错误 则出现错误提醒框 点击确定返回登陆界面 重新登 陆 具体代码见附录 C 二 建立主界面 在 GUI 中选择所要添加的控件 设置属性 排版后 在 M 文件中添加需要实现的功 能 点击运行 具体界面如下图 4 3 当选择相应的电机类型 在框 2 中会出现相对应的运行特性 任意选择运行特性后 在说明框中会显示相应的说明 并且只有同时选中电机类型和仿真类型 运行按钮才会 被激活 实现其相应的仿真 点击运行按钮进入各个运行特性仿真界面 退出按钮功能 是退出主界面 当点击退出时 会有提醒是否退出 如是 退出 如否 返回主界面 其代码见附录 D 华东交通大学毕业设计 论文 19 图图 4 2 登陆界面登陆界面 图图 4 3 主界面主界面 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 20 三 建立仿真界面 对于 M 文件形式的仿真通过 GUI 建立仿真界面 然后在相应的控件下加入仿真的对 象 其代码见附录 E 对于 simulink 建模的直接进入 Modle 文件 具体仿真界面分为三类 第一类 同步发电机仿真界面如图 4 4 图图 4 4 同步发电机仿真界面同步发电机仿真界面 对图 4 4 顶部菜单只有 GUI 本身有的 figure 功能 弹出菜单 1 与 2 相互配合作用 即如图中的框一与框二 当框一为请在下面选择对 比项时 在框二中选择全部变化量 则会弹出提醒框 如果在框二中选择相应的变化量 此时只显示各变化量的有阻尼与无阻尼的对比情况 当框一为有阻尼情况时 框二选择 变化量可实现相应的仿真 当框一为无阻尼绕组情况时 也能实现框二相应的仿真 控件仿真实现弹出菜单选择的绕组情况的相应仿真 控件退出关闭仿真界面 第二类 异步电机仿真界面如图 4 5 对图 4 5 除了 GUI 自有的 figure 功能外 在顶部菜单中加入了 option 其子菜单包括 Box 和 Color Box 功能是控制坐标轴属性是否闭合 Color 功能是控制仿真界面的颜色 目的使整体美观 层次分明 波形突出 弹出菜单的作用是选择不同种类的电机 实现分别显示 文本框只是单纯起说明作用 控件 Grid on 与 Grid off 对坐标轴实现网格和去除网格功能 控件仿真实现弹出框选 择 的相应的仿真 控件退出功能关闭该仿真界面 华东交通大学毕业设计 论文 21 图图 4 5 直流电机仿真界面直流电机仿真界面 第三类 直流电机仿真界面如图 4 6 图图 4 6 异步电机仿真界面异步电机仿真界面 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 王艳苹 三相同步发电机运行仿真及 GUI 设计 22 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 无阻尼 b 有阻尼 有阻尼 图图 4 74 7 三相短路仿真结果三相短路仿真结果 转子绕组短路 定子突加对称电压如图 4 8 a a 无阻尼 无阻尼 b b 有阻尼 有阻尼 华东交通大学毕业设计 论文 23 图图 4 84 8 绕组短路 定子突加对称电压仿真结