第7章基于MATLAB的交流电机仿真.ppt

第7章基于MATLAB的交流电机仿真 7 1电力系统模块集 Simulink中可以使用电力系统仿真模块集 SimPowerSystems 其功能非常强大 可以用于电路 电力电子系统 电机系统 电力传输等过程的仿真 它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制 在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式 然后才能在Simulink下进行仿真分析 该模块集下有许多子模块集 双击每一个图标都将打开下一级子模块集 电力系统模块的使用与SIMULINK模块的使用不同 电力系统模块必须在回路中使用 因此每个模块都用输入端和输出端 在回路中流动的都是电流 并且电流通过每个电气元器件时产生电压降 SIMULINK模块的组成是信号流程 流入流出模块的信号没有特定的含义 其含义视仿真模型的对象而定 由电力系统模块组成的电路和系统可以和SIMULINK模块库中的控制单元联接 组合成控制系统 研究和观察在不同控制方案下系统的稳态和动态响应 为系统的设计提供依据 7 1 1电源模块库 ElectricalSources 交 直流电源 受控源 三相可编程电源 三相电源共七个电源模块 7 1 2电器元件模块库 Elements 断路器 子系统连接 分布参数传输线 接地 单线性变压器 多绕组变压器 互感线圈 等电位接点 RLC并联电路 RLC并联负载 型参数传输线 饱和变压器 RLC串联电路 RLC串联负载 压敏电阻 三相断路器 三相动力负载 三相短路故障 三相滤波器 三相互感线圈 三相RLC并联电路 三相RLC并联负载 三相 型参数传输线 三相RLC串联电路 三相RLC串联负载 三相三绕组变压器 三相二绕组变压器 十二端三相变压器 之字形变压器 7 1 3其它电气模块库 ExtraLibrary 7 1 4电机模块库 Machines 异步电机 2 直流电机 2 同步电机励磁系统 水轮机和调节器 电机测量单元 电力系统稳定器 永磁式同步电机 同步电机简化模型 2 汽轮机和调节器 同步电机基本模型 2 同步电机标准模型 7 1 5测量仪器模块库 Measurements 电流测量模块 阻抗测量模块 多路测量仪 三相电流电压测量模块 电压测量模块 7 1 6状态元件库 PhasorElements 静态无功补偿器 7 1 7电力电子元件模块库 PowerElectronics 详细晶闸管模型 二极管 可关断晶闸管 理想开关 绝缘栅双极型晶体管 电力场效应管 三级桥 晶闸管 多功能桥式电路 7 2电路的仿真 电路中最常用的元件是电阻 电容和电感 双击电力系统模块集中的Elements图标 将出现元件的子模块集 其中既包含各种电阻 电容和电感元件还包含变压器元件 三相元件等 从普通的电阻 电容和电感元件来看 有串联的RLC分支和并联的RLC分支 以及它们的负载形式 双击SeriesRLCBranch 串联RLC分支 元件 将得出对话框 在对话框中适当地输入电阻 电容和电感的参数即可 填写参数时应该注意其单位 遗憾的是这里不包含单个的电阻 电容和电感元件 可以从串 并联的分支来定义单独的电路 具体情况见下表 在一般电路中 除了一些元件外还需要一些连线器类模块 双击电力系统模块集中的Connectors打开连线器类模块集 例1考虑如图所示的感应电机的等效电路 输入的交流电压源为220V 50Hz 其它参数值为R1 0 428 L1 L2 1 926mH R2 1 551 R3 1 803 L3 31 2mH 步骤 1 将所需的各电路元件复制到模型编辑窗口中 对各元件点击左键并按住拖入即可 对重复的元件可在编辑窗口中按右键拖动 2 对各元件进行赋值 双击元件图标弹出参数对话框 修改参数并确定 3 连接电路 Matlab7 0无连线器类模块 只需按左键从一端头拖至另一端头即可 对分支按右键拖动 连接完成后还应该在电路的输出端加一个电压测量元件 并将输出送给普通的Out1模块 4 仿真设置 建立好Simulink模型后就可以启动仿真过程 最简单的方法是按下Simulink工具栏下的 启动仿真按钮 启动仿真过程后将以默认参数进行仿真 在Matlab命令窗口中键入plot tout yout 从仿真结果曲线看 该系统的输出基本上是正弦波信号 还可以对仿真电路进行稳态分析 将电力系统模块集中的powergui模块复制到仿真框图中 则双击该模块就可以对电路图中的信号进行稳态分析 得出如下图所示的分析结果 从得出的结果可以看出所测量的信号稳态曲线为幅值94 124V初始相位为 14 890的正弦信号 也即该信号的解析表达式在稳态时趋近 事实上 如果使用下面MATLAB语句将得出两条几乎重合的曲线 y1 94 124 sin 2 pi 50 tout 14 89 pi 180 plot tout yout tout y1 另外 用电力系统工具箱中提供的power2sys 可以提取出从给定电源到输出端子的状态方程模型 根据此状态方程模型就可以对整个电路进行频域分析 如绘制Bode图等 power2sys 函数的调用格式为 a b c d power2sys 模型名 其中a b c d为系统的状态方程矩阵 由tf 还可以得出系统的传递函数模型 a b c d power2sys ch7ex1 获得系统的状态方程a 128 8763 844 6462 121 3833 896 7868b 267 3783251 8325c 01 8030d 0 G ss a b c d bode G 绘制系统的Bode图 用户可以自己设置需要的控制参数 控制参数由Simulation Simulationparameters菜单选择 选择该菜单项后将得到下图所示的对话框 可以从中填写相应的数据 控制仿真过程 G1 tf G 获得等效传递函数模型Transferfunction 454 1s 1 034e 010 s 2 1026s 1 305e004 1 仿真区间设置 仿真起始 终了时间设置 2 类型设置 步长选择 定步长 变步长 3 仿真算法选择 定步长算法 变步长算法 1 ode45它是一种一步算法 对大多数仿真模型来说 首先使用ode45来解算模型是最佳的选择 所以在SIMULINK的算法选择中将ode45设为默认的算法 2 ode23它也是一种一步算法 在容许误差和计算略带刚性的问题方面 该算法比ode45算法要好 3 ode113它是可变阶数的算法 在误差要求很严时 ode113较ode45算法更适合 4 ode15s它是一种可变阶数多步算法 当遇到带刚性问题时或ode45算法不行时 可以试用这种算法 5 ode23s它是一种改进的二阶算法 在容许误差较大时ode23s比ode15s有效所以在解算一类带刚性问题时用ode15s不行时 可以用ode23s算法 6 ode23t一种采用自由内插的梯形算法 如果模型有一定刚性 右要求解没有数值衰减时 可以使用这种算法 7 ode23tb在容许误差比较大时 ode23tb和ode23t都比ode15s要好 8 discrete处理离散系统的算法 一般情况下 连续系统仿真应该选择ode45变步长算法 对刚性问题可以选择变步长的ode15s算法 离散系统一般默认地选择定步长的discrete nocontinousstates 算法 而在仿真模型中含有连续环节时注意不能采用该仿真算法 而可以采用四阶Runge Kutta算法来求解问题 定步长算法的步长应该在Fixed stepsize中填入参数 一般还可以选择auto 依赖计算机自动选择步长 而变步长下建议步长范围使用auto选项 在仿真过程中 用户要根据各种类型模型的特点 各种数值积分方法的计算特点和适用范围 才能正确的选择恰当的方法 这一点是初学者难以掌握的 还没有一种对所有模型都适用的算法 简单的方法 当一种算法不能完成模型的计算时 选用另一种算法尝试 若不行则要对模型和参数进行修改 电力系统模块集还提供了一些常用的电机仿真模块 双击该模块集中的Machines图标 打开电机子模块集 该模块集中包含了各种电机模型 包括直流机 DCmotors 异步机 Asynchronousmotors 同步机 Synchronousmotors 及各种其它形式等 7 3电机系统仿真 限于篇幅 介绍星形连接下的电动机仿真 例2已知某电动机的参数为 Pn 5 5kw Vn 380V fn 50Hz R s 0 0217 x ls 0 039 Rr 0 0329 xlr 0 0996 xm 3 6494 J 11 4kg m2 F 0 p 2 这里电感由电抗的形式给出 需用L x 2 f 公式算出 电力系统工具箱中提供了两个异步电动机模型 标幺值下的异步电动机模型 pu 国际单位制下的异步电动机模型 SI 在本例中考虑国际单位制的异步电动机模型 所以将该模型复制到空白的模型编辑窗口中 电力系统工具箱中提供了两个异步电动机模型 标幺值下的异步电动机模型 pu 国际单位制下的异步电动机模型 SI 在本例中考虑国际单位制的异步电动机模型 所以将该模型复制到空白的模型编辑窗口中 异步电动机模块有4个输入端子 4个输出端子 前3个输入端子 A B C 为电机的定子电压输入 一般可直接接三相电压 可以有星形和三角形接法 第4输入端一般接负载 为轴上机械转矩 该端子可以直接接Simulink信号 模块的前3个输出端子 a b c 为转子电压输出 一般短接在一起 或连接到其它的附加电路中 第4个输出端为m端子 它返回一系列电机的内部信号 共有21路信号组成 其构成如下 第1到第3路 转子电流i ra i rb i rc 第4到第9路 q d n坐标系下的转子信号 依次为q 轴电流i qr d 轴电流i dr q 轴磁通 qr d 轴磁通 dr q 轴电压v qr d 轴电压v dr 第10到第12路 定子电流isa isb isc 第13到第18路 q d n坐标系下的定子信号 依次为q 轴电流iqr d 轴电流ids q 轴磁通 qs d 轴磁通 ds q 轴电压vqs d 轴电压vds 第13到第18路 电机转速 m 机械转矩Tm 电机转子角位移 m 该路信号 应该接电机测试信号分路器 MachinesMeasurementDemux 模块将各路信号分离出来 以便直接接显示器或Simulink输出端子进行显示 双击异步电动机模块 将弹出该模块的参数对话框 在对话框中需要输入如下参数 绕组类型 Rotortype 列表框 分为绕线式 Wound 和鼠笼式 Squirrel cage 两种 后者将不显示输出端a b c 而直接在模块内部短接 参考坐标系 Referenceframe 列表框 有静止坐标系 Stationary 转子的 Rotor 和同步的 Synchronous 一般常选择静止坐标系 额定参数额定功率Pn 单位 kw 线电压Vn 单位 V 频率fn 单位 Hz 定子电阻R s Stator 单位 Ohms 和漏感 L ls 单位 H 转子电阻Rr Rotor 单位 Ohms 和漏感 Llr 单位 H 互感 Mutualinductance Lm 单位 H 转动惯量 inertia J 单位 kg m2 摩擦系数F 单位 N m s 极对数 这些参数基本上都是电动机的铭牌参数 测量信号分路器其默认的分路是针对简化的同步机 Simplifiedsynchronous 输出的 双击该模块弹出对话框 在电机类型 machinetype 栏目中选择异步 Asynchronous 机 则得出信号列表 从该列表中选出想输出的信号 异步电动机仿真框图如下图所示 电源采用了星形接法 故将这三个交流电压源的电压值设置成相电压220V A B C三相的相位分别填写为0 120 240 在该模型中有一个空闲的电流测试元件 CurrentMeasurement 这是电力系统工具箱所要求的 因为它要求至少有一个测量元件 另外还需要从输出的信号中使用Selector元件提取所需的单路信号 这样示波器中同时输出4路信号 a相转子电流i ar a相定子电流ias 转速 和转矩T 设置仿真的终止时间为3秒 并选择仿真算法为ode15s 相对允许误差和绝对允许误差均为10 7 对系统进行仿真 得到仿真结果 将A B两相换序 即将A和B相的相位移分别改成120和0 则再进行仿真 即得到电机反转时的仿真结果 仿真结果 A B互换相序仿真结果 例3利用simulink对方程组 第1个方程可以认为是将信号作为一个积分器的输入端 这样积分器的输出则将成为信号 类似地 信号本身也可以认为是一个积分器的输出 在积分器的输入端信号应该为 在构造该信号时还应该使用信号的乘积的处理 这样可以按下图所示的格式建立起描述该微分方程组的模型 除了上述的各个模块 还需要添加结果输出模块 这里使用输出端口模块输出结果 进行仿真 可以看出 在系统框图中 除了各个模块及其连接之外 还给出了各个信号的文字描述 在Simulink模型中加文字描述的方法很简单 在想加文字说明的位置双击鼠标 则将出现字符插入的标示 这时可将任意的字符串写入该位置即可 文字描述写入模型后 则可用鼠标单击并拖动到指定位置 双击Gain模块输入u 1 双击两个积分器模块输入初始条件x01 1 x02 2 然后起动仿真命令 在MATLAB命令窗口中给出绘图命令 plot tout yout 将得出如下图所示的时间响应曲线 例4双输入双输出系统的状态方程表示为 且输入信号分别为sin t cos t 试构造该系统的仿真框图并仿真 仿真前在MATLAB命令窗口中输入系统的状态方程模型参数 A 2 25 51 25 0 5 2 25 4 25 1 25 0 25 0 25 0 5 1 25 1 1 25 1 75 0 25 0 75 B 46 24 22 02 C 0001 0202 D zeros 2 2 对整个系统进行仿真 则可以得出tout和yout两个变量 其中yout的前2列为系统的输出信号 后4列为系统的状态变量 用 plot tout yout 1 2 系统的输出曲线 plot tout yout 3 6 系统的状态曲线 例5利用Simulink自身的状态方程模块 对上例进行仿真构建增广矩阵 C C eye 4 D D zeros 4 2 选择器参数设置 Simulink模型 例6六极双反馈发电机 额定功率7 5kw 额定频率60Hz 额定电压220V rs 0 2943 rr 0 1442 定子漏电感Ls 0 00134H 转子漏电感Lr 0 00056H 激磁电感Lm 0 03517H 转动惯量J 50kg m2 对任意速度旋转的