《同步电机模型的SIMULINK仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同步电机模型的SIMULINK仿真（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、闫朵朵：同步电机模型的SIMULINK仿真目录摘要- 3 -第1 章 绪论- 4 -1.1绪论- 4 -1.2同步电机概述- 4 -1.3系统仿真技术概述- 5 -1.4仿真软件的发展状况与应用- 5 -1.5Simulink概述- 6 -第2章 同步电机基本原理- 7 -2.1 理想同步电机- 7 -2.1.1理想同步电机假设- 7 -2.2 abc/dq模型的建立- 7 -2.2.1 建模背景-7 -第3章 仿真系统总体设计- 11 -3.1 系统对象-11 -3.2系统分块- 11 -3.2.1 电源- 11 -3.2.2 abc/dq转换器- 11 -3.2.3电机- 12 -3.2.
2、4电磁转矩- 12 -3.3控制反馈环节- 12 -第4章 仿真系统详细设计- 14 -4.1总体设计- 14 -4.2具体设计- 14 -4.2.1电源- 14 -4.2.2 abc/dq转换器- 15 -4.2.3电机- 16 -4.2.4电磁转矩- 16 -4.3控制反馈环节- 17 -第5章 系统仿真运行- 18 -5.1输出结果- 19 -5.2小结- 21 -第6章 结 论- 22 -参考文献- 23 -摘 要本文针对同步电机中具有代表性的凸极机，在忽略了一些使算法复杂度大大增加的因素，对其内部电流、电压、磁通及转矩的相互关系进行了一系列定量分析，建立了简化的基于abc三相变量上的
3、数学模型。再使用MATLAB中用于仿真模拟系统的SIMULINK对系统启动仿真后，在经历了一开始的振荡后，输出相对输出较稳定的时间响应。关键词：同步电机，MATLAB，SIMULINK 第1 章 绪论1.1 绪论世界工业进步的一个重要因素是过去几十年中工厂自动化的不断完善。在上个世纪70年代初叶，席卷全球世界先进工业国家的石油危机，迫使他们投入大量人力和财力去研究高效高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。经过十年左右的努力，到了80年代大见成效，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，能源危机从而得以缓解。从此以后，高性能交流电机的研究从未再停止过。而且众所周知，电机的数学模型是多变量、强耦
4、合的非线性系统。对非线性系统中的混沌和分支现象的研究是当前非线性科学研究的热点，在理论上、计算机仿真以及实验上都有了一些研究成果，提出了一些方法。但要从理论上研究一个非线性动力系统，一般比较困难，我们往往希望在保持其动力学特性的基础上，将其简化。要简化一个动力系统，有两条途径：一是减少系统的维数；二是消除非线性1。1.2 同步电机概述同步电机历来是以转速与电源频率严格保持同步而著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机直流发电机组，无不利器转速恒定的特点。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因
5、数，可使功率因数高到1.0甚至超前。在一个工厂中只需要少数几台大容量恒转速的设备（例如水泵、空气压缩机等）采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。由于同步电动机起动费事、重载有振荡以至于失步的危险，因此除了上述要求以外，一般的工业设备很少应用。自从电力电子变频技术蓬勃发展以后，情况就完全改变了。采用电压频率协调控制后，同步电动机便和同步电动机一样成为调速电机大家庭的一员。原来阻碍同步电动机广泛应用的问题已经得到解决。例如起动问题，既然频率可以由低调到高，转速也就逐渐升高，不需要任何其他起动措施，甚至有些容量达数万千瓦的大型高速拖动电机，还专门配上变频装置作为软起动设备。再如失步问题，其起因本
6、来就是由于旋转磁场的同步转速固定不变，电机转子落后的角度太大时便造成失步，现在有了转速和频率的闭环控制，同步转速可以跟着改变，失步问题自然也就不存在了2。所以，同步电机的应用已日趋广泛，同步电机将在今后的电机系统研究中占有重要的地位。 1.3 系统仿真技术概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参
7、数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、
8、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节3。1.4 仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真4。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内
9、出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matrix/System Build， CSMP-C等。1.5 Simulink概述Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。Simu
10、link拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工
11、作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。第2章 同步电机基本原理2.1 理想同步电机2.1.1理想同步电机假设 众所周知，由于转子结构的不同，同步电机可分为隐极机和凸极机两类。以下的研究对象像都是凸极机。同步电机的主要特点是：定子有三相交流绕组，转子为直流励磁。将电机结构简化后，电机内部的磁场分布和相应的感应电势的变化规律仍相当复杂，如步采取一定的假设，仍难以对它们的运行方式作定量分
12、析。这些假设是：（1） 电机铁芯不饱和。这一假设不仅意味磁场和各绕组电流间有线形关系，也使在确定空气隙合成磁场时有可能运用叠加原理。（2） 电机有完全对称的磁路和绕组。这一假设包含以下几方面：定子三相绕组完全相同，空间位置彼此相隔2/3电弧度；转子每极的励磁绕组完全相同；阻尼条的设置对称于正、交轴。（3） 定子三相绕组的自感磁场，定子与转子绕组间的互感磁场，沿空气隙按正弦律分布。这一假设表示略去所有的谐波磁势、谐波磁通和相应的谐波电势，也略去谐波磁场产生的电磁转矩。满足上列假设条件的同步电机，称为理想同步电机。以下的分析都以理想同步电机为前提。而时实践证明，按理想同步电机条件的分析、计算所得，
13、误差在允许范围内。2.2 abc/dq模型的建立2.2.1 建模背景因为对于具有阻尼条的凸极机，由于空气隙旋转磁场总可以分解为两个轴线与转子正，交轴重合的脉动磁场，因此模型得以建立。取定子各相绕组轴线及其磁链的的正方向，dq轴线的正方向，励磁绕组以及正交轴阻尼绕组磁链的正方向，如下图所示，定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时，这些电流为正值。换言之，定子各相正值电流将产生各该相负值磁链。转子各绕组电流产生的磁通方向，与正轴或交轴正方向相同时，这些电流为正值。即，正值转子电流将产生正值转子绕组磁链。br-axis bs-axiskq-axis ar-axis as-axi
14、sk-axiscs-axis cr-axis 图2.2.1.2 定子、转子各相的旋转d，q坐标定位 按图2.2.1.2的电磁量取向即可列出如下的同步电机电压方程和磁链方程：电压方程： (2-1)其中，为求导算子，即=d/dt，v为各绕组电压，i为各绕组电流，r为各绕组电阻，为各绕组合成磁链， (2-2) (2-3)定义为电流，电压，磁链的共同变量，则有 (2-4)将abc模型转换为dq模型可更方便地研究，abc轴上的变量转变成dq轴上的转换如下：(2-5)定义，将（2-5-1）j（2-5-2）可得(2-6)同理， (2-7)定义 (2-8)其中，Ns，Nr分别为定子和转子的匝数，则有(2-9)定子方程：
