matlab應(yīng)用第八章-MATLAB在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用08PARTEIGHT第八章MATLAB在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用第二篇應(yīng)用于電氣工程的MATLAB軟件08第八章MATLAB在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫§8-4Machine模塊示例分析§8-5電機(jī)與電力電子示例分析§8-6可控電抗器飽和特性建模分析§8-7供電系統(tǒng)相序示例分析§8-8電力變壓器示例分析§8-9學(xué)習(xí)坐標(biāo)變換模塊08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫1.1調(diào)用方法

方法1：如圖7-3（a）所示，點(diǎn)擊MATLAB的工具條上的SimulinkLibrary的快捷鍵圖標(biāo)，即可彈出“OpenSimulinkblocklibrary”，如圖7-3（a）所示，點(diǎn)擊Simscape模塊庫，點(diǎn)擊SimPowersystems模塊庫，點(diǎn)擊SpecializedTechnology模塊庫，點(diǎn)擊FundamentalBlocks模塊庫，即可看到Machines（電機(jī)）模塊庫的圖標(biāo)，如圖8-1所示，點(diǎn)擊該模塊庫圖標(biāo)，即可看到該模塊庫中有18種模塊，如圖8-2所示。圖8-1Machines（電機(jī)）模塊庫圖標(biāo)08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫圖8-2Machines（電機(jī)）模塊庫的基本組成方法2：在MATLAB命令窗口中敲出powerlib，敲回車鍵，即可打開SimPowerSystems的模塊庫了，在該模塊庫中即可看到Machines（電機(jī)）模塊庫的圖標(biāo)，如圖8-3所示。圖8-3調(diào)用Machines（電機(jī)）模塊庫的方法之二08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫Machines（電機(jī)）模塊庫介紹序號(hào)名稱功能說明圖例1SimplifiedSynchronousMachine（同步電機(jī)簡(jiǎn)化模型）

puunits同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）簡(jiǎn)化模塊

2SIunits同步電機(jī)（國(guó)際單位）簡(jiǎn)化模塊

3PermanentMagnetSynchronousMachine永磁同步電機(jī)模塊4DCMachine直流電機(jī)模塊5SwitchedReluctanceMotor開關(guān)磁阻電機(jī)模塊6StepperMotor步進(jìn)電機(jī)模塊

為方便讀者朋友學(xué)習(xí)，現(xiàn)將Machines（電機(jī)）模塊庫的各個(gè)模塊小結(jié)于表8-1中。08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫7SynchronousMachine（同步電機(jī)）

puFundamental同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）基本模塊8puStandard同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）標(biāo)準(zhǔn)模塊9SIFundamental同步電機(jī)（國(guó)際單位）基本模塊10AsynchronousMachine（異步電機(jī)）

puunits異步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）模塊11SIunits異步電機(jī)（國(guó)際單位）模塊12Singlephase單相異步電機(jī)模塊表8-1Machines（電機(jī)）模塊庫匯集續(xù)08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫表8-1Machines（電機(jī)）模塊庫匯集續(xù)13ExcitationSystem勵(lì)磁系統(tǒng)模塊14HydraulicTurbineandGovernor水輪機(jī)及其調(diào)速器模塊15SteamTurbineandGovernor蒸汽輪機(jī)及其調(diào)速器模塊16GenericPowerSystemStabilizer通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模塊17MultibandPowerSystemStabilizer多頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模塊18AdditionalExcitationSystem附加勵(lì)磁系統(tǒng)模塊庫（1）08§8-1認(rèn)識(shí)Machines（電機(jī)）模塊庫備注：（1）AdditionalExcitationSystem（附加勵(lì)磁系統(tǒng)）模塊庫，是MATLAB軟件R2015新增的模塊，它包括8個(gè)勵(lì)磁模塊，其圖標(biāo)如圖8-4所示，其調(diào)用方法為：在MATLAB命令窗口中敲出sps_avr，敲回車鍵，即可打開AdditionalExcitationSystem（附加勵(lì)磁系統(tǒng)）模塊庫了，在該模塊庫中即可看到全部勵(lì)磁模塊的圖標(biāo)。圖8-4AdditionalExcitationSystem（附加勵(lì)磁系統(tǒng)）模塊庫的圖標(biāo) 08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫2.1概述

在MATLAB軟件中，AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫包含三種模塊：

（1）AsynchronousMachinepuunits ：異步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）模塊 （2）AsynchronousMachineSIunits：異步電機(jī)（國(guó)際單位）模塊 （3）SinglephaseAsynchronousMachine：?jiǎn)蜗喈惒诫姍C(jī)模塊在構(gòu)建異步電機(jī)模塊時(shí)，它包括了兩個(gè)部分，即電氣部分和機(jī)械部分，前者可以用一個(gè)四階狀態(tài)模型表示，后者可以用二階模型表示。2.2電氣特性

通過坐標(biāo)變換，電機(jī)可以從靜止三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中（例如d-q軸系）。當(dāng)把異步電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)折算到定子側(cè)時(shí)，異步電機(jī)的電氣特性可以用圖8-5來描述。

(a)q軸等效電路 (b)d軸等效電路08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫式中

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。V、i分別表示電壓和電流，R、L分別表示電阻和電感，φ表示磁通，ω表示角頻率，Te表示電磁轉(zhuǎn)矩。下標(biāo)d、q表示d軸和q軸，下標(biāo)s表示定子，下標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子，下標(biāo)m表示激磁（或者勵(lì)磁）回路。2.3機(jī)械特性異步電機(jī)的機(jī)械特性主要用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程來描述： （8-6）

（8-7）式中θm表示電氣角度，ωm表示角加速度，F(xiàn)表示摩擦系數(shù)，H為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于MATLAB軟件設(shè)計(jì)了AsynchronousMachinepuunits（標(biāo)幺值異步電機(jī)）模塊和AsynchronousMachineSIunits（國(guó)際單位異步電機(jī)）模塊，本質(zhì)上它們并沒有區(qū)別。08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫2.4AsynchronousMachinepuunits模塊的參數(shù)設(shè)置

在MATLAB軟件中，AsynchronousMachinepuunits（標(biāo)幺值異步電機(jī)）模塊，是以上述電氣方程和機(jī)械方程為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于讀者朋友而言，關(guān)鍵是如何利用其參數(shù)對(duì)話框設(shè)置其參數(shù)、獲得所需要的電機(jī)模型即可。Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）

圖8-6表示AsynchronousMachinepuunits（標(biāo)幺值異步電機(jī)）模塊的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框。現(xiàn)將圖中所示各個(gè)參數(shù)的含義分別說明如下：（1）Rotortype：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種可供選擇，即Wound（繞線式）、Squirrel-cage（鼠籠式）和Doublesquirrel-cage（雙鼠籠式）；（2）Referenceframe：用于選擇仿真的參考坐標(biāo)系，可供選擇的有旋轉(zhuǎn)軸系（Rotor）、靜止軸系（Stationary）和同步軸系（Synchronous）三種；（3）Mechanicalinput：機(jī)械參數(shù)輸入，可供選擇的有TorqueTm（機(jī)械轉(zhuǎn)矩）、Speedw（轉(zhuǎn)速）、Mechanicalrotationalport（機(jī)械旋轉(zhuǎn)端口）；圖8-608§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫Parameters（電磁參數(shù)）

圖8-7表示AsynchronousMachinepuunits（標(biāo)幺值異步電機(jī)）模塊的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框，現(xiàn)將圖中所示的各個(gè)參數(shù)的含義分別說明如下：（1）NominalpowerPn(VA),voltage(line-line)Vn(V),andfrequencyfn(Hz)：額定功率Pn/VA，線-線電壓有效值Vn/V，頻率/Hz；（2）StatorresistanceRs(Ωorpu)andinductanceLls(Horpu)：定子電阻Rs（Ω或者pu），定子電感Lls(H或者pu)；（3）MutualinductanceLm(Horpu)：互感（磁化電感）Lm（H或者pu）；（4）InertiaconstantH(s),frictionfactorF(N.m.s),andpolepairsp：慣性常數(shù)H/s，摩擦系數(shù)F/（N.m.s），極對(duì)數(shù)p，對(duì)于異步電機(jī)標(biāo)幺值模塊而言，是指慣性常數(shù)H/s，組合粘性摩擦系數(shù)F/（N.m.s）和極對(duì)數(shù)p；圖8-7AsynchronousMachinepuunits模塊的Parameters參數(shù)對(duì)話框08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫2.5AsynchronousMachineSIunits模塊的參數(shù)設(shè)置Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）

圖8-8表示AsynchronousMachineSIunits（國(guó)際單位異步電機(jī)）模塊的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框。圖中所示參數(shù)與標(biāo)幺值異步電機(jī)模塊的參數(shù)含義相同，恕不贅述。圖8-8AsynchronousMachineSIunits模塊的Configuration參數(shù)對(duì)話框08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫Parameters（電磁參數(shù)）

圖8-9表示AsynchronousMachineSIunits（國(guó)際單位異步電機(jī)）模塊的Parameters（電磁參數(shù)）對(duì)話框，現(xiàn)將圖中所示各個(gè)參數(shù)的含義分別說明如下：（1）NominalpowerPn(VA),voltage(line-line)Vn(V),andfrequencyfn(Hz)：額定功率Pn/VA，線-線電壓有效值Vn/V，頻率/Hz；（2）StatorresistanceRs(Ωorpu)andinductanceLls(Horpu)：定子電阻Rs(Ω或者pu)，定子電感Lls(H或者pu)；（3）MutualinductanceLm(Horpu)：互感（磁化電感）Lm（H或者pu）；（4）InertiaconstantH(s),frictionfactorF(N.m.s),andpolepairsp：慣性常數(shù)H/s，摩擦系數(shù)F/（N.m.s），極對(duì)數(shù)p，對(duì)于異步電機(jī)國(guó)際單位模塊而言，是指結(jié)合電機(jī)和負(fù)載的慣量系數(shù)J/（kg.m2），組合粘性摩擦系數(shù)F/（N.m.s），極對(duì)數(shù)p。摩擦力矩Tf與電機(jī)轉(zhuǎn)速ω成正比，即Tf=F.w （8-8）圖8-9AsynchronousMachineSIunits模塊的Parameters參數(shù)對(duì)話框08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫2.6AsynchronousMachine模塊的輸入/輸出參數(shù)

AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的圖例，如表8-1所示，它的輸入/輸出參數(shù)有：（1）Tm：AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的仿真輸入，是加在機(jī)械軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)距。當(dāng)輸入是正的仿真信號(hào)時(shí)，異步電機(jī)就表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)，如果輸入是負(fù)的仿真信號(hào)時(shí)，異步電機(jī)就表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)；（2）m：AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的仿真輸出，提供了包含28個(gè)信號(hào)的測(cè)量相量，如表8-2所示。這些測(cè)量信號(hào)包括轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁通；定子電壓、電流和磁通；轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子角速度等?？梢杂胹imulink庫中提供的BusSelector模塊分解這些信號(hào)；（3）A、B、C：AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的定子終端；（4）a、b、c：AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的轉(zhuǎn)子終端。08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫序號(hào)參數(shù)名稱含義單位1iar轉(zhuǎn)子a相電流ir_aAorpu2ibr轉(zhuǎn)子b相電流ir_bAorpu3icr轉(zhuǎn)子c相電流ir_cAorpu4iqr轉(zhuǎn)子q軸電流iqAorpu5idr轉(zhuǎn)子d軸電流idAorpu6phiqr轉(zhuǎn)子q軸磁通phir_qV.sorpu7phidr轉(zhuǎn)子d軸磁通phir_dV.sorpu8vqr轉(zhuǎn)子q軸電壓Vr_qVorpu9vdr轉(zhuǎn)子d軸電壓Vr_dVorpu10iar2鼠籠2轉(zhuǎn)子a相電流ir_aAorpu11ibr2鼠籠2轉(zhuǎn)子b相電流ir_bAorpu12icr2鼠籠2轉(zhuǎn)子c相電流ir_cAorpu13iqr2鼠籠2轉(zhuǎn)子q軸電流iqAorpu14idr2鼠籠2轉(zhuǎn)子d軸電流idAorpu15phiqr2鼠籠2轉(zhuǎn)子q軸磁通phir_qV.sorpu16phidr2鼠籠2轉(zhuǎn)子d軸磁通phir_dV.sorpu17ias定子a相電流is_aAorpu18ibs定子b相電流is_bAorpu19ics定子c相電流is_cAorpu20iqs定子q軸電流is_qAorpu21ids定子d軸電流is_dAorpu22phiqs定子q軸磁通phis_qV.sorpu23phids定子d軸磁通phis_dV.sorpu24vqs定子q軸電壓vs_qVorpu25vds定子d軸電壓vs_dVorpu26w轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速rad/s27Te電磁轉(zhuǎn)矩TeN.morpu28theta轉(zhuǎn)子角thetamrad表8-2AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊的仿真輸出變量08§8-2學(xué)習(xí)AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊庫

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之一：參考坐標(biāo)系的選擇影響到所有d、q變量的波形，也影響到仿真速度，在有些情況下也會(huì)影響到仿真結(jié)果的精確度?，F(xiàn)推薦以下三條應(yīng)用準(zhǔn)則：

準(zhǔn)則1：如果定子電壓不平衡或者不連續(xù)，而轉(zhuǎn)子電壓是平衡的（或者為0），則使用stationary參考坐標(biāo)系；

準(zhǔn)則2：如果轉(zhuǎn)子電壓不平衡或者不連續(xù)，而定子電壓是平衡的，則使用rotor參考坐標(biāo)系；

準(zhǔn)則3：如果所有的電壓是平衡的且連續(xù)的，則使用stationary或者synchronous參考坐標(biāo)系。

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之二：AsynchronousMachine（異步電機(jī)）模塊沒有考慮鐵耗和飽和度；

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之三：當(dāng)把理想電源接到電機(jī)定子側(cè)時(shí)，如果打算經(jīng)過三相y型接法的無窮大電壓源向定子提供電流，則三個(gè)電壓源要結(jié)成y型。但是，如果要仿真一個(gè)△型電源，則只能使用兩個(gè)串聯(lián)電源；

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之四：當(dāng)在離散系統(tǒng)里使用異步電機(jī)模塊時(shí)，需要加一個(gè)負(fù)載，接到電機(jī)終端，以避免所獲得的仿真數(shù)值的較大波動(dòng)。

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之五：大采樣時(shí)間需要大負(fù)載；最小負(fù)載的容量與采樣時(shí)間成正比。根據(jù)這個(gè)原則，規(guī)定25ms的采樣時(shí)間作用在50Hz的系統(tǒng)上時(shí)，最小負(fù)載大約是電機(jī)額定功率的2.5%。比如，一臺(tái)200MVA的異步電機(jī)運(yùn)行在采樣時(shí)間為50ms的電力系統(tǒng)中，要求大約5%的阻性負(fù)載或者說是10MW。如果采樣時(shí)間降低到20ms，則需要4MW的抵抗負(fù)載。

SinglephaseAsynchronousMachine（單相異步電機(jī)）模塊的參數(shù)對(duì)話框，與前面介紹的兩種模塊的對(duì)話框大同小異，限于篇幅，恕不作介紹，請(qǐng)讀者朋友參見MATLAB軟件的幫助文檔。08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫3.1概述

在MATLAB軟件中，SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫包含五種模塊，即兩個(gè)簡(jiǎn)化模型、一個(gè)國(guó)際單位基本模塊、一個(gè)標(biāo)幺值基本模塊和一個(gè)標(biāo)幺值標(biāo)準(zhǔn)模塊，即：（1）SimplifiedSynchronousMachinepuunits：同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）簡(jiǎn)化模塊；（2）SimplifiedSynchronousMachineSIunits：同步電機(jī)（國(guó)際單位）簡(jiǎn)化模塊；（3）SynchronousMachinepuFundamental：同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）基本模塊；（4）SynchronousMachinepuStandard：同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）標(biāo)準(zhǔn)模塊；（5）SynchronousMachineSIFundamental：同步電機(jī)（國(guó)際單位）基本模塊。3.2數(shù)學(xué)描述同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以用圖8-10來描述，其電路方程為：08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫式中

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。其中下標(biāo)f、k分別表示轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和阻尼繞組，l表示漏抗。需要注意的是，在MATLAB軟件R2015中，SynchronousMachine（同步電機(jī)）的等效電路中的定子d、q軸電流的標(biāo)示方向與其方程并不相符。(a)q軸電路(b)d軸電路3.3SynchronousMachine模塊的參數(shù)設(shè)置08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫

圖8-11表示SimplifiedSynchronousMachinepuunits（同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）簡(jiǎn)化）模塊的參數(shù)對(duì)話框，其中，圖8-11（a）表示它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框，圖8-11（b）表示它的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫

圖8-12表示SimplifiedSynchronousMachineSIunits（同步電機(jī)（國(guó)際單位）簡(jiǎn)化）模塊的參數(shù)對(duì)話框，其中，圖8-12（a）表示它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框，圖8-12（b）表示它的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫

圖8-13表示SynchronousMachinepuFundamental（同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）基本）模塊的參數(shù)對(duì)話框，其中，圖8-13（a）表示它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框，圖8-13（b）表示它的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫

圖8-14表示SynchronousMachinepuStandard（同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）標(biāo)準(zhǔn)）模塊的參數(shù)對(duì)話框，其中，圖8-14（a）表示它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框，圖8-14（b）表示它的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫

圖8-15表示SynchronousMachineSIFundamental（同步電機(jī)（國(guó)際單位）基本）模塊的參數(shù)對(duì)話框，其中，圖8-15（a）表示它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）的對(duì)話框，圖8-15（b）表示它的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）

在SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的參數(shù)對(duì)話框中，它的Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)）參數(shù)主要有以下幾個(gè)方面：（1）Presetmodel：預(yù)置模型，提供了一組用于各種同步電機(jī)的預(yù)定的電氣和機(jī)械參數(shù)，包括額定功率（kVA）、額定相-相電壓（V）、額定頻率（Hz）和額定轉(zhuǎn)速（rpm）；（2）Mechanicalinput：機(jī)械參數(shù)輸入，可供選擇的有Speedw、Mechanicalrotationalport；（3）Rotortype：指定轉(zhuǎn)子繞組的形式，可選凸極（salient-pole）或者隱極（round）。SynchronousMachinepuFundamental電磁參數(shù)

圖8-13（b）表示SynchronousMachinepuFundamental（同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）基本）模塊的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框，現(xiàn)將其各個(gè)電磁參數(shù)的含義分別說明如下：（1）Nominalpower,line-to-linevoltage,frequency：額定功率、電壓、頻率，是指三相總視在功率Pn/（VA），線-線電壓有效值Vn/V，頻率fn/Hz；（2）Stator：定子參數(shù)，包括定子電阻Rs/Ω，定子漏感Lls/H，定子d軸勵(lì)磁電感Lmd/H，定子q軸勵(lì)磁電感Lmq/H，需要提醒的是，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)；（3）Field：磁場(chǎng)參數(shù)，包括磁阻Rf'/Ω，漏感Llfd'/H，它們都是相對(duì)于定子折合得到的參數(shù)，需要提醒的是，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)；08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫（4）Dampers：阻尼器參數(shù)，包括d軸電阻Rkd'/Ω，d軸漏感Llkq'/H，q軸電阻Rkq1'/Ω，q軸漏感Llkq1'/H，（只有繞線式電機(jī)）q軸電阻Rkq2'/Ω，q軸漏感Llkq2'/H，它們都是相對(duì)于定子折合得到的參數(shù)，需要提醒的是，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)；（5）Inertia,frictionfactor,polepairs：慣性常數(shù)H/s，摩擦系數(shù)F（=摩擦力矩（標(biāo)幺值）/轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）），極對(duì)數(shù)p，摩擦力矩Tf與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω成正比，即Tf=F×ω （8-15）式中摩擦系數(shù)F、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)。（6）Intialconditions：用于設(shè)置電機(jī)的初始速度偏差Δω(相對(duì)于額定轉(zhuǎn)速的百分比)、轉(zhuǎn)子電氣角度Θe、線電流幅值（ia、ib、ic）、相角（pha、phb、phc）以及初始勵(lì)磁電壓Vf；根據(jù)Powergui模塊中的負(fù)載潮流功能或者電機(jī)的初始條件，計(jì)算得出上述參數(shù)值，需要提醒的是，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)，對(duì)于飽和而言，額定勵(lì)磁電流作為勵(lì)磁電流的基準(zhǔn)值，額定線-線電壓有效值作為終端電壓的基準(zhǔn)值。08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫現(xiàn)將定子基準(zhǔn)值（StatorBaseValues）小結(jié)于表8-3中。物理量名稱各個(gè)基準(zhǔn)值表達(dá)式含義單位定子電壓基準(zhǔn)值（basestatorvoltage）額定線-地的峰值電壓（peaknominalline-to-neutralvoltage）V定子電流基準(zhǔn)值（basestatorcurrent）

A定子阻抗基準(zhǔn)值（basestatorimpedance）

Ω基準(zhǔn)角頻率（baseangularfrequency）ωbase=2π

fn

rad/s定子電感基準(zhǔn)值（basestatorinductance）Lsbase=Zsbaseωbase

H備注Pn：三相額定功率/VA（three-phasenominalpower）Vn：額定線-線電壓/Vrms（nominalline-to-linevoltage）fn：額定頻率/Hz（nominalfrequency）ifn：在空載時(shí)產(chǎn)生標(biāo)稱定子電壓的額定勵(lì)磁電流/A（nominalfieldcurrentproducingnominalstatorvoltageatnoload）08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫SynchronousMachinepuStandard電磁參數(shù)

圖8-14（b）表示SynchronousMachinepuStandard（同步電機(jī)（標(biāo)幺值單位）標(biāo)準(zhǔn)）模塊的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框，現(xiàn)將其各個(gè)電磁參數(shù)的含義分別說明如下：（1）Nominalpower,line-to-linevoltage,frequency：額定功率、電壓、頻率，是指三相總視在功率Pn/（VA），線-線電壓有效值Vn/V，頻率fn/Hz；（2）Reactances：電感參數(shù)，包括d軸同步電感Xd、d軸暫態(tài)電感Xd'，d軸超瞬變電抗Xd''，q軸同步電感Xq、q軸暫態(tài)電感Xq'（僅適用于繞線式電機(jī)），d軸超瞬變電抗Xq''，漏感Xl，需要提醒的是，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)；（3）d-axistimeconstants(s)（d軸時(shí)間常數(shù)/s）和q-axistimeconstant(s)（q軸時(shí)間常數(shù)/s），d軸和q軸都分兩種情況，即開路和短路的時(shí)間常數(shù)；（4）Timeconstants：時(shí)間常數(shù)/s，d軸和q軸的時(shí)間常數(shù)/s，包括d軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)Tdo'/s或短路時(shí)間常數(shù)Td'/s，d軸超瞬變開路時(shí)間常數(shù)Tdo''/s或短路時(shí)間常數(shù)Td''/s，q軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)Tqo'/s或短路時(shí)間常數(shù)Tq'/s（僅適用于繞線式電機(jī)），q軸超瞬變開路時(shí)間常數(shù)Tqo''/s或短路時(shí)間常數(shù)Tq''/s；（5）Stator：定子參數(shù)，包括定子電阻Rs/Ω，是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)；（6）Inertia,frictionfactor,polepairs：慣性常數(shù)H/s，摩擦系數(shù)F（=摩擦力矩（標(biāo)幺值）/轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）），極對(duì)數(shù)p，摩擦力矩Tf與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω成正比，即

Tf=F×ω （8-16）式中摩擦系數(shù)F、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω，它們都是標(biāo)幺值而不是國(guó)際單位的參數(shù)。08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫SynchronousMachineSIFundamental電磁參數(shù)

圖8-15（b）表示SynchronousMachineSIFundamental（同步電機(jī)（國(guó)際單位）基本）模塊的Parameters（電磁參數(shù)）的對(duì)話框，現(xiàn)將其各個(gè)電磁參數(shù)的含義分別說明如下：（1）Nominalpower,voltage,frequency,fieldcurrent：額定功率、電壓、頻率和勵(lì)磁電流，是指三相總視在功率Pn/（VA），線-線電壓有效值Vn/V，頻率fn/Hz，磁場(chǎng)電流ifn/A；（2）Stator：定子參數(shù)，包括定子電阻Rs/Ω，定子漏感Lls/H，定子d軸勵(lì)磁電感Lmd/H，定子q軸勵(lì)磁電感Lmq/H，需要提醒的是，它們都是國(guó)際單位的參數(shù)；（3）Field：磁場(chǎng)參數(shù)，包括磁阻Rf'/Ω，漏感Llfd'/H，它們都是相對(duì)于定子折合得到的參數(shù)，需要提醒的是，它們都是國(guó)際單位的參數(shù)；（4）Dampers：阻尼器參數(shù)，包括d軸電阻Rkd'/Ω，d軸漏感Llkq'/H，q軸電阻Rkq1'/Ω，q軸漏感Llkq1'/H，（僅適用于繞線式電機(jī)）q軸電阻Rkq2'/Ω，q軸漏感Llkq2'/H，它們都是相對(duì)于定子折合得到的參數(shù)，需要提醒的是，它們都是國(guó)際單位的參數(shù)；（5）Inertia,frictionfactor,polepairs：慣性常數(shù)H/s，摩擦系數(shù)F/（N.m.s），極對(duì)數(shù)p，摩擦力矩Tf/（N.m）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω/（rad/s）成正比，即Tf=F×ω （8-17）（6）Intialconditions：用于設(shè)置電機(jī)的初始速度偏差Δω(相對(duì)于額定轉(zhuǎn)速的百分比)、轉(zhuǎn)子電氣角度Θe/°、線電流幅值（ia/A、ib/A、ic/A）、相角（pha/°、phb/°、phc/°）以及初始勵(lì)磁電壓Vf/V；根據(jù)Powergui模塊中的負(fù)載潮流功能或者電機(jī)的初始條件，計(jì)算得出上述參數(shù)值；（7）Simulatesaturation：用于確定轉(zhuǎn)子電磁飽和度、定子鐵心的飽和參數(shù)。如果選擇了該項(xiàng)參數(shù)，則參數(shù)對(duì)話框會(huì)增加一欄“Saturationparameters”設(shè)置項(xiàng)。08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫3.4SynchronousMachine模塊的輸入/輸出參數(shù)

SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的圖例，如表8-1所示，它的輸入/輸出參數(shù)的單位，根據(jù)所使用的對(duì)話框輸入的同步電機(jī)模塊參數(shù)的不同而不同。如果基本參數(shù)使用國(guó)際單位，那么輸入/輸出參數(shù)的單位也必須使用國(guó)際單位（但是這幾個(gè)變量除外：轉(zhuǎn)速變量dw呈矢量形式，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常用標(biāo)幺值，角度Θ用rad單位），否則輸入/輸出參數(shù)就必須使用標(biāo)幺值。SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的輸入/輸出參數(shù)有：（1）Pm：SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的Simulink模型的第一個(gè)輸入?yún)?shù)，被稱為電機(jī)軸上的機(jī)械功率，用W或者標(biāo)幺值。當(dāng)同步電機(jī)Simulink模型作為發(fā)電機(jī)模式時(shí)，該輸入可以是一個(gè)正的常數(shù)或者函數(shù)或者原動(dòng)機(jī)模塊的輸出（參見水輪機(jī)及其調(diào)速器模塊或者汽輪機(jī)及其調(diào)速器模塊部分），當(dāng)同步電機(jī)Simulink模型作為電動(dòng)機(jī)模式時(shí)，該輸入?yún)?shù)通常是一個(gè)負(fù)的常數(shù)或者是函數(shù)；（2）Vf：SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的Simulink模型的第二個(gè)輸入?yún)?shù)，被稱為勵(lì)磁電壓。該電壓可以由工作在發(fā)電機(jī)模式的電壓調(diào)節(jié)器提供（參見勵(lì)磁系統(tǒng)模塊部分）。當(dāng)工作在電機(jī)模式時(shí)，該參數(shù)經(jīng)常作為一個(gè)恒定值；（3）W：可替代模塊的輸入?yún)?shù)Pm（取決于機(jī)械輸入?yún)?shù)的值）的參數(shù)，是電機(jī)的轉(zhuǎn)速/（rad/s）；（4）m：SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的仿真輸出，提供了包含24個(gè)信號(hào)的測(cè)量相量，如表8-4所示，可以用simulink庫中提供的BusSelector模塊分解這些信號(hào)。這些測(cè)量信號(hào)的單位是國(guó)際單位或者標(biāo)幺值；（5）A、B、C：模塊的三相輸出端子。08§8-3學(xué)習(xí)SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊庫序號(hào)參數(shù)名稱含義單位1ias定子a相電流is_aAorpu2ibs定子b相電流is_bAorpu3ics定子c相電流is_cAorpu4iq定子q軸電流iqAorpu5id定子d軸電流idAorpu6ifd勵(lì)磁電流ifdAorpu7ikq阻尼繞組電流ikq1Aorpu8Ikq2阻尼繞組電流ikq2Aorpu9ikd阻尼繞組電流ikdAorpu10phimqq軸互感磁通phimqV.sorpu11phimdd軸互感磁通phimdV.sorpu12vqq軸定子電壓vqVorpu13vdd軸定子電壓vdVorpu14lmqLmq飽和電感（q軸）Horpu15lmdLmd飽和電感（d軸）Horpu16dtheta轉(zhuǎn)子角偏差d_thetarad17w轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速wmrad/s18Pe電功率PeVAorpu19dw轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差dwrad/s20theta轉(zhuǎn)子機(jī)械角thetarad21Te電磁轉(zhuǎn)矩TeN.morpu22delta負(fù)載角deltarad23Pe0輸出有功PeoVAorpu24Qe0輸出無功QeoVARorpu表8-4SynchronousMachine（同步電機(jī)）模塊的仿真輸出變量08§8-4Machine模塊示例分析§8-4Machine模塊示例分析4.1標(biāo)幺值計(jì)算方法概述

復(fù)習(xí)一下標(biāo)幺值的計(jì)算方法：對(duì)于一個(gè)給定量（如電壓、電流、功率、阻抗、轉(zhuǎn)矩等），其標(biāo)幺值就是指該量的設(shè)計(jì)值與基準(zhǔn)值之比，所以，標(biāo)幺值沒有單位，現(xiàn)將國(guó)際單位SI與標(biāo)幺值的關(guān)系表達(dá)如下：

（8-18）一般選定下面的基準(zhǔn)值：（1）基準(zhǔn)功率值（國(guó)際單位SI）=設(shè)備額定功率值（國(guó)際單位SI）；（2）基準(zhǔn)電壓值（國(guó)際單位SI）=設(shè)備額定電壓值（國(guó)際單位SI）。一旦選定基準(zhǔn)功率值和基準(zhǔn)電壓值，那么基準(zhǔn)電流值、基準(zhǔn)阻抗值就可以分別表示為：

（8-19）08§8-4Machine模塊示例分析

對(duì)于交流電機(jī)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也可以使用標(biāo)幺值進(jìn)行表示，選擇下面的基準(zhǔn)值：（1）基準(zhǔn)速度（SI）=同步轉(zhuǎn)速（SI）（2）基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩（SI）=對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)功率和同步轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩（SI），其表達(dá)式為：

（8-21）與確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的方法不同，一般定義慣性常數(shù)H為：

（8-22）式中J表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Pnom表示電機(jī)額定功率，慣性常數(shù)H的單位為s，大電機(jī)的慣性常數(shù)H大約為3-5s，慣性常數(shù)H為3s，意味著轉(zhuǎn)動(dòng)部件中的能量可以維持額定負(fù)載3s時(shí)間；小電機(jī)慣性常數(shù)H較小，比如3HP的電機(jī)慣性常數(shù)H就在0.5-0.7s之間。08§8-4Machine模塊示例分析4.2仿真模型示例分析

舉例1：本節(jié)以AsynchronousMachineSIunits（異步電機(jī)（國(guó)際單位））模塊為例，該電機(jī)的額定參數(shù)有：3HP、220V線-線電壓有效值、頻率50Hz。試搭建如圖8-16所示的仿真模型，并將其保存為exm_1.slx。圖8-16舉例1的仿真模型08§8-4Machine模塊示例分析參數(shù)計(jì)算

第一、歸算到定子的定、轉(zhuǎn)子電阻、電感：定子的電阻Rs=0.435Ω；定子的電感Ls=2mH；轉(zhuǎn)子的電阻Rr=0.816Ω；轉(zhuǎn)子的電感Lr=2mH；

第二、互感Lm=69.31mH；第三、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089kg·m2；第四、電機(jī)的一相的基準(zhǔn)值計(jì)算：（1）基準(zhǔn)功率值：

（8-23）（2）基準(zhǔn)電壓值： （8-24）（3）基準(zhǔn)電流值：

（8-25）（4）基準(zhǔn)阻抗值：

（8-26）（5）基準(zhǔn)電阻值： （8-27）（6）基準(zhǔn)電感值： （8-28）（7）基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速值：

（8-29）（7）基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩值： （8-30）08§8-4Machine模塊示例分析第五、計(jì)算標(biāo)幺值：（1）定子的電阻標(biāo)幺值：Rs(pu)=0.435Ω/21.62Ω=0.0201；（2）定子的電感標(biāo)幺值：Ls(pu)=2mH/68.82mH=0.0291；（3）轉(zhuǎn)子的電阻標(biāo)幺值： Rr(pu)=0.816Ω/21.62Ω=0.0377；（4）轉(zhuǎn)子的電感標(biāo)幺值：Lr(pu)=2mH/68.82mH=0.0291； 第六、互感標(biāo)幺值：

Lm(pu)=69.31mH/68.82mH=1.0071；第七、慣性常數(shù)H用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、同步轉(zhuǎn)速和額定功率值計(jì)算，即：

（8-31）08§8-4Machine模塊示例分析設(shè)置電機(jī)模塊參數(shù)

設(shè)置AsynchronousMachineSIunits（異步電機(jī)（國(guó)際單位））模塊的參數(shù)對(duì)話框，如圖8-17所示。（a）Configuration（電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)）（b）Parameters（電磁參數(shù)）08§8-4Machine模塊示例分析完善仿真模型（1）調(diào)用其它元件模塊，如表8-5所示；（2）設(shè)置Three-PhaseProgrammableVoltageSource（三相可編程電壓源）模塊的參數(shù)對(duì)話框，如圖8-18所示；圖8-18設(shè)置Three-PhaseProgrammableVoltageSource模塊的參數(shù)對(duì)話框08§8-4Machine模塊示例分析（3）將仿真時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)置，即Starttime：0，endtime：1，選取“ode23tb（Stiff/TR-BDF2）”，其它參數(shù)，如圖8-19所示；圖8-19設(shè)置仿真參數(shù)08§8-4Machine模塊示例分析元件名稱

模塊名稱

所屬模塊庫

參數(shù)設(shè)置備注名稱取值單位

3HP-220V50HzAsynchronousMachineSIunits模塊powerlib/Machines參數(shù)設(shè)置方法如圖8-17所示Vs

Three-PhaseProgrammableVoltageSource模塊

powerlib/ElectricalSources

Positive-sequence（正序參數(shù)）圖8-18所示amplitudeRMSphase-to-phase(V)220V

Phase(degrees)0°

Frequency(Hz)50Hz

-Constant模塊Simulink/SourcesConstantvalue（常值）10Nm機(jī)械轉(zhuǎn)矩ir,is(A)Scope模塊

Simulink/Sinks

Numberofaxes2定子和轉(zhuǎn)子電流的波形N(rad/s)Numberofaxes1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形Te(N.m)Numberofaxes1電磁轉(zhuǎn)矩波形vab(V)Numberofaxes1輸入線-線電壓的波形vabVoltageMeasurement模塊powerlib/Measurements-

獲取輸入線-線電壓-Ground模塊powerlib/Elements--

-

Powergui模塊

powerlib

SimulationTypeContinuous

IdeaSwitch

Sampletime(s)2e-6s默認(rèn)參數(shù)

BusSelector模塊Simulink/SignalRouting08§8-4Machine模塊示例分析仿真分析分析仿真結(jié)果：（1）圖8-20分別表示轉(zhuǎn)子a相電流iar波形、定子a相電流ias波形；圖8-20轉(zhuǎn)子a相電流iar波形、定子a相電流ias波形08§8-4Machine模塊示例分析（2）圖8-21表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形；圖8-21轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形（3）圖8-22表示電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形。圖8-22電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形08§8-4Machine模塊示例分析4.3仿真模型穩(wěn)態(tài)分析（a）RMS（有效值）的分析結(jié)果

本書在第五章的第6節(jié)中，就已經(jīng)介紹過Powergui模塊的Steady-State（穩(wěn)態(tài)分析）工具箱，不過沒有舉例說明，因此，本例在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以示例形式分析它的使用方法。雙擊本例仿真模型中的Powergui模塊，點(diǎn)擊Tools，點(diǎn)擊Steady-State，即可打開的Powergui模塊的Steady-State（穩(wěn)態(tài)分析）工具箱的窗口，如圖8-23所示，其中圖8-23（a）顯示的是RMS（有效值）的分析結(jié)果，圖8-23（b）顯示的是Peak（峰值）的分析結(jié)果。（b）Peak（峰值）的分析結(jié)果08§8-4Machine模塊示例分析4.4電機(jī)模型初始處理（a）點(diǎn)擊ComputateandApply按鍵前的分析結(jié)果

本書在第五章的第6節(jié)中，也已經(jīng)介紹過Powergui模塊的MachineInitialization（電動(dòng)機(jī)初始化處理）工具箱，也沒有舉例說明，因此，本例也在此基礎(chǔ)上，以示例形式進(jìn)一步分析它的使用方法。雙擊本例仿真模型中的Powergui模塊，點(diǎn)擊Tools，點(diǎn)擊MachineInitialization，即可打開的Powergui模塊的MachineInitialization（電動(dòng)機(jī)初始化處理）工具箱的窗口，如圖8-24所示，其中圖8-24（a）顯示的是點(diǎn)擊ComputateandApply按鍵前的分析結(jié)果，圖8-24（b）顯示的是點(diǎn)擊ComputateandApply按鍵后的分析結(jié)果。（b）點(diǎn)擊ComputateandApply按鍵后的分析結(jié)果08§8-4Machine模塊示例分析

使用Powergui模塊的MachineInitialization（電動(dòng)機(jī)初始化處理）工具箱前后，在AsynchronousMachineSIunits（異步電機(jī)（國(guó)際單位））模塊的參數(shù)對(duì)話框中的Initialconditions欄表現(xiàn)出差別來，因?yàn)镮nitialconditions是用于指定初始轉(zhuǎn)差率s、電氣角度Θe/°、定子電流幅值(A或者pu)和相位角/°，其中參數(shù)欄中[s,th,ias,ibs,ics,phaseas,phasebs,phasecs]，分別表示轉(zhuǎn)差率s，電氣角度Θe，定子A相電流幅值ias，定子B相電流幅值ibs，定子C相電流幅值ics，定子A相相位角phaseas，定子B相相位角phasebs，定子C相相位角phasecs，如圖8-25所示。圖8-25初始化前后AsynchronousMachineSIunits模塊中Initialconditions參數(shù)對(duì)比08§8-4Machine模塊示例分析圖8-26轉(zhuǎn)子a相電流iar的波形、定子a相電流ias的波形

在完成AsynchronousMachineSIunits模塊的Initialconditions參數(shù)初始化之后，接著再啟動(dòng)仿真程序，點(diǎn)擊仿真快捷鍵圖標(biāo)，啟動(dòng)仿真程序，分析仿真結(jié)果：（1）圖8-26分別表示轉(zhuǎn)子a相電流iar的波形、定子a相電流ias的波形；（2）圖8-27表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形；（3）圖8-28表示電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形。08§8-4Machine模塊示例分析圖8-27轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形08§8-4Machine模塊示例分析圖8-27轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形討論：（1）對(duì)比分析轉(zhuǎn)子a相電流iar波形、定子a相電流ias波形圖8-20和圖8-26，存在明顯差別；（2）對(duì)比分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形圖8-20和圖8-27，存在明顯差別；（3）對(duì)比分析電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形圖8-22和和圖8-28，存在明顯差別；由此可見，在完成AsynchronousMachineSIunits模塊的Initialconditions參數(shù)初始化前后，對(duì)仿真結(jié)果影響還是比較顯著的，提醒讀者朋友注意這點(diǎn)。08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析§8-5電機(jī)與電力電子示例分析5.1構(gòu)建仿真模型

舉例2：在舉例1的基礎(chǔ)上，以AsynchronousMachineSIunits：異步電機(jī)（國(guó)際單位）模塊為負(fù)載，其額定參數(shù)為：3HP、220V線-線電壓有效值、頻率50Hz。搭建如圖8-29所示的仿真模型，并將其保存為exm_2.slx。分析：（1）將所需要模塊匯集于表8-6中；（2）將仿真時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)置，即Starttime：0，endtime：1000e-3，選取“ode23tb（Stiff/TR-BDF2）”，其它參數(shù)，參見圖8-19中所示參數(shù)；（3）啟動(dòng)仿真程序：點(diǎn)擊仿真快捷鍵圖標(biāo)，啟動(dòng)仿真程序；圖8-29舉例2的仿真模型08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析5.1構(gòu)建仿真模型圖8-30轉(zhuǎn)子a相電流iar的波形、定子a相電流ias的波形

本例的仿真結(jié)果分別為：（1）圖8-30分別表示轉(zhuǎn)子a相電流iar的波形、定子a相電流ias的波形；（2）圖8-31表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形；（3）圖8-32表示電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形。08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析圖8-32電磁轉(zhuǎn)矩Te/（Nm）的波形圖8-31轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w/（rad/s）的波形08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析元件名稱

模塊名稱

所屬模塊庫

參數(shù)設(shè)置備注名稱取值單位

調(diào)制比Constant模塊Simulink/SourcesConstantvalue（常值）0.95

-Product模塊Simulink/MathOperationsNumberofinputs2

PWMGenerator(3-Level)

PWMGenerator(3-Level)模塊

powerlib_meascontrol/Pulse&SignalGenerators

Generatortype（發(fā)生器型號(hào)）Three-phasebridge(12pulses)

ModeofoperationUnsynchronized

Frequency(Hz)33*50HzInitialphase(degrees)90°默認(rèn)參數(shù)3電平-IGBT逆變橋

UniversalBridge模塊

powerlib/PowerElectronics

Numberofbridgearms3

SnubberresistanceRs10ΩSnubbercapacitanceCs0.47e-6FPowerelectronicdeviceIGBT/Diode

Ron1e-4ΩForwardvoltages[DeviceVf,DiodeVfd][0.70.7]V表8-6舉例2所需模塊匯集08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析表8-6舉例2所需模塊匯集續(xù)Vdc1DCVoltageSource模塊

powerlib/ElectricalSources

Amplitude200VVdc1Amplitude200VNeutralNeutral模塊powerlib/ElementsNodenumber10

3HP-220V50HzAsynchronousMachineSIunits模塊powerlib/Machines參數(shù)設(shè)置方法參見圖8-17Vs

Three-PhaseProgrammableVoltageSource模塊

powerlib/ElectricalSources

Positive-sequence（正序參數(shù)）參見圖8-18amplitudeRMSphase-to-phase(V)220V

Phase(degrees)0°

Frequency(Hz)50Hz

-Constant模塊Simulink/SourcesConstantvalue（常值）10Nm機(jī)械轉(zhuǎn)矩ir,is(A)Scope模塊

Simulink/Sinks

Numberofaxes2定子和轉(zhuǎn)子電流的波形N(rad/s)Numberofaxes1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形Te(N.m)Numberofaxes1電磁轉(zhuǎn)矩波形vab(V)Numberofaxes1輸入線-線電壓的波形08§8-5電機(jī)與電力電子示例分析表8-6舉例2所需模塊匯集續(xù)vabVoltageMeasurement模塊powerlib/Measurements-

獲取輸入線-線電壓-Ground模塊powerlib/Elements--

-

Powergui模塊

powerlib

SimulationTypeContinuous

IdeaSwitch

Sampletime(s)2e-6s默認(rèn)參數(shù)

L=100μH

Three-PhaseSeriesRLCBranch模塊

powerlib/Elements

BranchTypeLInductanceL100e-6C=100μF

BranchTypeCCapacitanceL100e-6BusSelector模塊Simulink/SignalRouting

08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析§8-6可控電抗器飽和特性建模分析6.1描述物理模型

舉例3：圖8-33表示坡莫合金鐵芯，圖中I0表示直流偏磁磁勢(shì)（假設(shè)直流控制繞組的匝數(shù)為N0且N0=1），左邊繞組為交流激勵(lì)繞組（匝數(shù)為NS），交流激勵(lì)電壓為：圖8-33基于可控電抗器的檢測(cè)繞組和激勵(lì)繞組6.2構(gòu)建仿真模型

圖8-33所示的右邊繞組為檢測(cè)繞組，其匝數(shù)為n，坡莫合金鐵芯的B-H特性曲線的表達(dá)式為： H=14.89*B+596.25*B^3-830.59*B^5+2.48*sinh(8.98*B) （8-33）試?yán)肕ATLAB軟件中的look-up模塊，繪制磁勢(shì)（Fm/A）-磁通（/Wb）曲線，以獲得坡莫合金鐵芯中檢測(cè)繞組的感應(yīng)電勢(shì)的波形。08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析

分析：要想獲得坡莫合金鐵芯中檢測(cè)繞組的感應(yīng)電勢(shì)，必須建立圖8-33中所示的物理模型的仿真模型，并將其保存為exm_3.slx，如圖8-34所示，它需要進(jìn)行以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：（1）建立交流激勵(lì)電源的仿真模型；（2）建立直流偏磁磁勢(shì)的仿真模型；（3）將兩種激勵(lì)信號(hào)疊加在鐵芯中，共同激勵(lì)鐵芯；（4）建立鐵芯的B-H特性曲線的仿真模型；（5）將B-H特性曲線的仿真模型，變換為磁勢(shì)（Fm=Hl，式中l(wèi)為鐵芯有效周長(zhǎng)）-磁通（=BS，式中S為鐵芯有效橫截面面積）曲線；（6）根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電勢(shì)um為：必須利用MATLAB軟件中的微分器模塊，以獲得感應(yīng)電勢(shì)。圖8-34基于look-up模塊的仿真模型08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析現(xiàn)將基本過程簡(jiǎn)述如下：（1）放置信號(hào)發(fā)生器SignalGenerator點(diǎn)擊“simulink”，點(diǎn)擊“sources”，點(diǎn)擊SignalGenerator，即可調(diào)出SignalGenerator模塊，且將它命名為“交流激勵(lì)電源”，它的波形為正弦波形，它的幅值A(chǔ)mplitude為38；它的頻率Frequency為130，頻率的單位Units為Hertz。（2）構(gòu)建直流磁勢(shì)的仿真模型其操作方法是：調(diào)出Constant模塊：點(diǎn)擊“simulink”，點(diǎn)擊“sources”，點(diǎn)擊Constant，即可調(diào)出Constant模塊，雙擊它，即可彈出它的屬性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在Constantvalue一欄輸入0，表示直流電流為零。（3）放置增益Gain模塊其操作方法是：點(diǎn)擊“simulink”，點(diǎn)擊“Mathoperations”，點(diǎn)擊Gain模塊，即可調(diào)出Gain模塊。雙擊該模塊，彈出它的屬性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將其設(shè)置為1，表示直流控制繞組匝數(shù)為N0=1。再放置一個(gè)Gain模塊，將其設(shè)置為100，表示交流激勵(lì)繞組匝數(shù)為NS=100。（4）放置加法器Sum模塊在“Mathoperations”模塊庫中調(diào)出，本例選擇“round”（圓形），將Listofsigns欄置為++。08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析（5）放置look-up模塊放置方法為：點(diǎn)擊“Simulinklibrarybrower”，點(diǎn)擊“simulink”，點(diǎn)擊“l(fā)ook-upTables”，即可調(diào)出look-up模塊，如圖8-36所示。圖8-36調(diào)用look-up模塊的方法雙擊該模塊，即可彈出它的屬性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖8-37所示，第一欄為輸入量，第二欄為輸出量，現(xiàn)將兩欄的輸入?yún)?shù)說明如下：圖8-37設(shè)置look-up模塊的參數(shù)對(duì)話框08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析

由于要得到look-up模塊的輸出量為磁通（韋伯Wb），因此就需要它的輸入量為磁勢(shì)（安匝(AT)）。因此，就需要將式（8-33）的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，再乘以鐵芯有效周長(zhǎng)l，以獲得磁勢(shì)（安匝(AT)），將它的磁感應(yīng)強(qiáng)度B再乘以鐵芯有效截面面積S，以獲得磁通（韋伯Wb）。由于已知鐵芯的中心半徑為35mm，橫截面面積為100mm2。因此，在look-upTable的屬性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中的第一行的Tabledata參數(shù)設(shè)置為：(14.89*[-0.78:0.0001:0.78]+596.25*[-0.78:0.0001:0.78].^3-830.59*[-0.78:0.0001:0.78].^5+2.48*sinh(8.98*[-0.78:0.0001:0.78]))*2*pi*0.035；第二行的Breakpoints1參數(shù)設(shè)置為：([-0.78:0.0001:0.78])*100e-6。（6）放置微分器Numericalderivative放置方法為：點(diǎn)擊“Simulinklibrarybrower”，點(diǎn)擊“simulink”，點(diǎn)擊“Continuouse”，點(diǎn)擊“derivative”，即可調(diào)出derivativedu/dt模塊。（7）放置增益Gain模塊再放置增益Gain模塊，放置方法前面已經(jīng)講述過，雙擊該模塊，彈出它的屬性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將其參數(shù)設(shè)置為100，它表示檢測(cè)繞組匝數(shù)為n=100。（8）按照?qǐng)D8-37所示模型連接各個(gè)功能模塊，設(shè)置仿真參數(shù)，Starttime為0，stoptime為0.4，其它為默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊仿真快捷鍵圖標(biāo)，啟動(dòng)仿真程序。08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析6.3分析仿真結(jié)果

圖8-38表示直流磁勢(shì)為零安匝（AT）時(shí)獲得的磁通波形；圖8-39表示直流磁勢(shì)為零安匝（AT）時(shí)獲得的感應(yīng)電勢(shì)波形。圖8-38直流磁勢(shì)為零時(shí)的磁通波形圖8-39直流磁勢(shì)為零時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)波形08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析

圖8-40直流磁勢(shì)為-200安匝（AT）時(shí)獲得的磁通波形；圖8-41直流磁勢(shì)為-200安匝（AT）時(shí)獲得的感應(yīng)電勢(shì)波形。圖8-40直流磁勢(shì)為-200安匝(AT)時(shí)的磁通波形圖8-41直流磁勢(shì)為-200安匝(AT)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)波形08§8-6可控電抗器飽和特性建模分析

圖8-42表示直流磁勢(shì)為200安匝（AT）時(shí)獲得的磁通必須；圖8-43表示直流磁勢(shì)為200安匝（AT）時(shí)獲得的感應(yīng)電勢(shì)波形。

分析圖8-38~圖8-43，可以得知，當(dāng)圖8-37所示仿真模型中存在直流偏磁磁勢(shì)時(shí)，檢測(cè)繞組獲得的感應(yīng)電勢(shì)的正負(fù)半波不對(duì)稱。圖8-42直流磁勢(shì)為200安匝(AT)時(shí)的磁通波形圖8-43直流磁勢(shì)為200安匝(AT)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)波形08§8-7供電系統(tǒng)相序示例分析§8-7供電系統(tǒng)相序示例分析7.1描述物理模型

舉例4：供電系統(tǒng)的原理示意如圖8-44所示，假定供電點(diǎn)電壓Vin表示相-相電壓有效值，且為735kV，保持恒定，當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)A相母線發(fā)生A相對(duì)地短路故障，試構(gòu)建該系統(tǒng)的仿真模型，利用三相相序分析模塊，分析以下物理量：（1）A相發(fā)生接地故障后的正序、負(fù)序、零序分量；（2）A相發(fā)生接地故障后的A、B和C三相電壓的波形；（3）A相發(fā)生接地故障后的A、B和C三相電流的波形。圖8-44供電系統(tǒng)的原理示意圖分析：按照MATLAB軟件中傳輸線模塊的參數(shù)順序，現(xiàn)將傳輸線路L的參數(shù)依次羅列如下：（1）相數(shù)/個(gè)數(shù)：3；（2）RLC頻率/Hz：50（3）單位長(zhǎng)度電阻/（Ω/km）：[0.012730.3864]，需要提醒的是，對(duì)于三相連續(xù)傳輸線而言，只需要提供正序和零序的單位長(zhǎng)度的電阻參數(shù)即可；（4）單位長(zhǎng)度電感/（H/km）：[0.9337e-34.1264e-3]，需要提醒的是，對(duì)于三相連續(xù)傳輸線而言，只需要提供正序和零序的單位長(zhǎng)度的電感參數(shù)即可；（5）Capacitanceperunitlength(F/km)單位長(zhǎng)度電容/（F/km）：[12.74e-97.751e-9]，需要提醒的是，對(duì)于三相連續(xù)傳輸線而言，只需要提供正序和零序的單位長(zhǎng)度的電容參數(shù)即可；（6）線路長(zhǎng)度/（km）：300。08§8-7供電系統(tǒng)相序示例分析7.2構(gòu)建仿真模型元件名稱

模塊名稱

所屬模塊庫

參數(shù)設(shè)置備注名稱取值單位

30,000MVA735kV

Three-PhaseSource模塊

powerlib/ElectricalSources

Phase-to-phasermsvoltage735000V

PhaseangleofphaseA0°

Frequency50Hz

InternalconnectionYg

Specifyimpedanceusingshort-circuitlevel?

設(shè)置短路參數(shù)3-phaseshort-circuitlevelatbasevoltage30000e6VA

Basevoltage735e3V有效值X/Rratio10

SequenceAnalyzer

SequenceAnalyzer模塊

powerlib_meascontrol/Measurements

Fundamentalfrequency(Hz)50Hz

Harmonicn(1=fundamental)1

Sequence選擇Positive,Negative,Zero

全選Initialinput[Mag,Phase(degrees)][0,0]

初態(tài)為0其余為默認(rèn)參數(shù)-DemuxSimulink/SignalRoutingNumberofoutputs3共需要4個(gè)該模塊

MuxSimulink/SignalRoutingNumberofinputs3共需要4個(gè)該模塊08§8-7供電系統(tǒng)相序示例分析Three-PhaseV-IMeasurement

Three-PhaseV-IMeasurement模塊

powerlib/Measurements

Voltagemeasurementphase-to-groundV測(cè)試相-地電壓CurrentmeasurementyesA測(cè)試電流其余不用選擇和輸入Line(300km)

DistributedParameterLine模塊

powerlib/Elements

Numberofphases3

FrequencyusedforRLCspecifications(Hz)50Hz

Resistanceperunitlength(ohm/km)單位長(zhǎng)度電阻[0.012730.3864]Ω/km

Inductanceperunitlength(H/km)單位長(zhǎng)度電感[0.9337e-34.1264e-3]H/km

Capacitance