电动机仿真设计

摘要

在电力系统中，因运行环境、可操作性问题的限制，现场对同步发电机测试不太现实，因此，利用软件仿真的方法对同步发电机进行仿真研究就显得极其重要，此次设计的内容便是是同步发电机突然短路仿真，不仅要了解同步发电机短路情况，还要学会MATLAB的应用，MATLAB是现今在电路、信号与系统、数字信号处理、图像处理和电力系统仿真上应用最广泛的，本次设计我们用到MATLAB中的Simulink仿真工具进行同步发电机突然短路仿真，Simulink模块库为用户提供了大量的系统模块，我们用到其中的电力系统模块库，选择好元器件进行参数设置后，然后通过MATLAB软件中的Simulink建立同步发电机的仿真模型，对所列出来的短路故障进行仿真，观察示波器中的波形，更好地掌握同步发电机短路故障状态下的各特性，对各短路故障进行了仿真实验，从仿真结果可以更直观地了解同步发电机短路故障状态下的特性指标，尽量避免发生短路故障或及时对短路故障做出相应的正确措施，更合理选择保护装置。

关键词：Simulink；短路故障；仿真

ABSTRACT

In the power system, the operation environment, the problem of synchronous generator testing is not realistic, therefore, simulation research on synchronous generator simulation is very important, the design of the synchronous generator sudden short-circuit simulation, not only to understand the synchronous generator short-circuit situation, MATLAB is the circuit, signal and system, digital signal processing, image processing and power system simulation of sudden short circuit simulation, Simulink module library for users to provide a large number of system module library, select good components parameter settings, and then through the MATLAB software S software Simulink software, and then through the MATLAB software. In Imulink to establish the simulation model of synchronous generator, the short circuit faults are simulated, the oscilloscope waveform, better grasp the characteristics of the synchronous generator short-circuit fault state, the short-circuit fault simulation experiments, from the simulation results can be more intuitive understanding of the characteristics of synchronous generator short-circuit fault condition, try to avoid short circuit faults or timely to make appropriate measures to short-circuit fault, a more reasonable choice of protection device.

Keywords：Simulink；Short trouble; Simulation

第1章绪论

1.1 MATLAB的应用

MATLAB在电路、信号与系统、数字信号处理、图像处理和电力系统仿真上得到广泛应用，在仿真技术领域发挥着重要作用，在众多的计算机仿真工具中，MATLAB享有最高权威并且最为常用，此次设计课题同行发电机突然短路MATLAB仿真设计将通过在Simulink中建立相关实验系统，从而获取同步发电机突然短路时各项性能指标，以便及时对所发生的故障采取合理的预防措施，使得三相同步发电机正确使用、保护装置的选取都十分重要。

1.2 同步发电机的发展

同步发电机是把机械能转换为交流电能的转换设备，自备电站过去的柴油发电机组同步发电机的励磁，广泛采用直流发电机提供励磁电流来发电的。这种励磁方式，由于应用直流发电机，存在交流电变为直流电通过整流子进行变换，而励磁电流又通过同步发电机的钢环和炭刷向励磁绕组提供，因此，对维护和保证安全运行方面都带来很多问题。为了改进这种励磁方式，20世纪60年代主要发展了带静止硅整流器的自励恒压同步发电机，这种发电机依然存在炭刷和滑环，仍需要经常维护，而且产生无限电磁干扰。为了从根本解决存在的问题，现代的同步发电机，通过改进和发，广泛采用同轴交流无刷励磁机和旋转整流器的无刷同步发电机。

第2章同步发电机突然短路分析

2.1 突然短路的原理

短路是同步发电机的一种重要的瞬态现象，发电机发出的电能，要经过母线、升压变压器、输电线路和降压变压器等环节才能送达用户，这其中任何一个环节或设备发生故障短路，即便有保护装置，但由于其跳闸需要一定时间，所以也不能使同步发电机免遭短路电流的冲击，突然短路过程虽然很短暂，但瞬态短路电流的峰值却可能达到发电机额定电流的二十几倍，所产生的巨大电磁力可能破坏绕组端部绝缘或使转轴、机座产生有害变形。因此，必须对突然短路过程有深入的了解，以便在设计、制造同步发电机时考虑它的影响。

同步电机短路时，由于定子绕组中周期分量电流突变将对转子产生电枢反应，该反应产生交链励磁绕组的磁链。为了维持励磁绕组在短路瞬间总磁链不变，励磁绕组内将产生直流电流分量，其方向与原有的励磁电流方向相同，它产生的磁通也有一部分要穿过定子绕组，从而使定子绕组的周期分量电流增大。因此在有限容量系统突然发生三相短路时，短路电流的初值将大大超过稳态短路电流，最终衰减为稳态短路电流。

2.2 发电机突然短路的特点

1.稳态短路时，由于同步电抗较大，因而其稳态短路电流并不大，而突然短路时，由于限制其电流的超瞬变电抗很小，而且含有直流分量，因而突然短路电流很大，其峰值可以达到额定电流的十多倍。

2.随着这一冲击电流的出现，电机的绕组将受到很大的冲击电磁力的作用，可能使绕组变形，甚至绕组的绝缘受损。

3.突然短路过程中，电机受到强大的短路转矩的作用，可有发生振动。

4.电机的定转子绕组出现过电压现象。

2.3 理想中的同步发电机

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析。这些假设是：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。

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3

2 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。

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。

第3章仿真过程

3.1 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。Simulink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。

3.2 以simulink为基础的电力系统模块

电力系统工具箱（powersys）提供了电力传输和拖动中用到的各种子系统模型。它包含以下7大类库，含有数十种模块模型。

1.电源—包括交流电流源、交流电压源、直流源、可控电流源、可控电压源等。

2.元件—包括断路器、变压器、饱和变压器、串联rlc电路、并联rlc电路、浪涌吸收器等。

3.电机—同步电机、异步电机、永磁同步电机、水力涡轮调速机等另外包含可单独提取这些电机运转参数的各测量分路器。

4.电力电子—闸流管、二极管、理想开关等。

5.测量—电流测量、电压测量、功率测量等。

6.其他—控制模块、三相子库、直流电机、定时器等。

3.3 各元件选取及参数设置

1.所需其他仿真元件，如放大器、示波器、各类积分微分元件可在指令窗口中输入Simulink，回车，弹出仿真元件库对话框。从中选择所需模块。

图3-1 示波器元件图

2.SM的机械功率使用一个常数发生器设置，这个常数发生器名称改为PM，数值设为700E6，如图3-2。

SM的电压幅值也使用常数发生器设置，这个常数发生器名称改为VLLRMS，数值设为156E3，如图3-3。

图3-2 电压示波器参数设置图

图3-3 电流示波器参数设置图

3.从（MACHINES）元件库中选择简化的同步电机元件及同步电机参数设置。

图3-4 同步发电机图

图3-5 同步发电机参数设置图

4.从测量库中选择三相电压-电流测量元件(TREE-PHASE V-I MEASUREMENT)，进行参数设置。

图3-6 三相电压-电流测量元件图

图3-7 三相电压-电流测量元件参数设置图

5.从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器（Three-Phase Fault），并进行参数设置。

图3-8 三相线路故障发生器图

图3-9 三相线路故障发生器参数设置图

6.从线路元件库中选择三相并联RLC负载元件（3—Phase Parallel RLC Load），并进行参数设置。

图3-10 三相并联RLC负载元件图

图3-11 三相并联RLC负载元件参数设置图

7.选择选择器元件（selector），选择A相电流进行观察，并进行参数设置。

图3-12 信号输入选择器图

图3-13 信号输入选择器参数设置图

8.将选择器改成三相序分量分析器(3-Phase Sequence analyzer），并进行参数设置。

图3-14 三相序分量分析器图

图3-15 三相序分量分析器参数设置图3.4 各元器件布局及连线

1.当元件为输入信号选择器时的布局连线。

图3-16 同步发电机运行电路图

2.将输入信号选择器改成三相序分量分析器时的布局连线。

图3-17 同步发电机运行电路图

第4章仿真结果

4.1三相短路仿真结果

1.根据电路图和仿真参数进行电路仿真，在三相线路故障发生器中选择A、B、C 三相，在输入信号选择器中输入1代表故障点A相，然后点击仿真按钮观察示波器中故障点A相电流波形。

图4-1 故障A相电流波形图

由上图可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相线路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A，在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流发生变化，故障点A相电流波形上移，最大幅值为1900A左右，然后逐步下移。在0.4s时，三相短路过载发生器打开，相当于排除故障，此时故障点A相电流恢复稳态运行。

2.在三相线路故障发生器中选择A、B、C三相，在输入信号选择器中输入2代表故障点B相，然后点击仿真按钮观察示波器中故障点B相电流波形。

图4-2 故障B相电流波形图

由上图可以得出结论：在0.05s之前，故障点B相电流由于三相线路故障发生器处于断开状态，此时处于稳态，因而电流为余弦变化，幅值为1000A，在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点B相电流发生变化，故障点B相电流波形下移，最大幅值为-1900A左右，然后逐步上移，在0.4s时，三相短路过载发生器打开，相当于排除故障，此时故障点B相电流恢复稳态运行。

3.在三相线路故障发生器中选择A、B、C三相，在输入信号选择器中输入3代表故障点C相，然后点击仿真按钮观察示波器中故障点C相电流波形。

图4-3 故障C相电流波形图

由上图可以得出结论：在0.05s之前，故障点C相电流由于三相线路故障发生器处于断开状态，此时稳态，因而电流为余弦变化，幅值为1000A，在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点C相电流发生变化，最大幅值为1300A

左右，在0.4s时，三相短路过载发生器打开，相当于排除故障。此时故障点C相电流恢复稳态运行。

4.在三相线路故障发生器中选择A、B、C三相，在输入信号选择器中输入1、2、3代表故障点A、B、C相，然后点击仿真按钮观察示波器中故障点三相电流波形。

图4-4 故障点三相电流波形图

由图可知当输入信号选择器为三相时与单相波形一样。

5.在三相线路故障发生器中选择A、B、C三相，在输入信号选择器中输入1、2、3代表故障点A、B、C相，然后点击仿真按钮观察示波器中故障点三相电压波形。

图4-5 故障点三相电压波形图

由上图可以得出结论：同步发电机在0.05s之前三相线路故障发生器是断开的，处

于稳态，电压峰值基本在V5

8.0 左右，在0.05s时三相线路故障发生器是闭合的其

10

各相电压为0V，在0.4s时，三相短路过载发生器打开，相当于排除故障，故障消除后恢复为稳态运行。

6.将选择器改成三相序分量分析器(3-Phase Sequence analyzer),根据电路图和仿真参数进行电路仿真，激活仿真按钮查看仿真的波形,故障点A相基频电流各序分量幅值和相角。

图4-6 故障点A相基频电流各序分量幅值和相角图

由上图可以得出以下结论：

正序电流在0.05s之前，由于三相线路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流正序分量的幅值从0上升为1000A，相角在0℃到-60℃之间平稳变化。在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流的正序分量发生变化，最大幅值达到1300A左右，后续不断衰减，相角在180℃到-180℃之间线性变化。在0.4s时三相短路过载发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流正序分量的幅值变化在1000A左右，而且相角变化不发生改变。

负序电流在0.05s之前，由于三相线路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流正序分量的幅值从200左右变化到接近于0A，相角周期变化，在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流的负序分量发生变化，最大幅值达到200A并快速衰减到10A左右，相角周期变化，在0.4s时三相短路过载发生器打开，相当于排除故障，此时故障点A相电流负序分量的幅值变化到10A，相角周期变化。

4.2两相短路仿真结果

1.将三相线路故障发生器中的故障相选为B相和C相，在输入信号选择器中输入1代表故障点A相，点击仿真按钮进行相间短路仿真，BC两相短路时A相电流波形。

图4-7 A相电流波形图

由上图可以得出以下结论：在0.05s之前，故障点A相电流由于三相线路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A，在0.05s时三相线路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，A相为非故障相，电流不变。在0.4s时，三相短路过载发生器打开，相当于故障排除，此时A相电流恢复稳态运行。

2.将三相线路故障发生器中的故障相选为B相和C相，在输入信号选择器中输入2代表故障点B相，点击仿真按钮进行相间短路仿真，BC两相短路时B相电流波形。