励磁系统仿真模型
MATLABSIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真
MATLABSIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真一、本文概述随着电机控制技术的快速发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）在工业、交通和能源等领域的应用越来越广泛。
矢量控制作为PMSM的一种高效控制策略，能够实现对电机转矩和磁链的精确控制，从而提高电机的动态性能和稳态性能。
然而，在实际应用中，矢量控制系统的设计和调试过程往往复杂且耗时。
因此，利用MATLAB/Simulink进行永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究，对于深入理解矢量控制原理、优化控制策略以及提高系统性能具有重要意义。
本文旨在通过MATLAB/Simulink平台，建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并对其进行仿真分析。
本文将对永磁同步电机的基本结构和数学模型进行介绍，为后续仿真模型的建立提供理论基础。
本文将详细阐述矢量控制策略的基本原理和实现方法，包括坐标变换、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等关键技术。
在此基础上，本文将利用MATLAB/Simulink中的电机控制库和自定义模块，搭建永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并对其进行仿真实验。
本文将根据仿真结果，对矢量控制系统的性能进行分析和评价，并提出优化建议。
通过本文的研究，读者可以全面了解永磁同步电机矢量控制系统的基本原理和仿真实现方法，为后续的实际应用提供有益的参考和指导。
本文的研究结果也为永磁同步电机控制技术的发展和应用提供了有益的探索和启示。
二、永磁同步电机数学模型永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种高性能的电机，广泛应用于各种工业领域。
为了有效地对其进行控制，我们需要建立其精确的数学模型。
PMSM的数学模型主要包括电气方程、机械方程和磁链方程。
PMSM的电气方程描述了电机的电压、电流和磁链之间的关系。
在dq旋转坐标系下，电气方程可以表示为：V_d &= R_i I_d + \frac{d\Phi_d}{dt} - \omega_e \Phi_q \ V_q &= R_i I_q + \frac{d\Phi_q}{dt} + \omega_e \Phi_d其中，(V_d) 和 (V_q) 分别是d轴和q轴的电压；(I_d) 和 (I_q) 分别是d轴和q轴的电流；(\Phi_d) 和 (\Phi_q) 分别是d轴和q轴的磁链；(R_i) 是定子电阻；(\omega_e) 是电角速度。
同步发电机励磁系统的仿真
从 式 中可以看 出 ， 要 减小 系统 的稳 态误 差 ， 必须 增大 系统
（ 一） 同步发 电机 的传递 函数 要 仔细 分析 同步发 电机 的传递 函数是 相 当复杂 的 ．但 如
果 只 研 究 发 电 机 空 载 时 励 磁 控 制 系 统 的 有 关 性 能 ， 则 可 对 发
调 节器 放大 倍数 Ｋ Ａ ． 而Ｋ Ａ 有 着临 界放大 系数 的限制 ， 若 超 出临
定 性 。 本 文 对 同 步发 电机 励 磁 系统 的 组 成 及 其 原 理 进 行 了 分析 ， 并 建 立 了其 相 应 的 数 学模 型 。 由 于 比 例 型 励 磁 调 节 器控 制 性 能 不
是很 好 ， 故设 计 了含有励磁 系统稳 定器的比例型励磁调 节器和 比例积 分型励磁调 节器。 设计的 结果符合预期 的要 求。
已知 同步发 电机和励 磁系统 的参数 如下 ：
控 制 系统 ， 它是 一个 典 型 的反馈 控 制系 统 ， 其 控制 原 理如 图 １
所示：
％ 暑毛 ｆ ‘ Ｉ ９ ｓ ， 蓦１ ， ｒ Ｉ 篇ｏ ． ６ 钿， 罩１ ． ０ ， ｆ Ｉ ． ＝Ｏ ． ０ ４ ｓ ，
＝１ ． ０ ，ｒ ＾＝ｏ ． ｏ ２ ｓ
调 节 器 的 励 磁 系 统 的稳 定 性 不 好 ， 需要 进行 改进 。
骢 （ 懦 雠 二） 直流励 磁机 的数 学模 型
厂 ＿ 、 、 （ 二
＜
发电机
、
绪 论
随着 电力工 业 的迅速 发展 ．现代 电力 系统 的规模 越来 越
大， 保 证电力 系统运 行 的稳 定性 和 可靠性 ， 提 供优 质的 电能 对 国民经济 和人 民的生 活水平 的提 高有着 极为 重要 的作用 和 意
船用同步发电机可控相复励励磁系统的仿真
万方数据
船用同步发电机可控相复励励磁系统的仿真——武福愿，高海波，赵文科
励磁电流迅速下降；与此同时，端电压迅速升高。
之后，励磁电压和端电压都恢复到空载水平。上 述一系列变化均与理论和事实相符。
在实验输出的同步发电机的端电压波形图
上，取出端电压的最大稳定值Ｕ～、端电压的瞬态
最大值Ｕ。。和瞬态最小值‰。。，（发电机的额定
１）就定子与转子的相互影响而言，定子绕组
沿气隙是正弦分布的。
２）定子槽不会引起转子电感随转子位置而 变化。
３）忽略磁滞的影响。 ４）忽略磁饱和的影响。 前３点假设是合理的，已由实际的测量结果 所证实。第４点假设是为了分析方便而设定的。
忽略磁饱和时，只需处理线性耦合电路，并可用叠 加原理。
同步发电机采用５阶模型，做如下简化：
相复励装置的等效合成电势有效值Ｅ可以 表示为：
式中：【Ｅ刮卜同酽步＋（发Ｋ电１Ｉ机ｘ的）２端＋２电Ｕ压Ｋｌ；Ｉｘｓｉｎ∞ （３）
卜一同步发电机的负载电流；
ｚ广—功—率移相因电数抗角；；
Ｋ１－－－－９√２／７【。 将输入信号“的作用和合成电动势Ｅ的作 用叠加，可得到相复励装置的微分方程：
８３
万方数据
基于国内外同步发电机励磁装置的发展现状及趋势本文主要介绍了将can总线技术应用于励磁系统将调节器功率灭磁单元人机界面及对外接口等组成部分进行内部互联的技术方案目的是减少内部接线提高工艺水平提升励磁装置数字化智能化水平使其具有更强的市场竞争力和良好的性价比满足用户需求促进国产励磁装置总体技术水平的进步
试验总时间为１５ ｓ，第５ ｓ突加６０％额定电 流及功率因数为０．４的对称负载，第１０ ｓ人为设 置三相短路。为防止大负载启动时的电流冲击导 致保护装置的误动作，主空气开关的短路延时设 置为０．３ ｓ，整定电流为３Ｊ。。结果见图５。
电厂发电机励磁系统建模试验方案
**电厂#4发电机励磁系统建模和参数测试试验方案批准：审核：编写：**电厂2004年9月8日目录一总则 (1)1 概述 (1)2 试验目的 (1)3 试验原理方法 (1)4 试验仪器 (2)5 安全注意事项 (2)6 组织措施 (2)二试验项目 (3)1 空载频域法试验 (3)2 空载时域法（阶跃响应）试验 (4)3 解除试验接线 (4)附表：需要提供的发电机励磁系统有关参数表 (5)一总则1 概述**电厂4号机为容量100MW的汽轮发电机组，励磁系统为交流励磁机励磁方式，采用**厂生产的微机WKLT-05型自动励磁调节器。
根据省公司纪总[2002]25号《**省发电机励磁系统建模和参数测试工作会议纪要》的要求，需进行发电机励磁系统模型建立和参数测试工作，特编制此测试方案。
2 试验目的开展励磁系统建模和参数测试工作对电网安全稳定运行和各发电企业安全经济发供电都具有重要意义，也是**电网与华东联网后，联合电网运行管理的一项重要工作。
发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要的作用，对电力系统的动态过程影响大。
在电力系统分析工作中广泛应用发电机励磁系统数学模型，励磁系统（包括PSS）的数学模型是对发电机励磁系统物理过程的数学描述，作为电力系统机电暂态过程数学模型的重要组成部分，必须比较精确地模拟，才能为合理安排系统和电厂的运行方式、布置安全措施提供较为精确的仿真依据，从而充分利用各发电厂的发电能力，满足大功率向华东送电的需要。
根据省公司的检修计划，在**电厂选4号机检修完成前后，进行该发电机励磁系统模型和参数测试的现场试验。
试验时间约为8小时3 试验原理方法3.1 原理方法一（频域分析法）将发电机励磁系统及其各环节视为单输入－单输出系统，在A VR 的输入端注入由0.1～12Hz的伪随机小幅信号（HP35670A动态信号分析仪或其他装置输出的）产生的小幅伪随机干扰，用HP35670A仪器同时测量单输入－单输出环节的两端的随机摆动信号，由HP35670A仪器分析出频谱特性图，再的拟合出该环节的传递函数，即可以得出发电机励磁系统及其各环节的模型参数。
电气仿真建模
电气仿真建模电气系统在电厂仿真机中，是不可缺少的部分，根据其内容、工作原理，可分成不同的子系统，再分别建立各子系统的数学模型。
通过对实际发电机系统、励磁系统工作原理的研究，设计相应数学模型，在仿真机上搭建系统模型。
利用软件实时仿真电气系统，通过调整优化相应参数，系统模型数据稳定、逼真，提高了在实际电气系统培训中的应用。
标签：仿真机；数学模型；发电机；励磁引言随着电力系统复杂度越来越高、系统容量越来越大、高参数设备越来越多以及自动化程度越来越高，机组一旦发生故障，将对整个电力系统产生影响，为了提高电力生产的经济性和安全性，就要求电机运行人员具有较高的专业技能，具有较好的应变能力和操作水平，电厂仿真技术的广泛使用，可以有效提高电厂电机运行人员的应变能力、操作水平以及熟练程度。
仿真技术是在计算机技术发展基础上形成的，仿真技术可以模拟和再现机组的实际运行情况，借助建立在仿真技术基础上的仿真机可以对运行人员进行培训和考核。
1 电气仿真系统的数学模型电厂电气系统主要由发电机、厂用电、励磁系统和继保等组成。
在电气仿真中，核心就是发电机系统和励磁系统。
根据其物理原理，建立数学模型，实现静态部分（倒闸操作、开关逻辑）、动态部分（故障计算，潮流计算）仿真，也就是建立静态模型和动态模型。
静态模型是指系统或者过程在稳定状态或平衡状态下各输入量与输出量之间关系的数学描述，反映的是静态特性。
动态模型是指系统或过程在不稳定状态下各种参量随时间变化的数学描述。
在发电机的模型中，既包含了动态模型又含有静态模型。
1.1 发电机的仿真模型发电机是电力系统的核心，是电气仿真的重点，其模型应能够反映发电机的全部物理变化过程，包括转子运动方程、电压电流方程、电磁暂态数值计算等发电机的基本方程。
为简化分析，实际工程中通常将三相同步发电机作为“理想电机”处理，即假定：（1）A、B、C三相绕组结构完全相同且对称运行；（2）转子结构完全对称；（3）定转子铁心同轴且表面光滑，忽略齿谐波；（4）定、转子绕组电流在气隙中产生正弦分布的磁动势，忽略高次谐波；（5）磁路线性无饱和，无磁滞和涡流损耗，忽略集肤效应，即电机磁铁部分的导磁系数为常数。
单相变压器空载合闸励磁涌流特性的仿真建模及实验分析
铁芯漏磁通很小，X1σ 一般可忽略。不考虑铁芯饱和或在 铁芯饱和之前，式中 i1 和 就为线性关系，其关系如式（2）。
［Keywords］transformer; inrush current; closing angle of source voltage
当变压器空载合闸或掉电后恢复供电时，在变压器原方 绕组中会产生幅值很大的励磁涌流 [1]。励磁涌流一般峰值很大，
可达到一次侧额定电流的 4~8 倍，含有大量高次谐波，易引起 变压器继电保护装置误动 [2]。
目前为止励磁涌流主要有两个研究方向，一个是励磁涌 流识别技术 [3]，主要是正确识别电力变压器的励磁涌流。另一 个是励磁涌流抑制技术 [4]，主要是探索如何抑制和削弱励磁涌
流。本文针对单相变压器空载合闸暂态过程进行了仿真建模
和实验分析。
1 单相变压器空载合闸暂态分析 如图 1 所示，R1数据及分析利用录波仪记录励磁涌流的波形记下涌流峰值取其绝对值并用标幺值表示作出涌流峰值和电压合闸角之间的关系曲线具体见图5302515500201020406080100120140160180电压合闸角度励磁涌流峰值标幺值图5涌流峰值标幺值与电压合闸角的关系合闸角在0到90之间励磁涌流峰值随着合闸角增大而逐渐减小在90到180之间励磁涌流峰值随着合闸角增大而增大总体呈现一个v字形合闸角越靠近90则产生的励磁涌流越小越靠近0和180励磁涌流则越大
e
I
R
e
U
jXσ
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基于MATLABSimulinkSimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真
基于MATLABSimulinkSimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的快速发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的调速性能，在电动汽车、风力发电、机器人和工业自动化等领域得到了广泛应用。
然而，PMSM的高性能运行依赖于先进的控制系统，其中矢量控制（Vector Control, VC）是最常用的控制策略之一。
矢量控制，也称为场向量控制，其基本思想是通过坐标变换将电机的定子电流分解为与磁场方向正交的两个分量——转矩分量和励磁分量，并分别进行控制，从而实现电机的高性能运行。
这种控制策略需要对电机的动态行为和电磁关系有深入的理解，并且要求控制系统能够快速、准确地响应各种工况变化。
MATLAB/Simulink/SimPowerSystems是MathWorks公司开发的一套强大的电力系统和电机控制系统仿真工具。
通过Simulink的图形化建模环境和SimPowerSystems的电机及电力电子元件库，用户可以方便地进行电机控制系统的建模、仿真和分析。
本文旨在介绍基于MATLAB/Simulink/SimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真方法。
将简要概述永磁同步电机的基本结构和运行原理，然后详细介绍矢量控制的基本原理和坐标变换方法。
接着，将通过一个具体的案例，展示如何使用Simulink和SimPowerSystems进行永磁同步电机矢量控制系统的建模和仿真，并分析仿真结果，验证控制策略的有效性。
将讨论在实际应用中可能遇到的挑战和问题，并提出相应的解决方案。
通过本文的阅读，读者可以对永磁同步电机矢量控制系统有更深入的理解，并掌握使用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems进行电机控制系统仿真的基本方法。
发电机励磁系统建模及仿真
１２倍额定 电压下的饱和系数／ 。 ． ｜ ｓ
２・
・
第 ２期
刘金森 ， ： 电机励磁 系统建模及仿真 等 发
型的 Ｐ Ｓ Ｓ 。根据原始资料提供的 Ｐ Ｓ Ｓ 传递函数及试 验中确定的参数 ， Ｂ Ａ暂态稳定程序 中， 在 Ｐ 可以确 定采用 ｓ 型 Ｐ Ｓ Ｉ Ｓ 模型 ， 其框 图如 图 ５所示 ， 参数设
ｔｍ ｄ ｌｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ Ｉ ｈ ｓｐａ ｅ ，ｈ ｎ ｍｉ ｈａａ ｔ ｒｓｉｓａ ｄ ｒ ｌｖ ｎ ａ ａ ｔｒ ｆｔ ｅ ｅ ｃ ｔ－ ｅ ｍｏ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ａ ａ ｔ ｒ ． ｎ ｔ ｉ ｐ ｒ ｔ ｅｄｙ ａ ｃ ｃ ｒ ｃｅ ｔ ｎ ｅ ｅ ａ ｔｐ ｒ ｍｅｅ ｏ ｈ ｘ ｉ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ
２１ ０ １年 ２月 第 ｌ ４卷 第 ２期
２ １ ，Ｖ ｌ ４，Ｎｏ ２ ０ １ ｏ ，１ ．
贵州电力技术
ＧＵＩ ＺＨＯＵ ＥＬＥＣＴＲＩ ＰＯＷ ＥＲ Ｃ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
电 网科 技
Ｐｏ ｒＧｒｄ Ｔｅ ｈｎ ｌｇ ｗｅ ｉ ｃ ｏｏ ｙ
发 电 机 励 磁 系 统 建 模 及 仿 真
关键 词 ： 励磁 系统； 电机 ； 发 系统建模 ； 参数 ； Ｐ ＢＡ 文章编 号 ：０ ８— ８ Ｘ ２ １ ） ０ ０ — ３ 中图分类号 ： Ｍ ４ 文献标识码 ： １０ ０ ３ （ ０ １ ２－ ０ １ ０ Ｔ７ Ｂ
电力 系 统 已进 入 大 电 网、 电 压 、 机 组 的时 高 大 代 。随 着 电网规 模 的扩大 ， 机组 容 量 的提高 ， 机组 运 行稳 定性 的要 求 也 随之提 高 。发 电机励 磁 系统参 数 是 电 网运行 的重 要 参数 之 一 ， 电力 系统 的暂 态 稳 对 定控 制具 有重 要 作 用 。 因此 ， 有必 要 对 发 电机 组 的 励 磁 系统 进行 研究 分 析 ， 仿 真 软件 中建 立 励 磁 系 在
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谐波次数
5
7
11
13
17
19
23
25
谐波电流(A) 仿真值 119.5190 79.9521 50.6746 41.2459 28.3337 24.5506 17.6767 14.8737
计算值 129.5
92.5
58.9
49.8
38.1
34.1
28.1
25.9
整流式阻容保护仿真结果
自然换向角下
运行换向角下
u Lbdik / dt
仿真模型的有效性验证
• 励磁系统仿真模型 • 理论分析验证
– 励磁变压器模型的有效性验证
Z1k (%) 7.37
– 仿真波形与现场波形的对比分析 – 反相恢复电流仿真波形与理论波形的对比分析
• 现场运用的验证
– 仿真分析在重庆电力科学研究院直流融冰项目中的运 用
Hale Waihona Puke • 1、整流式有很好的抑 制效果但难以将过电压 抑制到50％以下。
• 2、抑制效果主要取决 于电容容量，但电容大 于一定值后，变化不明 显。
• 3、电阻起电荷泻放通
道的作用
图9
三角形及星型阻容保护仿真结果
图10 三角形仿真结果
图11 星型仿真结果
自然换向角与运行换向角 下的过电压波形
图12 自然换向角下过电压波形 图13 运行换向角下波形
• 组容装置抑制谐波的原理
• SCR谐波抑制仿真研究的可行性论证
图3－励磁系统仿真原理图
仿真波形与实测波形的对比分析
图4 仿真过电压波形
图5 实测过电压波形
反相恢复电流对比分析
图6 可控硅关断时的电流波形
ik1,ik3
If ik1
ik3
图7 仿真结果
t3 0 t1 t2 t4 t
融冰装置原理图及仿真结果
组容装置抑制谐波的原理
ZC
1
jC
ZL jL
I1（
I1
为基波电流有效值）
谐波使电网发生谐振的可能性大大增加（ 1/ LC ），使电气设备（旋转电机、
电容器、变压器等）运行不正常，增加附加损耗(铁损和铜损)，使设备温升过高， 降低绝缘强度，加速绝缘老化，并且可能引起谐波过电压。严重的谐波电压和谐 波电流能导致继电保护和自动控制设备的误动作，甚至损害设备。
– 仿真分析在三峡电站的应用
仿真结果及其分析
• 整流式
– 自然换向角下仿真结果 – 运行换向角下仿真结果
• 三角形及星型联结
SCR过电压及谐波抑制研究的展望
• 可控硅整流桥谐波的成分及危害
在直流电流连续的情况下，三相桥式整流电路交流侧电流包含 6k 1次特征谐波
电流，谐波电流有效值
In
1 n
容易导致误差 – 无法分析过电压参数变化的影响
• Saber仿真软件的优点及应用领域
励磁系统换向过电压产生的机理
图1 可控硅整流电路原理图
LB Ua Ub Uc
La k1 k3 k5
Lb
Lc
LQ
k4 k6 k2
图2 可控硅关断电流特性曲线
ik1,ik3
If ik1
ik3
t3 0 t1 t2 t4 t
主要内容
1. 本项目的意义 2. SCR励磁系统过电压产生的机理 3. 励磁系统仿真模型及其有效性验证 4. 仿真结果及其分析 5. SCR整流系统过电压及谐波抑制研究
的展望
本项目研究的意义
• 可控硅励磁系统在大型发电机励磁系统中得到了 广泛的运用，但换向过电压广泛存在
• 传统理论计算存在的缺陷
– 计算结果不够直观 – 忽略非自然换向角下，电压恢复过程中的充电效应，