【正文】 機(jī)外特性。王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)36圖 直流發(fā)電機(jī)外特性仿真波fILRaEaEaIiRaifIaELRfLfR （a）他勵 (b)串勵 (c)并勵 圖 （a、b、c）不同勵磁方式直流發(fā)電機(jī)原理圖由以上波形的下表 53。第一章主要介紹同步發(fā)電機(jī)的基本知識，闡述了同步發(fā)電機(jī)在發(fā)電廠的必要性，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)可以同時(shí)輸出有功和無功功率，能維持合格的電壓。國外中小型發(fā)電機(jī)發(fā)展，典型的有美國的 CATERPILLAR 公司和 MAGNETEK 公司生產(chǎn)的 SR4 等系列發(fā)電機(jī)。第二章主要介紹同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理，同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定。未來的發(fā)展趨勢，為滿足各行業(yè)的需求，應(yīng)改變同步電機(jī)品種規(guī)格少、派生及專用產(chǎn)品少的現(xiàn)象，同步發(fā)電機(jī)的開發(fā)和發(fā)展應(yīng)考慮到新能源開發(fā)、船舶、運(yùn)輸、石油化工等的發(fā)展需要以及技術(shù)發(fā)展的潮流。高速同步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上一是采用隱極式轉(zhuǎn)子，二是設(shè)置專門的冷卻系統(tǒng)；低速同步發(fā)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速較低，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。并勵比他勵下降的幅度更大，是因?yàn)椴铍姍C(jī)中不僅有電樞反應(yīng)和電樞電壓壓降起作用，而且端電壓的降低，還會引起勵磁電流的減少。仿真波形如下圖 512：結(jié)果分析：不同發(fā)電機(jī)外特性的仿真波形不同，因?yàn)椴煌l(fā)電機(jī)勵磁方式不同。m壓圖 異步電機(jī)直接啟動仿真波形圖 異步電機(jī)參數(shù)設(shè)置華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35結(jié)果分析：在額定電壓下直接啟動三相異步電動機(jī)，在啟動瞬間主磁通 約減少到額定值的一m?半，功率因數(shù) 又很低，造成啟動轉(zhuǎn)矩很大，從而導(dǎo)致啟動電流相當(dāng)大的結(jié)果。兩相線對線短路電流大約為三相短路電流的 倍。34。 負(fù)載兩相短路同步發(fā)電機(jī)負(fù)載兩相短路是基于不對稱運(yùn)行狀態(tài)，選擇 dqβ0坐標(biāo)系統(tǒng)仿真。 ④以上衰減過程結(jié)束后,發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路 ,電流變?yōu)?I =E0/Xd。因?yàn)殡姌须娏?Ia 快速衰減，使得振蕩過程持續(xù)時(shí)間短。由于電樞繞組的磁勢的介入，轉(zhuǎn)子繞組對此將立即作出反應(yīng)。11。.9。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27第五章 實(shí)例仿真分析 同步發(fā)電機(jī)仿真實(shí)例 三相突然短路同步電機(jī)的突然三相短路，是電力系統(tǒng)的最嚴(yán)重的故障，它是人們最為關(guān)心、研究最多的過渡過程。 （a）機(jī)械特性 （b）轉(zhuǎn)矩特性他勵串勵并勵并勵他勵串勵 并勵他勵n=1000r/minn=750r/min王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)26圖 直流電動機(jī)仿真結(jié)果機(jī)械特性：電動機(jī)加上一定的電壓和一定的勵磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。并勵直流發(fā)電機(jī)的電樞電流比他勵直流發(fā)電機(jī)多一個很小的勵磁電流，則相對并勵比他勵偏上。本仿真是已知在 750r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)的空載特性，額定勵磁電流為 ，求額定轉(zhuǎn)速1000r/min 時(shí)的額定空載電壓。機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速 n（或者轉(zhuǎn)差率 s）與電磁轉(zhuǎn)矩 T 的關(guān)系，呈非線性。 圖 異步電動機(jī)直接啟動仿真結(jié)果機(jī)械特性如圖 。 （a）無阻尼 （b）有阻尼華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23圖 繞組短路、定子突加對稱電壓仿真結(jié)果負(fù)載兩相短路如圖 。下面是仿真波形。控件退出功能關(guān)閉該仿真界面。彈出菜單的作用是選擇不同種類的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)分別顯示?？丶顺鲫P(guān)閉仿真界面。當(dāng)框一為請?jiān)谙旅孢x擇對比項(xiàng)時(shí)，在框二中選擇全部變化量，則會彈出提醒框。對于 simulink 建模的直接進(jìn)入 Modle 文件。退出按鈕功能是退出主界面，當(dāng)點(diǎn)擊退出時(shí)，會有提醒是否退出，如是，退出，如否，返回主界面。具體代碼見附錄 C。對于異步電動機(jī)的機(jī)械特性實(shí)現(xiàn)電阻值的選擇。（4）選擇實(shí)驗(yàn)特性后，通過按鈕可以打開實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的仿真模型并運(yùn)行。設(shè)計(jì)的主要思路如圖 ：同步發(fā)電機(jī) 異步發(fā)電機(jī) 直流發(fā)電機(jī) 直流電動機(jī)三相短路兩相短路單相短路 定子繞組突加對稱空載特性調(diào)整特性外特性轉(zhuǎn)矩特性機(jī)械特性仿真機(jī)械特性直接啟動主界面登陸界面仿真界 面繞組情況選擇對比情況選擇轉(zhuǎn)子電阻選擇電機(jī)類型選擇電機(jī)類型選擇轉(zhuǎn)速選擇具體說明如下：用戶接口設(shè)計(jì)：首先創(chuàng)設(shè)一個用戶登陸接口，要有用戶名輸入及密碼輸入，輸入正確方可進(jìn)入。 坐標(biāo)0dq?針對 d、q、O 系統(tǒng)及 a、 、O 系統(tǒng)在電機(jī)理論分析中的優(yōu)點(diǎn)及不足，綜合提出了一?種“旋轉(zhuǎn) 靜止” 坐標(biāo)系統(tǒng)，即 d、q、 _0 系統(tǒng)，本系統(tǒng)模型具備前兩種系統(tǒng)模型的優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)電感系數(shù)為常數(shù)，不對稱運(yùn)行時(shí)則約束條件簡單，因此更能反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，在電機(jī)的仿真計(jì)算中尤為有效。)。39。dkqkqkqtVRi???7）式中： 1122(39。39。39。其電路方程為： （3ddsqRtVi?????2） （3dqsqRti3） （339。（2）假定電樞繞組是正弦分布的。因而可以應(yīng)用迭加原理,即任何一個線圈中的電流單獨(dú)建立一個磁通勢，并產(chǎn)生一個磁通分量。對于同步發(fā)電機(jī)的對稱運(yùn)行問題，采用 dq0 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，這樣電感系數(shù)矩陣為常數(shù)陣，問題變得簡單。 關(guān)于 park 變換： 從數(shù)學(xué)意義上講，park 變換沒有什么，只是一個坐標(biāo)變換而已，從 abc 坐標(biāo)變換到dq0 坐標(biāo)，ua ，ub，uc ，ia，ib，ic，磁鏈 a，磁鏈 b，磁鏈 c 這些量都變換到 dq0 坐標(biāo)中，如果有需要可以逆變換回來。不同的情況有不同的表達(dá)形式。所以針對對稱與不對稱運(yùn)行選擇不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。Simulink 建模和仿真的基本步驟：啟動 Simulink 新建一個系統(tǒng)模型文件；根據(jù)系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學(xué)模型，在 Simulink Browser 中選取相關(guān)模塊；將選取的模塊按照模塊間的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行連接；設(shè)置系統(tǒng)的模塊參數(shù)；設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)；運(yùn)行仿真模型，進(jìn)行分析和調(diào)試。Simulink 是基于 MATLAB 環(huán)境之上的高性能的系統(tǒng)級防止內(nèi)設(shè)計(jì)平臺，因此啟動Simulink 之前必須首先運(yùn)行 MATLAB，然后才能啟動 Simulink 并建立系統(tǒng)模型。從分析研究角度講，這種 Simulink 模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。（4）其它考慮因素除了以上對接口的靜態(tài)要求外，還應(yīng)注意接口的動態(tài)性能。這是因?yàn)橛脩粼诔醮问褂眯陆涌跁r(shí)，總習(xí)慣于憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試探。那些可有可無的功能應(yīng)盡量刪去，以保持接口的整潔。其中用戶接口控件能夠創(chuàng)建各種常見控件，如按鈕、列表框、編輯框等；下拉菜單對象能夠創(chuàng)建各種菜單和子菜單；內(nèi)容菜單對象能夠創(chuàng)建內(nèi)容式菜單，如彈出式菜單等。所謂圖形用戶接口，簡單地說就是包含了各種圖形控制對象，如圖形窗口、菜單、對話框及文本等內(nèi)容的圖形接口。從傳統(tǒng)的命令輸入格式發(fā)展為圖形用戶的交互方式。第四步：根據(jù)等效電路求短路電流。 （22101133AAkBCkIII??????????????????????????2）第三步：根據(jù)上兩式作出同步發(fā)電機(jī)單相對中點(diǎn)短路的等效電路。實(shí)踐證明，就基波而言，不計(jì)飽和時(shí)，所得結(jié)果基本上是正確的。0dEUjXIj???0E?相量圖很直觀地顯示了同步電機(jī)各個相量之間的數(shù)值關(guān)系和相位關(guān)系，對于分析和計(jì)算同步電機(jī)的許多問題有較大的幫助作用。 U?aI 0E?（1）隱極電機(jī)相量圖畫法（如圖 ）① 在水平方向做出相量 ；U?② 根據(jù) j 角作出相量 ；aI③ 在 的尾端 ,加上相量 ，它超前 90176。 0asEU????對凸極電機(jī)來說： 。當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載為電感性時(shí)，電樞反應(yīng)磁場起去磁作用，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電壓降低；當(dāng)負(fù)載呈電容性時(shí)，電樞反應(yīng)磁場起助磁作王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)6用,會使發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。當(dāng)發(fā)電機(jī)接上對稱負(fù)載后，電樞繞組中的三相電流會產(chǎn)生另一個旋轉(zhuǎn)磁場，稱電樞反應(yīng)磁場。在外特性中，從空載到額定負(fù)載時(shí)電壓的變化程度稱為電壓變化率 U，常用百分?jǐn)?shù)表示為20～40％。②空載特性結(jié)合短路特性(在后面介紹 )可以求取同步電抗的不飽和值。如圖 .O氣隙線CfNINU0 0()fEI?fI 圖 同步發(fā)電機(jī)空載特性當(dāng) If 較小時(shí)，F(xiàn) f 較小，磁路不飽和，E 0=f(If)呈直線（將其延長后的射線稱為氣隙線） 。（1）空載特性 　發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行。lfL39。kdR+39。lLmqqV+qi 39。kqR139。它是進(jìn)行同步電機(jī)及電力系統(tǒng)動態(tài)分析的基礎(chǔ)。由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割活動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。最常用的是轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī),其定子鐵心的內(nèi)圓均勻散布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按規(guī)律排列的三相對稱繞組。最后對該仿真設(shè)計(jì)具體框圖，構(gòu)建的過程進(jìn)行介紹，最終得到框圖實(shí)形。首先介紹同步發(fā)電機(jī)的基本原理，得到其數(shù)學(xué)模型，同時(shí)了解一下其主要的工作特性。 滿足各行業(yè)的需求，應(yīng)改變同步電機(jī)品種規(guī)格少、派生及專用產(chǎn)品少的現(xiàn)象，同步發(fā)電機(jī)的開發(fā)和發(fā)展應(yīng)考慮到新能源開發(fā)、船舶、運(yùn)輸、石油化工等的發(fā)展需要以及技術(shù)發(fā)展的潮流。近年無錫電機(jī)廠又引進(jìn)了西門子公司最近開發(fā)的 1FC2 系列無刷三相同步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)為整園凸極沖片，克服了原西門子公司 1FC1FC6 隱極結(jié)構(gòu)體積偏大，重量偏重的不足。在這段時(shí)間還開發(fā)了 ST系列有刷單相同步發(fā)電機(jī)，此系列電機(jī)出口量較大。應(yīng)急備用電站在突發(fā)事件中的防災(zāi)、救護(hù)保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全有著不可替代的作用。無刷同步發(fā)電機(jī)其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率已普遍達(dá)到士 %~士%，瞬態(tài)電壓調(diào)整率一般在 12%~20%以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間一般在以內(nèi)，普遍采用一種特殊形狀的高壓內(nèi)用全阻尼繞組，并有無功補(bǔ)償裝置。這種轉(zhuǎn)子不僅其機(jī)械和絕緣強(qiáng)度提高了，而且由于繞組匝長縮短，節(jié)省了銅材。 國內(nèi)外中小型發(fā)電機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 國外中小型發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀國外中小型發(fā)電機(jī) F 級絕緣已被廣泛采用， H 級絕緣經(jīng)常使用或與 F 級混用，溫升按 F 級考核。準(zhǔn)同步并聯(lián)的操作可以手動，也可以借自動裝置完成。而通過調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機(jī)無功功率分配和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。為了使同步發(fā)電機(jī)能投入并聯(lián)運(yùn)行，首先必須有一個同步并聯(lián)的過程。 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 同步發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)是并聯(lián)運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電的。按照推力軸承的安放位置，立式水輪發(fā)電機(jī)分為懸吊式和傘式兩種。 ② 臥式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環(huán)形成的一個短接回路。由于轉(zhuǎn)速較低，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。為此，已研制出多種冷卻系統(tǒng)。護(hù)環(huán)是由高強(qiáng)度合金制成的厚壁圓筒，用以保護(hù)勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出；中心環(huán)用以防止繞組端部的軸向移動，并支撐護(hù)環(huán)。在每一個極距內(nèi)約有 1/3 部分不開槽，形成大齒；其余部分的齒較窄，稱作華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1小齒。為適應(yīng)高速、高功率要求，高速同步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上一是采用隱極式轉(zhuǎn)子，二是設(shè)置專門的冷卻系統(tǒng)。前者多用于火電廠和核電站；后者多與低速水輪機(jī)或柴油機(jī)聯(lián)動。交流電是有頻率周期的，交流電的大小方向隨時(shí)間變化。眾所周知, 電機(jī)行業(yè)是一個傳統(tǒng)的機(jī)電制造行業(yè), 其發(fā)展已有二百多年的歷史, 對整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著相當(dāng)重要的作用。同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的能量提供者，是電力系統(tǒng)中最重要和最復(fù)雜的元件，由多個具有電磁耦合關(guān)系的繞組構(gòu)成。2022 年以后，我國已形成全國互聯(lián)大電網(wǎng)，系統(tǒng)互聯(lián)和新技術(shù)的采用，使得電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性要求越來越高。同步發(fā)電機(jī)突然短路的暫態(tài)過程所產(chǎn)生的沖擊電流可能達(dá)到額定電流的十幾倍，對電機(jī)本身和相關(guān)的電氣設(shè)備都可能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此對同步發(fā)電機(jī)動態(tài)特性的研究歷來是電力系統(tǒng)中的重要課題之一。是一種最常用的交流發(fā)電機(jī)。 同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和分類 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)按其轉(zhuǎn)速分為高速和低（中）速兩種。核電站多用 4 極電機(jī)，轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/ 分（當(dāng)電網(wǎng)頻率為 60赫時(shí)，為 1800 轉(zhuǎn)/分） 。隱極式轉(zhuǎn)子一般由高強(qiáng)度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開口形，以便安裝勵磁繞組。隱極式轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子本體軸向兩端還裝有金屬的護(hù)環(huán)和中心環(huán)。因此，當(dāng)電機(jī)尺寸增大時(shí)（受材料限制，增大電機(jī)容量就得加大其尺寸） ，電機(jī)每單位表面上需要散發(fā)