【正文】 MATLAB 仿真 同步電機(jī)模型的 MATLAB仿真摘要 采用電力電子變頻裝置實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電機(jī)歷來的恒速運(yùn)行不能調(diào)速的面貌，使它和異步電機(jī)一樣成為調(diào)速電機(jī)大家庭的一員。系統(tǒng)啟動(dòng)仿真后，在經(jīng)歷了一開始的振蕩后，各輸出相對于輸出時(shí)間的響應(yīng)較穩(wěn)定。經(jīng)過十年左右的努力，到了 80 年代大見成效，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升，能源危機(jī)從而得以緩解。但要從理論上研究一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，一般比較困難，我們往往希望在保持其動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，將其簡化。除此以外，同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到 甚至超前。采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制后，同步電動(dòng)機(jī)便和同步電動(dòng)機(jī)一樣成為調(diào)速電機(jī)大家庭的一員。所以，同步電機(jī)的應(yīng)用已日趨廣泛，同步電機(jī)將在今后的電機(jī)系統(tǒng)研究中占有重要的地位。例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測部件所組成，用它來完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個(gè)特定目標(biāo)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)性能的一門學(xué)科，現(xiàn)在尤指利用計(jì)算機(jī)去研究數(shù)學(xué)模型行為的方法。我國早在 50 年代就開始研究仿真技術(shù)了，當(dāng)時(shí)主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計(jì)算機(jī)的仿真為主。它是 MathWork 公司于1982 年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽(yù)為“巨人肩上的工具” 。MATLAB 的名字象征著矩陣庫。在工業(yè)上它是用于高生產(chǎn)力研究，開發(fā)，分析的工具之一。在工具箱的范圍內(nèi)可以解決單個(gè)過程，控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊邏輯，小波，仿真及其他很多問題。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它既有“小型編程”的功能，快速建立小型可棄程序，又有“大型編程”的功能，開發(fā)一個(gè)完整的大型復(fù)雜應(yīng)用程序。同時(shí)也有開發(fā)，管理，調(diào)試，( profiling Mfiles， MATLAB’s applications。它包含有系列高級(jí)命令，其內(nèi)容包括二維及三維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動(dòng)畫制作，表現(xiàn)圖形。MATLAB 應(yīng)用程序編程界面。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是用不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulink 擁有全面的庫，如接收器，信號(hào)源，線形及非線形組塊和連接器。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。進(jìn)一步，可以改變其中的參數(shù)同時(shí)可以立即看到結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到MATLAB工作空間來做后處理和可視化。第 2章 同步電機(jī)基本原理 理想同步電機(jī) 理想同步電機(jī)假設(shè)眾所周知，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，同步電機(jī)可分為隱極機(jī)和凸極機(jī)兩類。這些假設(shè)是：（1） 電機(jī)鐵芯不飽和。（3） 定子三相繞組的自感磁場，定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感磁場，沿空氣隙按正弦律分布。而時(shí)實(shí)踐證明，按理想同步電機(jī)條件的分析、計(jì)算所得，誤差在允許范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子各繞組電流產(chǎn)生的磁通方向，與正軸或交軸正方向相同時(shí)，這些電流為正值。第 3章 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)對象 本次研究對象為典型的 5 馬力（） ，三相三線，230V，4 極同步凸極機(jī)，其參數(shù)如下：rs= r’r= Ω J=Lls=Llr’= Lm= 系統(tǒng)分塊 電源假設(shè)電機(jī)瞬間連接到穩(wěn)定的 60Hz，正弦輸出 230V rms 電壓源，則三相電壓定義為： （31）)3/27cos(230/)37cos(20?????tvttvcsbsas abc/dq轉(zhuǎn)換器派克變換是人們熟悉也是最廣泛運(yùn)用的坐標(biāo)變換之一。設(shè) 為 abc 坐標(biāo)下的變量， 為 dq 坐標(biāo)下的變量，abcf 0dqf定義 P 為求導(dǎo)算子，其轉(zhuǎn)換公式為： (32)abcdqPff?0式中 (33)????????????cbaqdffiif,0定義 (34)???????? ????2121)3sin()3sin(i 2co2co32????P 電機(jī)由式(214) 可得出電機(jī)的基本模型，基于先有電壓后有電流的習(xí)慣，且等式只在瞬間成立，可得出以下算式： )/dt(i*LPi*)(Pi*riL*)(PV*)(1/LP)/dt(i /dtiLiiris//ti ))/dt(r())( qsmdrrrqrdsmrqrrqr qdqd qrmrsdqssqs mqdd ??? ?? (35) 電磁轉(zhuǎn)矩由（29）帶入 dq 表達(dá)式輸入功率可得（3qdrsmqdrlrdqsmqdrlrqdrsrsmlsrslsse iLijipLiLi iiLjiiiP 39。)39。 ?????? ?6）因此，電功率在電機(jī)內(nèi)的終結(jié)有三個(gè)去向，第一部分消耗在定子和轉(zhuǎn)子的阻抗中，轉(zhuǎn)化成熱能；第二部分轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部儲(chǔ)存的磁能；剩下的那部分即用于輸出，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。39。其中對于輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為： （310 ）lrmeTdtJ??? (311)Prr/2為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度， 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。pi/3)*2cos(x1)*2)Vcba??????x(1)為電源頻率，x(2) 為電壓幅值 abc/dq轉(zhuǎn)換器從模擬電源得到的只是三相電壓，為了模型計(jì)算，需將其轉(zhuǎn)化成 d/q 坐標(biāo)下的值，轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)如圖 43: 3 f0s 2 fds 1 fqs Mux Mux MATLAB Function MATLAB F s 1 Integrator f(u) F Demux Demux 4 w 3 fcs 2 fbs 1 fas 圖 43 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊其原理是將三相電流表示為矩陣格式，而后用 matlab fuction 模塊實(shí)現(xiàn)矩陣乘法，乘上派克矩陣式（34） ，結(jié)果即為 d/q 坐標(biāo)下的 dq 兩相電壓。如圖(45)可以以改變 Bm 的值來調(diào)整輸出。0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101001020304050Iqs /A time /s 圖 53 定子 q 相電流的時(shí)間響應(yīng)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1005101520253035Ids /A time /s 圖 54 定子 d 相電流的時(shí)間響應(yīng)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 103025201510505Idrp /A time /s 圖 55 轉(zhuǎn)子 d 相電流的時(shí)間響應(yīng)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 105040302010010Iqrp /A time /s 圖 56 轉(zhuǎn)子 q 相電流的時(shí)間響應(yīng)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 105051015202530354045 TE N/m time /s 圖 57 電磁轉(zhuǎn)矩的時(shí)間響應(yīng)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100200400600800100012001400160018002022 wm rad/s time /s 圖 58 輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)間響應(yīng) 小結(jié)本次模擬主要仿真同步電機(jī)的起動(dòng)特性，從輸出圖象可以看出，系統(tǒng)在經(jīng)歷了一開始的動(dòng)蕩后，在段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在一定轉(zhuǎn)速上，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)功能需求變化時(shí)，無須重新創(chuàng)建工程，只須在原有的基礎(chǔ)上作一些增加、刪除或修改即可。然而對于同步電機(jī)而言，實(shí)際運(yùn)用中的主要調(diào)速手段為變頻控制，因此有必要在今后的研究工作中加入變頻器控制從而體現(xiàn)其實(shí)用價(jià)值。柴老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予了我諄諄教誨和無私幫助。再次給他們獻(xiàn)上最誠摯的謝意并以最深的祝福。 3． 陳伯石. 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第 2 版）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2022。 7． 李發(fā)海 王巖 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（第 2 版）. 北京：清華大學(xué)出版社，