【正文】 （b）有阻尼圖 負載兩相短路仿真結果負載單相短路如圖 。 （a）無阻尼 （b）有阻尼圖 負載單相短路仿真結果同步發(fā)電機：短路發(fā)生時，同步發(fā)電機的運行都出現(xiàn)振蕩不穩(wěn)定過程，經(jīng)過一定時間后，同樣會達到了一個新的穩(wěn)定過程；各種短路情況的有阻尼與無阻尼相比較，其無華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 25阻尼的振蕩幅度都小于有阻尼，并且無阻尼的響應快于有阻尼。（2） 異步電動機：直接啟動如圖 。 圖 異步電動機直接啟動仿真結果機械特性如圖 。圖 異步電動機機械特性直接啟動：輸出端對應情況：Out1——相間電壓(V)，Out2——轉子電流(A) ，Out3——定子電流(A) ，Out4—— 轉速（n/m），Out5—— 轉矩（N*m）。相間電壓為正弦變化，其啟動轉矩較大，啟動電流也較大。轉速從零迅速上升，當 t=，啟動過程結束，進入王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計26穩(wěn)定運行狀態(tài)。機械特性：轉速 n（或者轉差率 s）與電磁轉矩 T 的關系，呈非線性。當 s 較小時，每極的磁通量幾乎為常數(shù)，轉子每極電阻 R2 起主導作用；當 s 增大時很多時，定子電流與定子漏阻抗壓降要增大，致使電動勢與電壓相差很大，每極的磁通量減少，轉子每相漏電抗 X2s 起主導作用。（2） 直流發(fā)電機如圖 。 （a）空載特性 （b）調整特性 （c）外特性圖 直流電動機仿真結果空載特性：不同勵磁方式的發(fā)電機，空載特性基本相同，以他勵直流發(fā)電機為例。本仿真是已知在 750r/min 轉速時的空載特性，額定勵磁電流為 ，求額定轉速1000r/min 時的額定空載電壓。采用樣條插值的方法，在圖上可直觀的得到電壓值。調整特性：端電壓恒定時，負載電流與勵磁電流的關系。波形之所以略上翹是因為在負載電流增加時，如果不增加一些勵磁電流以補償電樞反應的去磁作用及電壓回路的電阻壓降，則不能維持端電壓的恒定。并勵直流發(fā)電機的電樞電流比他勵直流發(fā)電機多一個很小的勵磁電流，則相對并勵比他勵偏上。外特性：當勵磁電流為額定電流時，端電壓與負載電流之間的關系。通常是隨負載電流的增大而向下垂。（3） 直流電動機如圖 。 （a）機械特性 （b）轉矩特性他勵串勵并勵并勵他勵串勵 并勵他勵n=1000r/minn=750r/min華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 27圖 直流電動機仿真結果機械特性：電動機加上一定的電壓和一定的勵磁電流時，轉速與電動機電磁轉矩的關系。并勵電機的轉速與電磁轉矩的負數(shù)成正比，波形呈線性；串勵電機的轉速與電磁轉矩的二次方根成反比，呈曲線。 轉矩特性：在其他條件不變時，當負載變化時，電磁轉矩隨負載電流的變化規(guī)律。他勵與并勵的勵磁電流與負載電流無關，則電磁轉矩與負載電流成正比，而串勵的勵磁電流隨著負載電流的變化而變化，因此其電磁轉矩與負載電流的平方成正比。王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計28第五章 實例仿真分析 同步發(fā)電機仿真實例 三相突然短路同步電機的突然三相短路，是電力系統(tǒng)的最嚴重的故障，它是人們最為關心、研究最多的過渡過程。 三相突然短路屬于對稱運行狀態(tài)，基于 dq0 坐標系統(tǒng)。其數(shù)學模型如第三章所述。發(fā)電機的基本參數(shù)如下： 111110。.9。24。.7.。fdkdkqfdmmfdkdkqmqafdadakqmfdfrRERUwLLEMLM???????。11。dkmkqmqfd????一、仿真波形如下：圖 三相突然短路有阻尼仿真結果華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 29圖 三相突然短路無阻尼仿真結果結果分析：（1）突然短路時產(chǎn)生的沖擊電流可高達額定電流的 1020 倍。突然短路后,根據(jù)磁鏈不變原則,電樞繞組各相都產(chǎn)生一個非周期性的直流電流，導致電樞電流增大。同時電樞繞組產(chǎn)生一組對稱三相周期性交變電流,并在氣隙中產(chǎn)生一個合成旋轉磁勢 Fa。由于電樞繞組的磁勢的介入，轉子繞組對此將立即作出反應。由于轉子上的勵磁繞組 F 和阻尼繞組 Z 是閉合繞組,遵循磁鏈不變原則。F 和 Z 分別產(chǎn)生非周期性直流電流 IF和 IZ,這些電流將產(chǎn)生恒定磁通以抵消 Fa，使得 Fa 只能繞道而行(通過 F 繞組和 Z 繞組的漏磁路閉合), 這條磁路的磁阻很大,要產(chǎn)生一定的電樞反應磁通 Fa，就需要很大的電樞電流，所以突然短路電流比穩(wěn)態(tài)短路電流大得多。（2）突然短路到進入穩(wěn)態(tài)短路的過程所持續(xù)的時間很短。因為電樞電流 Ia 快速衰減，使得振蕩過程持續(xù)時間短。電樞電流 Ia 衰減的規(guī)律如下：①從超瞬態(tài)電流 I衰減到瞬態(tài)電流 I’這一階段的衰減量 (I I’)由阻尼繞組中對應電流的衰減而引起。 ②從瞬態(tài)電流 I到穩(wěn)態(tài)電流 I,這一階段的衰減量(I I)由勵磁繞組中對應電流的衰減而引起。 ③電樞電流的非周期性分量 IA 的衰減由定子繞組本身的電阻引起。 ④以上衰減過程結束后,發(fā)電機進入穩(wěn)態(tài)短路 ,電流變?yōu)?I =E0/Xd。 二、對三相同步發(fā)電機有阻尼與無阻尼波形進行對比，情況如下：王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計30圖 定子電流對比圖 轉子電流對比華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 31圖 電樞電流對比結果分析：根據(jù)以上波形對同步發(fā)電機三相短路有阻尼與無阻尼的對比，得到下表 51。表 51 三相短路分析結果 幅 值 變 化 響 應 快 慢 對比項選項 有阻尼 無阻尼 有阻尼 無阻尼定子電流（I d） 變化大 變化小 慢 快轉子電流（I fd） 變化大 變化小 慢 快電樞電流（I a） 變化大 變化小 慢 快 由上表的無阻尼的幅值變化小于有阻尼，同時響應也快于有阻尼。 原因：阻尼繞組是閉合繞組，也會產(chǎn)生電流，使得有阻尼比無阻尼的振蕩劇烈；同時有阻尼繞組電流衰減也會延長振蕩時間，導致有阻尼的振蕩時間增長。 負載兩相短路同步發(fā)電機負載兩相短路是基于不對稱運行狀態(tài)，選擇 dqβ0坐標系統(tǒng)仿真。其約束條件為： （5,bccui??1）轉換到 dqβ0系統(tǒng)，有 （5011022osinic(os)(csin)dqadqui????????????2）王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計32根據(jù)上述約束條件對系數(shù)矩陣進行變換得到電壓方程： （50TdfdUu?????3）其基本參數(shù)為：1 111 。.3。.2。34。473.。fdkdkqfdmmkdkqffdkdkqmqdqmrRRwLeeLeLeu?????????????????對同步發(fā)電機負載兩相短路有阻尼與無阻尼對比如下：圖 定子電流華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 33圖 定子交軸電流圖 轉子電流王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計34結果分析：當負載不對稱時，發(fā)電機的三相端電壓及電流都將不對稱。由于流過電樞各相的電流有效值各不相同，它們所產(chǎn)生的合成電樞磁勢不再是一個幅值不變的圓形旋轉磁勢，故障短路將會出現(xiàn)很大的沖擊電流,不過沖擊電流的持續(xù)時間是很短暫的,這一過程屬于瞬變過程。瞬變過程完畢后就進入穩(wěn)態(tài)短路。兩相線對線短路電流大約為三相短路電流的 倍。根據(jù)以上對同步發(fā)電機兩相負載短路有阻尼與無阻尼的對比，得到下表 52：表 52 兩相負載短路分析結果 幅 值 變 化 響 應 快 慢 對比項選項 有阻尼 無阻尼 有阻尼 無阻尼定子電流（I d） 變化大 變化小 慢 快定子交軸電流（I q） 變化大 變化小 慢 快轉子電流（I fd） 變化大 變化小 慢 快 原因：如三相短路所訴。 異步電機仿真實例異步電機仿真選擇異步電機直接啟動。異步電機直接啟動仿真采用的是 Simulink 系統(tǒng)，具體模型圖如下：1 5ABCmT mmI r _ a b cI s _ a b cT ew m9 . 5 541++++V23圖 異步電機直接啟動模型華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 350 15000500壓壓壓壓壓V壓0 11000100壓壓壓壓壓A壓0 11000100200壓壓壓壓壓A壓0 1202202022壓壓壓n/m壓0 11000100200Time壓壓壓Nm壓圖 異步電機直接啟動仿真波形圖 異步電機參數(shù)設置王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計36結果分析：在額定電壓下直接啟動三相異步電動機，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，造成啟動轉矩很大，從而導致啟動電流相當大的結果。轉速cos?從 0 迅速上升，以上仿真波形符合理論分析，相間電壓波形呈正弦變化，在 t=，啟動結束，電動機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 直流電機仿真實例直流電機仿真選擇直流發(fā)電機外特性。直流發(fā)電機的外特性是指電機負載穩(wěn)定運行時端電壓和負載電流之間的關系，即U=f(I)。仿真波形如下圖 512：結果分析：不同發(fā)電機外特性的仿真波形不同，因為不同發(fā)電機勵磁方式不同。下面介紹不同發(fā)電機的原理圖 513 所示，其中 Ea 為感應電動勢，R a 為電樞繞組電阻，Ia 為電樞電流， I 為負載電流，I f 為勵磁電流，R f 為勵磁電阻，R L 為負載電阻。華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 37圖 直流發(fā)電機外特性仿真波fILRaEaEaIiRaifIaELRfLfR （a）他勵 (b)串勵 (c)并勵 圖 （a、b、c）不同勵磁方式直流發(fā)電機原理圖由以上波形的下表 53。由上仿真波形可看出外特性曲線隨負載電流的增大而向下垂，下垂的原因有二：一是因為在勵磁磁動勢不變的情況下，當負載電流增加時，由于電樞反應通常是去磁效應，是氣隙磁通量減少，從而減少了電樞電動勢 Ea；二是由于電樞回路各繞組的電壓壓降IaRa，使端電壓進一步下降。并勵比他勵下降的幅度更大，是因為并勵電機中不僅有電樞反應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。表 53 直流電機外特性結果分析 特性電機類型電壓平衡方程 當 I=0 時 當 I 變化時他勵直流發(fā)電機 U=EaIaRa U=Ea≠0 (I=Ia，I f≠0) Ea=常數(shù)，呈線性串勵直流發(fā)電機 U=EaIa(Ra +RL) U=Ea=0 （I=I a=If） Ea≠常數(shù)，呈曲線并勵直流發(fā)電機 U=EaIaRa U=Ea≠0 (I≠Ia，I f≠0) Ea≠常數(shù)，呈曲線 王艷蘋：三相同步發(fā)電機運行仿真及 GUI 設計38第六章 總結 具體工作本論文是針對三相同步發(fā)電機運行特性仿真進行設計，其設計由 GUI 來實現(xiàn)。第一章主要介紹同步發(fā)電機的基本知識，闡述了同步發(fā)電機在發(fā)電廠的必要性，因為同步發(fā)電機可以同時輸出有功和無功功率，能維持合格的電壓。同步發(fā)電機的結構按其轉速分為高速和低（中）速兩種。高速同步發(fā)電機在結構上一是采用隱極式轉子，二是設置專門的冷卻系統(tǒng)；低速同步發(fā)電機，由于轉速較低，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉子。同步發(fā)電機運行方式絕大多數(shù)是并聯(lián)運行，并網(wǎng)發(fā)電的，同步并聯(lián)的方法可分為準同步和自同步兩種。國外中小型發(fā)電機發(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。國內中小型發(fā)電機發(fā)展，進入八十年代末、九十年代初，隨著我國改革開放不斷發(fā)展，我國的電機行業(yè)的部分企業(yè)開始引進先進工業(yè)國的中小型同步發(fā)電機，有的按生產(chǎn)許可證方式進行技術引進，有的引進軟件技術（或生產(chǎn)技術） ，有的按合作生產(chǎn)方式引進國外的先進技術。未來的發(fā)展趨勢，為滿足各行業(yè)的需求，應改變同步電機品種規(guī)格少、派生及專用產(chǎn)品少的現(xiàn)象，同步發(fā)電機的開發(fā)和發(fā)展應考慮到新能源開發(fā)、船舶、運輸、石油化工等的發(fā)展需要以及技術發(fā)展的潮流。 。第二章主要介紹同步發(fā)電機運行原理，同步發(fā)電機和其它類型的旋轉電機一樣，由固定的定子和可旋轉的轉