【正文】 （b）有阻尼圖 負(fù)載兩相短路仿真結(jié)果負(fù)載單相短路如圖 。 （a）無阻尼 （b）有阻尼圖 負(fù)載單相短路仿真結(jié)果同步發(fā)電機(jī)：短路發(fā)生時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行都出現(xiàn)振蕩不穩(wěn)定過程，經(jīng)過一定時(shí)間后，同樣會(huì)達(dá)到了一個(gè)新的穩(wěn)定過程；各種短路情況的有阻尼與無阻尼相比較，其無王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)24阻尼的振蕩幅度都小于有阻尼，并且無阻尼的響應(yīng)快于有阻尼。（2） 異步電動(dòng)機(jī)：直接啟動(dòng)如圖 。 圖 異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真結(jié)果機(jī)械特性如圖 。圖 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性直接啟動(dòng)：輸出端對(duì)應(yīng)情況：Out1——相間電壓(V)，Out2——轉(zhuǎn)子電流(A) ，Out3——定子電流(A) ，Out4—— 轉(zhuǎn)速（n/m），Out5—— 轉(zhuǎn)矩（N*m）。相間電壓為正弦變化，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，啟動(dòng)電流也較大。轉(zhuǎn)速從零迅速上升，當(dāng) t=，啟動(dòng)過程結(jié)束，進(jìn)入華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。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。當(dāng) s 較小時(shí)，每極的磁通量幾乎為常數(shù)，轉(zhuǎn)子每極電阻 R2 起主導(dǎo)作用；當(dāng) s 增大時(shí)很多時(shí)，定子電流與定子漏阻抗壓降要增大，致使電動(dòng)勢(shì)與電壓相差很大，每極的磁通量減少，轉(zhuǎn)子每相漏電抗 X2s 起主導(dǎo)作用。（2） 直流發(fā)電機(jī)如圖 。 （a）空載特性 （b）調(diào)整特性 （c）外特性圖 直流電動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果空載特性：不同勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)，空載特性基本相同，以他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)為例。本仿真是已知在 750r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)的空載特性，額定勵(lì)磁電流為 ，求額定轉(zhuǎn)速1000r/min 時(shí)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(diào)整特性：端電壓恒定時(shí)，負(fù)載電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系。波形之所以略上翹是因?yàn)樵谪?fù)載電流增加時(shí)，如果不增加一些勵(lì)磁電流以補(bǔ)償電樞反應(yīng)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(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流比他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)多一個(gè)很小的勵(lì)磁電流，則相對(duì)并勵(lì)比他勵(lì)偏上。外特性：當(dāng)勵(lì)磁電流為額定電流時(shí)，端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系。通常是隨負(fù)載電流的增大而向下垂。（3） 直流電動(dòng)機(jī)如圖 。 （a）機(jī)械特性 （b）轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)串勵(lì)并勵(lì)并勵(lì)他勵(lì)串勵(lì) 并勵(lì)他勵(lì)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(dòng)機(jī)仿真結(jié)果機(jī)械特性：電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓和一定的勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的負(fù)數(shù)成正比，波形呈線性；串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的二次方根成反比，呈曲線。 轉(zhuǎn)矩特性：在其他條件不變時(shí)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載電流的變化規(guī)律。他勵(lì)與并勵(lì)的勵(lì)磁電流與負(fù)載電流無關(guān)，則電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流成正比，而串勵(lì)的勵(lì)磁電流隨著負(fù)載電流的變化而變化，因此其電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流的平方成正比。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。 三相突然短路屬于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，基于 dq0 坐標(biāo)系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)模型如第三章所述。發(fā)電機(jī)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(jié)果王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)28圖 三相突然短路無阻尼仿真結(jié)果結(jié)果分析：（1）突然短路時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流可高達(dá)額定電流的 1020 倍。突然短路后,根據(jù)磁鏈不變?cè)瓌t,電樞繞組各相都產(chǎn)生一個(gè)非周期性的直流電流，導(dǎo)致電樞電流增大。同時(shí)電樞繞組產(chǎn)生一組對(duì)稱三相周期性交變電流,并在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)合成旋轉(zhuǎn)磁勢(shì) Fa。由于電樞繞組的磁勢(shì)的介入，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)此將立即作出反應(yīng)。由于轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組 F 和阻尼繞組 Z 是閉合繞組,遵循磁鏈不變?cè)瓌t。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(yīng)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路的過程所持續(xù)的時(shí)間很短。因?yàn)殡姌须娏?Ia 快速衰減，使得振蕩過程持續(xù)時(shí)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(duì)應(yīng)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(lì)磁繞組中對(duì)應(yīng)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(jié)束后,發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路 ,電流變?yōu)?I =E0/Xd。 二、對(duì)三相同步發(fā)電機(jī)有阻尼與無阻尼波形進(jìn)行對(duì)比，情況如下：華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29圖 定子電流對(duì)比圖 轉(zhuǎn)子電流對(duì)比王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)30圖 電樞電流對(duì)比結(jié)果分析：根據(jù)以上波形對(duì)同步發(fā)電機(jī)三相短路有阻尼與無阻尼的對(duì)比，得到下表 51。表 51 三相短路分析結(jié)果 幅 值 變 化 響 應(yīng) 快 慢 對(duì)比項(xiàng)選項(xiàng) 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(zhuǎn)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(shí)響應(yīng)也快于有阻尼。 原因：阻尼繞組是閉合繞組，也會(huì)產(chǎn)生電流，使得有阻尼比無阻尼的振蕩劇烈；同時(shí)有阻尼繞組電流衰減也會(huì)延長(zhǎng)振蕩時(shí)間，導(dǎo)致有阻尼的振蕩時(shí)間增長(zhǎng)。 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(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，選擇 dqβ0坐標(biāo)系統(tǒng)仿真。其約束條件為： （5,bccui??1）轉(zhuǎn)換到 dqβ0系統(tǒng)，有 （5011022osinic(os)(csin)dqadqui????????????2）華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31根據(jù)上述約束條件對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)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(duì)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載兩相短路有阻尼與無阻尼對(duì)比如下：圖 定子電流王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)32圖 定子交軸電流圖 轉(zhuǎn)子電流華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33結(jié)果分析：當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，發(fā)電機(jī)的三相端電壓及電流都將不對(duì)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(shì)不再是一個(gè)幅值不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，故障短路將會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流,不過沖擊電流的持續(xù)時(shí)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路。兩相線對(duì)線短路電流大約為三相短路電流的 倍。根據(jù)以上對(duì)同步發(fā)電機(jī)兩相負(fù)載短路有阻尼與無阻尼的對(duì)比，得到下表 52：表 52 兩相負(fù)載短路分析結(jié)果 幅 值 變 化 響 應(yīng) 快 慢 對(duì)比項(xiàng)選項(xiàng) 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(zhuǎn)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(jī)仿真實(shí)例異步電機(jī)仿真選擇異步電機(jī)直接啟動(dòng)。異步電機(jī)直接啟動(dòng)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(jī)直接啟動(dòng)模型王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)340 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(jī)直接啟動(dòng)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(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，從而導(dǎo)致啟動(dòng)電流相當(dāng)大的結(jié)果。轉(zhuǎn)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(dòng)結(jié)束，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 直流電機(jī)仿真實(shí)例直流電機(jī)仿真選擇直流發(fā)電機(jī)外特性。直流發(fā)電機(jī)的外特性是指電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)端電壓和負(fù)載電流之間的關(guān)系，即U=f(I)。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(lì)磁方式不同。下面介紹不同發(fā)電機(jī)的原理圖 513 所示，其中 Ea 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，R a 為電樞繞組電阻，Ia 為電樞電流， I 為負(fù)載電流，I f 為勵(lì)磁電流，R f 為勵(lì)磁電阻，R L 為負(fù)載電阻。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(lì) (b)串勵(lì) (c)并勵(lì) 圖 （a、b、c）不同勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)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(fù)載電流的增大而向下垂，下垂的原因有二：一是因?yàn)樵趧?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)不變的情況下，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，由于電樞反應(yīng)通常是去磁效應(yīng)，是氣隙磁通量減少，從而減少了電樞電動(dòng)勢(shì) Ea；二是由于電樞回路各繞組的電壓壓降IaRa，使端電壓進(jìn)一步下降。并勵(lì)比他勵(lì)下降的幅度更大，是因?yàn)椴?lì)電機(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(huì)引起勵(lì)磁電流的減少。表 53 直流電機(jī)外特性結(jié)果分析 特性電機(jī)類型電壓平衡方程 當(dāng) I=0 時(shí) 當(dāng) I 變化時(shí)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī) U=EaIaRa U=Ea≠0 (I=Ia，I f≠0) Ea=常數(shù)，呈線性串勵(lì)直流發(fā)電機(jī) U=EaIa(Ra +RL) U=Ea=0 （I=I a=If） Ea≠常數(shù)，呈曲線并勵(lì)直流發(fā)電機(jī) U=EaIaRa U=Ea≠0 (I≠Ia，I f≠0) Ea≠常數(shù)，呈曲線 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37第六章 總結(jié) 具體工作本論文是針對(duì)三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)由 GUI 來實(shí)現(xiàn)。第一章主要介紹同步發(fā)電機(jī)的基本知識(shí)，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。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。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(duì)材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式絕大多數(shù)是并聯(lián)運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電的，同步并聯(lián)的方法可分為準(zhǔn)同步和自同步兩種。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)。國內(nèi)中小型發(fā)電機(jī)發(fā)展，進(jìn)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(jī)行業(yè)的部分企業(yè)開始引進(jìn)先進(jìn)工業(yè)國的中小型同步發(fā)電機(jī)，有的按生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)，有的引進(jìn)軟件技術(shù)（或生產(chǎn)技術(shù)） ，有的按合作生產(chǎn)方式引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)。未來的發(fā)展趨勢(shì)，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。 。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