電動機(jī)及其計算機(jī)仿真

目 錄

第1章 緒論 1

1.1 電動機(jī)及電力傳動 1

1.2 負(fù)載特性及系統(tǒng)運(yùn)動方程 4

1.2.1 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性 4

1.2.2 電力拖動系統(tǒng)方程 5

1.3 電動機(jī)控制基礎(chǔ) 6

1.3.1 自動控制系統(tǒng) 6

1.3.2 電動機(jī)的控制技術(shù) 7

1.4 電動機(jī)仿真分析 8

1.4.1 電動機(jī)的有限元設(shè)計仿真 8

1.4.2 電動機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)字仿真 9

第2章 電動機(jī)基本理論 10

2.1 磁路基本知識 10

2.2 變壓器 11

2.2.1 變壓器的基本工作原理 11

2.2.2 變壓器的空載運(yùn)行 13

2.2.3 變壓器的基本參數(shù) 14

2.2.4 變壓器的運(yùn)行特性 15

2.2.5 損耗與效率 15

2.2.6 三相變壓器 16

2.3 直流電機(jī)的基本工作原理 18

2.3.1 直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理 18

2.3.2 直流電動機(jī)的基本工作原理 19

2.3.3 直流電動機(jī)的空載磁場 19

2.3.4 直流電動機(jī)的負(fù)載磁場 20

2.4 直流電動機(jī)方程 23

2.4.1 電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 23

2.4.2 電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式 23

2.5 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 25

2.6 電動機(jī)原理 27

2.7 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性 28

2.7.1 電磁轉(zhuǎn)矩 28

2.7.2 電動機(jī)的機(jī)械特性 29

2.8 三相異步電動機(jī)的控制 29

2.8.1 三相異步電動機(jī)的啟動 29

2.8.2 三相異步電動機(jī)的調(diào)速 30

2.8.3 三相異步電動機(jī)的反轉(zhuǎn) 31

2.8.4 三相異步電動機(jī)的制動 31

2.9 常用低壓電器 31

2.9.1 手動開關(guān) 32

2.9.2 按鈕 33

2.9.3 交流接觸器 33

2.9.4 繼電器 34

2.9.5 熔斷器 36

2.9.6 自動空氣開關(guān) 37

2.10 籠型電動機(jī)的直接啟動 37

2.10.1 籠型電動機(jī)的點(diǎn)動控制電路 38

2.10.2 籠型電動機(jī)的長動控制電路 39

2.10.3 籠型電動機(jī)的正反轉(zhuǎn) 39

2.10.4 籠型電動機(jī)的聯(lián)鎖控制 40

2.10.5 行程（限位）控制 41

2.10.6 時間控制 42

第3章 三相同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī) 44

3.1 三相同步電動機(jī) 44

3.1.1 三相同步電動機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu) 44

3.1.2 三相同步電動機(jī)的電磁關(guān)系 45

3.1.3 三相同步電動機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性 49

3.1.4 三相同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié) 53

3.2 永磁同步電動機(jī) 55

3.2.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 55

3.2.2 永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行原理 57

3.2.3 永磁同步電動機(jī)振動機(jī)理及其分析方法研究 59

3.2.4 基于能量法的電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱原理 63

第4章 電動機(jī)的控制技術(shù) 65

4.1　三相異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 65

4.1.1　磁鏈方程 66

4.1.2　電壓方程 67

4.1.3　轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程 68

4.2　交流電動機(jī)的矢量控制技術(shù) 68

4.2.1　矢量控制的原理 68

4.2.2　坐標(biāo)變換與矢量變換 70

4.2.3　矢量變換控制調(diào)速系統(tǒng) 72

4.2.4　數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)設(shè)計 76

4.3　直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC） 78

4.3.1　異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 78

4.3.2　直接轉(zhuǎn)矩控制異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 81

第5章 電動機(jī)MATLAB和Ansoft仿真基礎(chǔ) 83

5.1 MATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 83

5.2 MATLAB常用命令 85

5.3 Simulink簡介 85

5.3.1 Simulink概述 85

5.3.2 Simulink簡單操作 86

5.3.3 SimPowerSystems工具箱 88

5.3.4 Simulink 運(yùn)行 89

5.4 MATLAB簡單仿真算例 91

5.5 電動機(jī)模型的繪制及仿真設(shè)置 94

5.5.1 Ansoft電動機(jī)仿真啟動 94

5.5.2 具體建模過程 96

5.5.3 材料屬性與管理 102

5.5.4 邊界條件和激勵源設(shè)置 105

5.5.5 網(wǎng)格剖分和求解 106

第6章 電動機(jī)Ansoft有限元仿真 109

6.1 三相感應(yīng)電動機(jī)的仿真分析 109

6.1.1 電動機(jī)幾何模型創(chuàng)建 109

6.1.2 電動機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置 114

6.1.3 仿真結(jié)果及分析 116

6.2 永磁無刷直流電動機(jī)的仿真分析 117

6.2.1 電動機(jī)幾何模型創(chuàng)建 117

6.2.2 電動機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置 122

6.2.3 仿真結(jié)果及分析 123

6.3 永磁同步電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有限元仿真 125

6.3.1 永磁同步電動機(jī)本體構(gòu)建 125

6.3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真參數(shù)設(shè)置 129

6.3.3 仿真結(jié)果及分析 129

第7章　電動機(jī)MATLAB數(shù)值仿真 132

7.1　三繞組變壓器仿真 132

7.1.1　三繞組變壓器帶負(fù)載模型的建立 132

7.1.2　模塊參數(shù)設(shè)定 132

7.1.3　仿真結(jié)果及分析 134

7.2　啟動仿真 135

7.2.1　串電阻啟動建模 135

7.2.2　仿真模塊參數(shù)設(shè)置 138

7.2.3　仿真結(jié)果及分析 140

7.3　交流電動機(jī)基于空間矢量PWM仿真 141

7.3.1　感應(yīng)電動機(jī)空間矢量控制模型建立 141

7.3.2　仿真模塊參數(shù)設(shè)置 142

7.3.3 仿真結(jié)果及分析 145

7.4　感應(yīng)電動機(jī)磁場定向控制 147

7.4.1　感應(yīng)電動機(jī)磁場定向控制模型建立 147

7.4.2　仿真模塊參數(shù)設(shè)置 148

7.4.3　仿真結(jié)果及分析 151

第8章 特殊結(jié)構(gòu)永磁電動機(jī)研究 153

8.1 特殊結(jié)構(gòu)永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理 153

8.2　電動機(jī)的建模 153

8.2.1　電動機(jī)有限元模型 153

8.2.2　在三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 154

8.2.3　在任意速坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 156

8.2.4 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型 157

8.2.5　電動機(jī)仿真建模及控制分析 159

8.3　直接功率控制 163

8.3.1　瞬時功率理論 163

8.3.2　理想逆變器的數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 164

8.3.3　特殊結(jié)構(gòu)永磁電動機(jī)直接功率控制原理分析 165

8.3.4 特殊結(jié)構(gòu)永磁電動機(jī)的直接功率控制 170

參考文獻(xiàn) 1742100433B

本書首先對電動機(jī)的基本理論進(jìn)行了簡要介紹，為了能夠準(zhǔn)確分析和計算電動機(jī)內(nèi)部的電磁場，基于Ansoft軟件介紹了電動機(jī)的電磁場分析和計算的方法；其次采用MATLAB/Simulink仿真平臺，對電動機(jī)的建模和控制技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真分析，特別對永磁電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理和仿真進(jìn)行了一定的研究；最后通過一種較為復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)永磁電動機(jī)進(jìn)行了建模和控制研究。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者可以舉一反三，掌握電動機(jī)的基本理論和仿真研究的方法。本書特別適合在工程認(rèn)證和新工科背景下電動機(jī)及其研究方法的教學(xué)和基礎(chǔ)科研的展開，讓讀者較為快速地進(jìn)入電動機(jī)的專業(yè)知識和研究領(lǐng)域。

本書基于MATLAB/SIMULINK和ansoft仿真平臺，對不同電機(jī)通過原理分析與建模、仿真源代碼編寫、仿真結(jié)果與分析等步驟，對各種控制方法列舉了大量的仿真實例。通過這些實例的學(xué)習(xí)，讀者可以舉一反三，熟練掌握電機(jī)及系統(tǒng)的仿真。通過本教材的學(xué)習(xí)，讀者能夠熟練的將電機(jī)及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在MATLAB/SIMULINK和ansoft平臺上進(jìn)行正確仿真即可，并不需要讀者掌握深厚的MATLAB和ansoft知識，這是編者編寫本書的基本原則。本書可用于高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)電機(jī)控制方面的教材，也可供相關(guān)技術(shù)研究人員參考和使用

前言

第1章緒論

1 1什么是仿真

1 2模型與仿真

1 2 1物理模型和物理仿真

1 2 2數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)仿真

1 2 3建模與仿真

1 2 4系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計

1 3系統(tǒng)辨識的步驟及方法

1 3 1系統(tǒng)辨識步驟

1 3 2參數(shù)估計的基本方法——

最小二乘法

1 3 3加權(quán)最小二乘法

1 4仿真技術(shù)的應(yīng)用

1 5計算機(jī)仿真技術(shù)

1 5 1模擬仿真

1 5 2數(shù)字仿真

1 5 3模擬仿真與數(shù)字仿真比較

1 5 4仿真穩(wěn)定性與步長選擇

1 6基本內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法

第2章仿真軟件基礎(chǔ)

2 1MATLAB介紹

2 1 1MATLAB的概況

2 1 2MATLAB產(chǎn)生的歷史背景

2 1 3MATLAB的語言特點(diǎn)

2 1 4MTALAB的功能

2 2MATLAB入門

2 2 1MATLAB的安裝與啟動

2 2 2MATLAB的運(yùn)行環(huán)境

2 3Simulink環(huán)境和模型庫

2 3 1Simulink環(huán)境

2 3 2Simulink模型庫中的模塊

2 3 3電力系統(tǒng)模型庫

2 4MATLAB簡單仿真算例演示

2 5Ansoft介紹

2 5 1Ansoft的概況

2 5 2Ansoft各模塊的簡單介紹

2 5 3Ansoft的特點(diǎn)

2 6Ansoft入門

2 6 1Ansoft的安裝與啟動

2 6 2Ansoft的運(yùn)行環(huán)境

2 7Ansoft電機(jī)仿真應(yīng)用

2 7 1電機(jī)模型的建立

2 7 2材料屬性與管理

2 7 3邊界條件和激勵源

2 7 4網(wǎng)格剖分和求解

2 7 5電磁場特性的可視化

第3章直流電機(jī)系統(tǒng)的仿真

3 1直流電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的仿真

3 2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真

3 2 1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)

3 2 2帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速

系統(tǒng)

3 3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真

3 3 1按直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

的仿真

3 3 2使用Power System模塊的直流

雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真

3 4直流PWM M可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真

3 4 1H型主電路的仿真

3 4 2雙極式控制直流PWM M可逆

調(diào)速系統(tǒng)仿真

3 4 3受限單極式PWM可逆系統(tǒng)

仿真

第4章異步電機(jī)系統(tǒng)的仿真

4 1坐標(biāo)變換理論

4 1 1三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止

坐標(biāo)系的變換

4 1 2兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)

坐標(biāo)系的變換

4 1 3三相靜止軸系到兩相同步旋轉(zhuǎn)

軸系的變換

4 2感應(yīng)電機(jī)性能的數(shù)字仿真

4 2 1數(shù)學(xué)模型的建立

4 2 2感應(yīng)電機(jī)連接正弦電壓工作

4 2 3PWM變頻器 感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)

仿真

4 3交流異步電機(jī)的磁鏈觀測

4 3 1轉(zhuǎn)子磁鏈計算的電流模型

4 3 2轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型

4 3 3轉(zhuǎn)子磁鏈模型的仿真

4 4交流異步電機(jī)的矢量控制仿真

4 4 1轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電機(jī)矢量

控制仿真

4 4 2帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)

矢量控制仿真

4 4 3無速度傳感器的矢量控制仿真

4 5異步電機(jī)的軟起動仿真

第5章基于有限元方法的電機(jī)

系統(tǒng)仿真

5 1電機(jī)模型建立

5 1 1CAD電機(jī)仿真模型的繪制

5 1 2創(chuàng)建項目

5 1 3構(gòu)建幾何模型

5 1 4材料定義及分配

5 1 5激勵源的添加

5 1 6加載邊界條件

5 1 7運(yùn)動選項設(shè)置

5 1 8求解選項參數(shù)設(shè)定

5 2空載電磁場分析

5 2 1空載場求解

5 2 2查看磁力線分布

5 2 3查看磁通密度云圖分布

5 2 4獲取氣隙磁場波形

5 3負(fù)載特性分析

5 3 1負(fù)載運(yùn)行激勵源設(shè)定

5 3 2編輯外電路

5 3 3外電路與有限元連接

5 3 4負(fù)載仿真結(jié)果輸出

第6章永磁電機(jī)系統(tǒng)的仿真

6 1永磁同步電機(jī)的仿真

6 1 1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

6 1 2基于PWM的永磁同步電機(jī)矢量

控制系統(tǒng)仿真

6 1 3無傳感器永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩

控制系統(tǒng)仿真

6 2永磁無刷直流電機(jī)的仿真

6 2 1永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

6 2 2永磁無刷直流電機(jī)變頻調(diào)速

系統(tǒng)仿真

6 2 3無傳感器永磁無刷直流電機(jī)

系統(tǒng)仿真

第7章電機(jī)系統(tǒng)的精確線性化仿真

7 1永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)反饋

精確線性化控制

7 1 1永磁同步電動機(jī)精確線性化

模型

7 1 2永磁同步電機(jī)非線性系統(tǒng)

精確線性化條件

7 1 3坐標(biāo)變換及轉(zhuǎn)速輸出函數(shù)

7 1 4控制器設(shè)計

7 1 5模型仿真研究

7 1 6小結(jié)

7 2電機(jī)系統(tǒng)漸進(jìn)輸出跟蹤控制

7 2 1局部漸近穩(wěn)定性

7 2 2漸近輸出跟蹤

7 2 3漸進(jìn)跟蹤參考模型輸出

7 2 4永磁同步電機(jī)的參考模型

匹配控制

7 3電機(jī)系統(tǒng)的非交互式控制

7 3 1輸入輸出解耦不變性

7 3 2狀態(tài)反饋非交互式控制描述

7 3 3永磁同步電動機(jī)的非交互式

控制

參考文獻(xiàn) 2100433B

《計算機(jī)仿真技術(shù)及CAD》本書為普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材，在著重介紹計算機(jī)仿真基本理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，以多領(lǐng)域的仿真需求為牽引，深入淺出地論述了計算機(jī)仿真應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)仿真技術(shù)解決實際問題的能力。主要內(nèi)容包括計算機(jī)仿真技術(shù)的基本概念，計算機(jī)仿真涉及的主要技術(shù)，仿真建模方法，連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)的計算機(jī)仿真，仿真與建模的校核、驗證和驗收，以及先進(jìn)仿真技術(shù)；同時講述了連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)、協(xié)同仿真、模型庫和運(yùn)輸調(diào)度仿真系統(tǒng)的開發(fā)工具以及應(yīng)用實例。本書可作為大專院校本、?？茖W(xué)生的計算機(jī)仿真技術(shù)教材或?qū)W習(xí)參考書，其豐富的開發(fā)實例也可作為研究生和工程技術(shù)人員開發(fā)計算機(jī)仿真應(yīng)用系統(tǒng)的參考資料。