MATLAB在电机分析计算中的应用.ppt
电机学第8章 MATLAB在电机分析计算中的应用,河海大学华侨大学上海交通大学南京理工大学,高等教育出版社、高等教育电子音像出版社,本章主要内容,8.1 MATLAB简介 8.2 MATLAB在电机分析计算中的应用实例本章小结,8.1 MATLAB简介,本节主要内容 8.1.1 MATLAB概述 MATLAB快速入门 Simulink简介,8.1.1 MATLAB概述,MATLAB名字由Matrix和 Laboratory 两词的前三个字母组合而成。在20世纪七十年代，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的“通俗易用”接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。经过二十余年的补充及完善以及多个版本的升级换代，MATLAB已发展至7.x版本，成为一个包含众多工程计算和仿真功能与工具的庞大系统，是目前世界上最流行的仿真软件之一。,8.1.1 MATLAB概述,它具有众多的优点：(1)编程简单，类似于其他语言，如C(2)数学问题数值解能力强大(3)数据可视化功能强大(4)由Maple内核构成的符号运算工具箱可以继承Maple所有解析解的求解能力(5)在数学、工程领域有各种“工具箱”(6)强大的系统仿真能力，Simulink建模(7)在控制界是国际首选的计算机语言,8.1.2 MATLAB快速入门,以Window操作系统为例，进入Window后，选择“开始”“程序”“MATLAB7.0”，便可以进入如图8-1-1所示的MATLAB主窗口。如果安装时选择在桌面上生成快捷方式，也可以点击快捷方式直接启动。退出MATLAB系统的方式有两种：(1)在文件菜单（File）中选择“Exit”或“Quit”；(2)用鼠标单击窗口右上角的关闭图标“X”。,一、MATLAB的启动和退出,8.1.2 MATLAB快速入门,图8-1-1 MATLAB的主窗口,8.1.2 MATLAB快速入门,MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式环境。MATLAB有3种窗口：命令窗口（The Command Window）、m文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。,二、MATLAB的窗口介绍,8.1.2 MATLAB快速入门,当MATLAB启动后，出现的最大窗口就是命令窗口，如图8-1-1中右方标示。用户可以在提示符“”后面输入交互的命令，回车后这些命令就立即被执行。例如：要计算a=12*9/8+2*pi的值，就在命令窗口输入 a=12*9/8+2*pi 按下回车键后，运算结果就立刻显示在屏幕上，而且把运算结果储存在名为a的变量中。a=19.7832,1.命令窗口（The Command Window）,8.1.2 MATLAB快速入门,可以用m文件编辑窗口来产生新的m文件，或者编辑已经存在的m文件。在MATLAB主界面上选择“FileNewM-File”就打开了一个新的m文件编辑窗口，如图8-1-2所示。选择“FileOpen”就可以打开一个已经存在的m文件，并且在这个窗口中编辑这个m文件。,2.m文件编辑窗口（The Edit Window）,图8-1-2 MATLAB 的m文件编辑窗口,图8-1-3 MATLAB 图形窗口中显示的0到6 的余弦曲线,8.1.2 MATLAB快速入门,图形窗口是用来显示MATLAB程序产生的图形。图形可以是2维、3维的数据图形，也可以是照片等。,3.图形窗口（The Figure Window）,例如，在一个m文件编辑窗口输入以下程序，并将其保存在matlab安装目录下的work文件夹里，保存名为a.m：x=0:0.1:6*pi;y=cos(x);plot(x,y);在命令窗口中输入a，回车后，程序自动产生了一个图形窗口，并在该窗口中画出了0到6 的余弦曲线，如图8-1-3所示。,8.1.2 MATLAB快速入门,表8-1-1列出了MATLAB中的运算符号，“先乘除，后加减，括号里面的先做”的原则同样有效。为了使复杂的算式容易被理解以及降低出错的概率，在编写较为复杂的算式的时候尽量多使用括号。,三、MATLAB的基本运算功能,表8-1-1 MATLAB中的运算符号,8.1.2 MATLAB快速入门,需要注意的是：MATLAB将所有变量均存成double的形式，所以不需经过变量定义，MATLAB会自动进行内存的使用和清除，而不必像C那样由使用者一一指定。这些功能使得MATLAB易学易用。MATLAB的默认常量如表8-1-2所示。,表8-1-2 MATLAB默认常量,虚数单位，定义为,8.1.2 MATLAB快速入门,MATLAB具有强大的计算功能，它提供了大量的函数，方便使用者进行计算。表8-1-3给出了MATLAB在电机学计算中常用到的基本函数。,四、MATLAB的基本数学函数,表8-1-3MATLAB在电机学计算中常用到的基本函数,8.1.3 Simulink简介,Simulink是一个用来对动态系统进行创建、仿真与分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性与非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。它是MATLAB的一个部件，是一种交互式、可视化的工具。启动Simulink有两种方式：(1)在Command Window中，键入simulink命令，回车。(2)单击工具栏simulink图标。,8.1.3 Simulink简介,启动Simulink后，即打开了Simulink库浏览器（Simulink library brower）。在该浏览器的窗口中单击“Creat a new model”图标，这样就打开了一个尚未命名的模型窗口。把Simulink库浏览器中的单元拖拽进这个模型窗口，即可构造自己需要的模型。然后双击该模型的图标，在弹出的对话框中设置参数，就可以对各个单元部件的参数进行设定。在Simulink中有一个电力系统仿真模块集（Power System Blockset），它的功能很强大，可以很方便的对电路、电力电子系统、电机系统、电力传输系统等过程进行建模和仿真。它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在Simulink中仿真。,8.2 MATLAB在电机分析计算中的应用实例,本节主要内容 8.2.1 变压器问题 异步电机问题 同步电机问题,8.2.1 变压器问题,例8-2-1一台单相变压器：，。原 边加上额定频率的额定电压并保持不变，副边负载阻抗。用 型等效电路计算：1)原、副边电流及副边电压；2)原副边功率因数、功率及效率；3)励磁电流、铁损耗及铜损耗。,8.2.1 变压器问题,这是一个典型的变压器负载运行的问题，只要按照负载运行的基本步骤进行计算即可。(1)首先计算额定电流和变比(2)计算T型等效电路中的未知参数,1.问题分析,8.2.1 变压器问题,输入阻抗(3)计算电流和电压,8.2.1 变压器问题,(4)功率因数、功率和效率(5)损耗,8.2.1 变压器问题,本例属于典型的变压器稳态运行问题，程序设计流程非常简单，按照问题分析中的思路组织编写即可。MATLAB程序EX8_1.m如下：,2.MATLAB程序设计及其程序清单,8.2.1 变压器问题,8.2.1 变压器问题,在MATLAB指令窗口输入程序名EX8_1.m并按下回车键，即可得到相关的计算结果。,3.MATLAB程序运行结果,8.2.2 异步电机问题,例8-2-3 一台绕线转子异步电动机，15马力，208V，4极，Y联结，60Hz，其等值电路元件的参数如下所示：转差率0.05，求：1)线电流；2)定子铜损耗；3)气隙功率；4)由电气转化为机械的功率；5)转矩；6)负载转矩；7)效率；8)转速和角速度；9)计算和绘制转矩-速度特性；10)计算和绘制输出功率和速度曲线。,8.2.2 异步电机问题,电路的等效电路图如图8-2-2所示(1)计算线电流最简单的方式是求取等效阻抗、，如图8-2-3所示。,1.问题分析,图8-2-2 电路等效图,图8-2-2 电路等效图,8.2.2 异步电机问题,(2)(3)(4)(5)(6)(7),8.2.2 异步电机问题,绘制转矩-速度特性曲线程序EX8_3.m,2.MATLAB程序设计及其程序清单,8.2.2 异步电机问题,绘制输出功率-速度特性曲线程序10.m,8.2.2 异步电机问题,转矩-速度特性曲线如图8-2-4所示,绘制输出功率-速度特性曲线如图8-2-5所示,3.MATLAB程序运行结果,图8-2-4 转矩-速度特性曲线,图8-2-5 输出功率-速度特性曲线,8.2.3 同步电机问题,例8-2-5 一台480V，200kVA，功率因数0.8滞后，60Hz的两极Y联结的同步发电机，同步电抗0.25，电枢电阻0.03，摩擦损耗和风耗，铁耗，励磁电压200V，最大励磁电流，励磁电阻调整范围为从20 到200，在下列问题中，电机为额定电压（480V）满载状态，求：1)额定负载时电机的效率是多少？2)如果带有额定容量、功率因数0.8滞后的负载，电机的电压变化率为多少？3)额定运行时的空载电动势及功角的大小。4)用MATLAB绘制出功率因素0.8滞后、功率因素0.8超前及单位功率因数三种情况下电机终端电压图。,8.2.1 变压器问题,(1)电机的效率(2)电压变化率（VR）(3)空载电动势及功角根据上面的向量公式可以计算出相应的空载电动势及功角。,1.问题分析,8.2.1 变压器问题,2.MATLAB程序设计及其程序清单,8.2.1 变压器问题,端电压随负载的变化曲线图如图8-2-10所示。,3.MATLAB程序运行结果,图8-2-9 例8-2-5相量图 图8-2-10 端电压随负载的变化曲线,本章小结,注意以下几点：总体来说电机学解题比较复杂，MATLAB在电机分析计算中得到很好的应用。本章在简要介绍MATLAB语言的基础上，精选电机学中五个典型习题，用MATLAB解题分析。首先对题目进行分析，然后进行MATLAB程序设计并给出其程序清单，最后给出计算结果。五个题目特征如下：例8-2-1是变压器 型等效电路计算问题，是变压器最经典问题之一。例8-2-2是变压器突然短路问题，分析突然短路后电流的变化规律，是一动态过程分析。例8-2-3是异步电机的最经典问题，也是异步电机的综合性问题，覆盖面很宽。例8-2-4 给出Simulink用进行电机起动的动态过程仿真分析。例8-2-5是同步电机经典问题，分析计算同步电机的效率、电压变化率、空载电势与功角。,第 8 章 结 束,
