电动机及其计算机仿真

目 录

第1章 绪论 1

1.1 电动机及电力传动 1

1.2 负载特性及系统运动方程 4

1.2.1 生产机械的负载特性 4

1.2.2 电力拖动系统方程 5

1.3 电动机控制基础 6

1.3.1 自动控制系统 6

1.3.2 电动机的控制技术 7

1.4 电动机仿真分析 8

1.4.1 电动机的有限元设计仿真 8

1.4.2 电动机控制的计算机数字仿真 9

第2章 电动机基本理论 10

2.1 磁路基本知识 10

2.2 变压器 11

2.2.1 变压器的基本工作原理 11

2.2.2 变压器的空载运行 13

2.2.3 变压器的基本参数 14

2.2.4 变压器的运行特性 15

2.2.5 损耗与效率 15

2.2.6 三相变压器 16

2.3 直流电机的基本工作原理 18

2.3.1 直流发电机的基本工作原理 18

2.3.2 直流电动机的基本工作原理 19

2.3.3 直流电动机的空载磁场 19

2.3.4 直流电动机的负载磁场 20

2.4 直流电动机方程 23

2.4.1 电动势与电磁转矩 23

2.4.2 电动势、功率和转矩平衡方程式 23

2.5 三相异步电动机的结构 25

2.6 电动机原理 27

2.7 三相异步电动机的机械特性 28

2.7.1 电磁转矩 28

2.7.2 电动机的机械特性 29

2.8 三相异步电动机的控制 29

2.8.1 三相异步电动机的启动 29

2.8.2 三相异步电动机的调速 30

2.8.3 三相异步电动机的反转 31

2.8.4 三相异步电动机的制动 31

2.9 常用低压电器 31

2.9.1 手动开关 32

2.9.2 按钮 33

2.9.3 交流接触器 33

2.9.4 继电器 34

2.9.5 熔断器 36

2.9.6 自动空气开关 37

2.10 笼型电动机的直接启动 37

2.10.1 笼型电动机的点动控制电路 38

2.10.2 笼型电动机的长动控制电路 39

2.10.3 笼型电动机的正反转 39

2.10.4 笼型电动机的联锁控制 40

2.10.5 行程（限位）控制 41

2.10.6 时间控制 42

第3章 三相同步电动机和永磁同步电动机 44

3.1 三相同步电动机 44

3.1.1 三相同步电动机的工作原理和结构 44

3.1.2 三相同步电动机的电磁关系 45

3.1.3 三相同步电动机的功率关系与矩角特性 49

3.1.4 三相同步电动机功率因数的调节 53

3.2 永磁同步电动机 55

3.2.1 永磁同步电动机的结构 55

3.2.2 永磁同步电动机的运行原理 57

3.2.3 永磁同步电动机振动机理及其分析方法研究 59

3.2.4 基于能量法的电动机齿槽转矩削弱原理 63

第4章 电动机的控制技术 65

4.1　三相异步电动机的动态数学模型 65

4.1.1　磁链方程 66

4.1.2　电压方程 67

4.1.3　转矩方程和运动方程 68

4.2　交流电动机的矢量控制技术 68

4.2.1　矢量控制的原理 68

4.2.2　坐标变换与矢量变换 70

4.2.3　矢量变换控制调速系统 72

4.2.4　数字化矢量控制系统设计 76

4.3　直接转矩控制（DTC） 78

4.3.1　异步电动机的直接转矩控制 78

4.3.2　直接转矩控制异步电动机的数学模型 81

第5章 电动机MATLAB和Ansoft仿真基础 83

5.1 MATLAB的系统开发环境 83

5.2 MATLAB常用命令 85

5.3 Simulink简介 85

5.3.1 Simulink概述 85

5.3.2 Simulink简单操作 86

5.3.3 SimPowerSystems工具箱 88

5.3.4 Simulink 运行 89

5.4 MATLAB简单仿真算例 91

5.5 电动机模型的绘制及仿真设置 94

5.5.1 Ansoft电动机仿真启动 94

5.5.2 具体建模过程 96

5.5.3 材料属性与管理 102

5.5.4 边界条件和激励源设置 105

5.5.5 网格剖分和求解 106

第6章 电动机Ansoft有限元仿真 109

6.1 三相感应电动机的仿真分析 109

6.1.1 电动机几何模型创建 109

6.1.2 电动机仿真参数设置 114

6.1.3 仿真结果及分析 116

6.2 永磁无刷直流电动机的仿真分析 117

6.2.1 电动机几何模型创建 117

6.2.2 电动机仿真参数设置 122

6.2.3 仿真结果及分析 123

6.3 永磁同步电动机齿槽转矩有限元仿真 125

6.3.1 永磁同步电动机本体构建 125

6.3.2 齿槽转矩仿真参数设置 129

6.3.3 仿真结果及分析 129

第7章　电动机MATLAB数值仿真 132

7.1　三绕组变压器仿真 132

7.1.1　三绕组变压器带负载模型的建立 132

7.1.2　模块参数设定 132

7.1.3　仿真结果及分析 134

7.2　启动仿真 135

7.2.1　串电阻启动建模 135

7.2.2　仿真模块参数设置 138

7.2.3　仿真结果及分析 140

7.3　交流电动机基于空间矢量PWM仿真 141

7.3.1　感应电动机空间矢量控制模型建立 141

7.3.2　仿真模块参数设置 142

7.3.3 仿真结果及分析 145

7.4　感应电动机磁场定向控制 147

7.4.1　感应电动机磁场定向控制模型建立 147

7.4.2　仿真模块参数设置 148

7.4.3　仿真结果及分析 151

第8章 特殊结构永磁电动机研究 153

8.1 特殊结构永磁电动机的结构和运行原理 153

8.2　电动机的建模 153

8.2.1　电动机有限元模型 153

8.2.2　在三相坐标系下的数学模型 154

8.2.3　在任意速坐标系下的数学模型 156

8.2.4 两相旋转坐标系数学模型 157

8.2.5　电动机仿真建模及控制分析 159

8.3　直接功率控制 163

8.3.1　瞬时功率理论 163

8.3.2　理想逆变器的数学模型和电压空间矢量 164

8.3.3　特殊结构永磁电动机直接功率控制原理分析 165

8.3.4 特殊结构永磁电动机的直接功率控制 170

参考文献 1742100433B

本书首先对电动机的基本理论进行了简要介绍，为了能够准确分析和计算电动机内部的电磁场，基于Ansoft软件介绍了电动机的电磁场分析和计算的方法；其次采用MATLAB/Simulink仿真平台，对电动机的建模和控制技术进行了较为详细的仿真分析，特别对永磁电动机的齿槽转矩产生机理和仿真进行了一定的研究；最后通过一种较为复杂的特殊结构永磁电动机进行了建模和控制研究。通过本书的学习，读者可以举一反三，掌握电动机的基本理论和仿真研究的方法。本书特别适合在工程认证和新工科背景下电动机及其研究方法的教学和基础科研的展开，让读者较为快速地进入电动机的专业知识和研究领域。

本书基于MATLAB/SIMULINK和ansoft仿真平台，对不同电机通过原理分析与建模、仿真源代码编写、仿真结果与分析等步骤，对各种控制方法列举了大量的仿真实例。通过这些实例的学习，读者可以举一反三，熟练掌握电机及系统的仿真。通过本教材的学习，读者能够熟练的将电机及系统的数学模型在MATLAB/SIMULINK和ansoft平台上进行正确仿真即可，并不需要读者掌握深厚的MATLAB和ansoft知识，这是编者编写本书的基本原则。本书可用于高等学校电气工程及其自动化专业和自动化专业电机控制方面的教材，也可供相关技术研究人员参考和使用

前言

第1章绪论

1 1什么是仿真

1 2模型与仿真

1 2 1物理模型和物理仿真

1 2 2数学模型和数学仿真

1 2 3建模与仿真

1 2 4系统辨识与参数估计

1 3系统辨识的步骤及方法

1 3 1系统辨识步骤

1 3 2参数估计的基本方法——

最小二乘法

1 3 3加权最小二乘法

1 4仿真技术的应用

1 5计算机仿真技术

1 5 1模拟仿真

1 5 2数字仿真

1 5 3模拟仿真与数字仿真比较

1 5 4仿真稳定性与步长选择

1 6基本内容和学习方法

第2章仿真软件基础

2 1MATLAB介绍

2 1 1MATLAB的概况

2 1 2MATLAB产生的历史背景

2 1 3MATLAB的语言特点

2 1 4MTALAB的功能

2 2MATLAB入门

2 2 1MATLAB的安装与启动

2 2 2MATLAB的运行环境

2 3Simulink环境和模型库

2 3 1Simulink环境

2 3 2Simulink模型库中的模块

2 3 3电力系统模型库

2 4MATLAB简单仿真算例演示

2 5Ansoft介绍

2 5 1Ansoft的概况

2 5 2Ansoft各模块的简单介绍

2 5 3Ansoft的特点

2 6Ansoft入门

2 6 1Ansoft的安装与启动

2 6 2Ansoft的运行环境

2 7Ansoft电机仿真应用

2 7 1电机模型的建立

2 7 2材料属性与管理

2 7 3边界条件和激励源

2 7 4网格剖分和求解

2 7 5电磁场特性的可视化

第3章直流电机系统的仿真

3 1直流电机开环系统的仿真

3 2转速闭环控制系统的仿真

3 2 1带转速负反馈的直流调速系统

3 2 2带电流截止负反馈的直流调速

系统

3 3转速电流双闭环控制系统的仿真

3 3 1按直流双闭环系统动态结构图

的仿真

3 3 2使用Power System模块的直流

双闭环系统仿真

3 4直流PWM M可逆调速系统仿真

3 4 1H型主电路的仿真

3 4 2双极式控制直流PWM M可逆

调速系统仿真

3 4 3受限单极式PWM可逆系统

仿真

第4章异步电机系统的仿真

4 1坐标变换理论

4 1 1三相静止坐标系和两相静止

坐标系的变换

4 1 2两相静止坐标系和两相旋转

坐标系的变换

4 1 3三相静止轴系到两相同步旋转

轴系的变换

4 2感应电机性能的数字仿真

4 2 1数学模型的建立

4 2 2感应电机连接正弦电压工作

4 2 3PWM变频器 感应电机系统

仿真

4 3交流异步电机的磁链观测

4 3 1转子磁链计算的电流模型

4 3 2转子磁链的电压模型

4 3 3转子磁链模型的仿真

4 4交流异步电机的矢量控制仿真

4 4 1转差频率控制的异步电机矢量

控制仿真

4 4 2带转矩内环的转速、磁链闭环

矢量控制仿真

4 4 3无速度传感器的矢量控制仿真

4 5异步电机的软起动仿真

第5章基于有限元方法的电机

系统仿真

5 1电机模型建立

5 1 1CAD电机仿真模型的绘制

5 1 2创建项目

5 1 3构建几何模型

5 1 4材料定义及分配

5 1 5激励源的添加

5 1 6加载边界条件

5 1 7运动选项设置

5 1 8求解选项参数设定

5 2空载电磁场分析

5 2 1空载场求解

5 2 2查看磁力线分布

5 2 3查看磁通密度云图分布

5 2 4获取气隙磁场波形

5 3负载特性分析

5 3 1负载运行激励源设定

5 3 2编辑外电路

5 3 3外电路与有限元连接

5 3 4负载仿真结果输出

第6章永磁电机系统的仿真

6 1永磁同步电机的仿真

6 1 1永磁同步电机的数学模型

6 1 2基于PWM的永磁同步电机矢量

控制系统仿真

6 1 3无传感器永磁同步电机直接转矩

控制系统仿真

6 2永磁无刷直流电机的仿真

6 2 1永磁无刷直流电机的数学模型

6 2 2永磁无刷直流电机变频调速

系统仿真

6 2 3无传感器永磁无刷直流电机

系统仿真

第7章电机系统的精确线性化仿真

7 1永磁同步电动机的状态反馈

精确线性化控制

7 1 1永磁同步电动机精确线性化

模型

7 1 2永磁同步电机非线性系统

精确线性化条件

7 1 3坐标变换及转速输出函数

7 1 4控制器设计

7 1 5模型仿真研究

7 1 6小结

7 2电机系统渐进输出跟踪控制

7 2 1局部渐近稳定性

7 2 2渐近输出跟踪

7 2 3渐进跟踪参考模型输出

7 2 4永磁同步电机的参考模型

匹配控制

7 3电机系统的非交互式控制

7 3 1输入输出解耦不变性

7 3 2状态反馈非交互式控制描述

7 3 3永磁同步电动机的非交互式

控制

参考文献 2100433B

《计算机仿真技术及CAD》本书为普通高等教育十一五国家级规划教材，在着重介绍计算机仿真基本理论、方法和技术的基础上，以多领域的仿真需求为牵引，深入浅出地论述了计算机仿真应用系统的开发过程，旨在培养学生运用计算机仿真技术解决实际问题的能力。主要内容包括计算机仿真技术的基本概念，计算机仿真涉及的主要技术，仿真建模方法，连续系统和离散事件系统的计算机仿真，仿真与建模的校核、验证和验收，以及先进仿真技术；同时讲述了连续系统、离散事件系统、协同仿真、模型库和运输调度仿真系统的开发工具以及应用实例。本书可作为大专院校本、专科学生的计算机仿真技术教材或学习参考书，其丰富的开发实例也可作为研究生和工程技术人员开发计算机仿真应用系统的参考资料。