同步电机机端三相短路的仿真

同步发电机虚拟实验系统一、目的熟悉同步发电机的基本原理与性能，利用虚拟实验平台模拟同步发电机的动态特性，使学员对同步发电机的空载特性、三相短路、外特性、调节特性有更深入直观的了解，加深学员对同步发电机特性的理解和掌握，同时也可以节约发电机拖动实验台运行费用，可节约一半以上用电，降低设备损耗，培养了学员的职业素养和工程实践能力。

二、实验内容设置了同步发电机的空载特性、三相短路、外特性、调节特性四项实验教学内容。

三、实验步骤点击进入同步发电机虚拟实验系统首页，右方六个选项按钮中，“空载实验”、“三相短路实验”、“外特性实验”与“调节特性实验”链接向虚拟实验平台面板；“实验指导”为相应的Word文档说明；最后一个“退出”可以让使用者退出虚拟实验平台。

如图所示。

图同步发电机虚拟实验系统首页1空载特性实验进入接线面板对实验台进行接线工作，接线完成后的界面如图所示。

图同步电机接线面板而后即可进入空载实验界面进行实验，实验界面如图所示图同步电机空载特性实验界面按照电路实验原理图连接好电路，负载不接。

并先不要接通电源。

待检查无误后，合上主电源。

启动直流电动机，调节激磁电阻，使转速达到额定值，并保持不变。

合上同步电机励磁电源开关，调节同步电机级次回路电阻，单方向调节，使激磁回路电流单方向递增，观察同步电机相电压使其逐步达到额定电压值。

在这范围内读取同步发电机的激磁电流和相应的空载电压。

再减小同步发电机的激磁电流，使激磁电流单方向减小到零，读取同步发电机激磁电流和相应的空载电压并记录。

2三相短路实验退回主界面，选择外特性实验，实验界面如图所示图同步发电机外特性实验界面将同步发电机激磁回路电阻Rv调为最大，按空载方法调节直流电动机的转速额定且恒定。

注：由于没有转速表，调节转速额定时可以用频率表近似，当频率表指示400Hz时，就可以认为是额定转速了。

用短路线吧发电机输出三端点A、B、C连结在一起，合上同步电机激磁回路开关，调节激磁回路电阻Rv，观察定子回路电流，使Ik=1.2Ik，读取同步发电机的激磁电流If及相应的定子电流Ik其数据记录。

同步发电机三相短路的假设条件下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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《电力系统暂态分析》课程实验报告姓名： **** 学号： *********一、实验目的1. 学会用PSCAD软件搭建简单电力系统的仿真模型。

2. 在考虑和不考虑发电机的阻尼绕组的情况下，发电机空载运行时设置永久性的三相对称短路故障，观察短路电流的衰减变化。

3. 学会正确分析仿真结果，与教材上的相关内容进行对比，并总结规律。

二、实验内容及步骤1.在PSCAD软件中搭建如图1所示仿真模型。

图1 仿真模型示意图2.选择标准同步发电机，其参数设置如图2所示。

3.选择三相两绕组变压器，其参数设置如图3所示。

4.选择三相负荷，其参数设置如图4所示。

5.选择三相故障装置，故障类型设为A、B、C三相故障。

故障开始时间为0.2 s，故障持续时间为25s，设置如图5所示。

图2 发电机参数图3 变压器参数图4 负荷参数图5 故障控制时间6.搭建模型截图如图6所示图6 单机无穷大系统仿真模型7. 运行图6所示模型，0.2s发生三相短路，仿真时间为1s。

测量短路电压Ea，短路电流I，以及各相电流分量Ia、Ib、Ic，励磁电流If，依次截图如图7所示。

图7 短路电流和励磁电流仿真曲线回答问题：1. 图7所示，如果改变故障开始时间，分别设置为0.1s和0.8s,对于故障电压电流有没有影响，有何影响？由图可见改变故障开始时间对故障电压和电流会产生影响。

若时间过短，相关电量还未进入稳态状态便故障突变，其中对励磁电流的影响较大，励磁电流增加的更大。

2. 图7中，励磁电流的直流和交流分量的衰减与哪些因素相关？定子电流的直流和交流分量的衰减与哪些因素相关？答：励磁电流的直流分量的衰减和励磁绕组有关。

交流分量衰减和转子回路的参数有关；定子电流的直流分量的衰减和定子回路的电感有关。

交流分量衰减与转子回路参数有关。

3. 当发生AB两相短路故障时，3相电压和电流有何变化？自己设置故障并进行仿真，给出仿真图形。

可以看出C相电流在AB两相短路刚开始短路时基本不怎么发生改变，时间越长受影响越大；A、B相电压电流变化剧烈，变化幅值相同，振荡后衰减到稳态短路电流。

电子质量2020年第11期(总第404期)基金项目:河南省高等学校重点科研项目"基于智能融合算法的多机器人追捕协作控制研究及应用"(No.20A470009)；2019年洛阳师范学院校级培育基金"基于演算子理论的不确定机械臂非线性系统研究"(N0.190131211004)；洛阳师范学院2019年校级高等教育教改项目(No.2019xjgj021)作者简介:刘亚琳(1994-)，女，助教，硕士研究生，研究方向为电力系统规划与安全运行，E-mail:*****************；陈菲(1990-)，女，助教，硕士研究生，研究方向为需求侧响应、智能用电；张莹文(1989-)，女，助教，硕士研究生，研究方向为电力电子与电能变换。

基于MATLAB/Simulink 的同步发电机短路暂态过程仿真分析Simulation Analysis of Short Circuit Transient Process of Synchronous Generator Based onMATLAB /Simulink刘亚琳,陈菲,张莹文(洛阳师范学院物理与电子信息学院,河南洛阳471934)Liu Ya-lin,Chen Fei,Zhang Ying-wen (Luoyang Normal University,College of Physical and Electronic Information,Henan Luoyang 471934)摘要：该文针对同步发电机突然三相短路、两相短路时短路电流、励磁电流、定子直轴、交轴电流的仿真，阐述了不同短路形式下各种电流的变化规律及原因，验证了MATLAB/Simulink 用来分析同步发电机短路暂态过程的有效性。

根据不同短路形式下电流的对比得到了发电机短路时暂态过程最坏的情况。

最后，提出了能够保证同步发电机可靠、稳定运行的措施。

MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真题目：同步发电机突然短路的暂态过程仿真专业：电气工程及自动化班级：电气201303姓名：白辉学号：201309611同步发电机突然短路的暂态过程仿真仿真题目：假设有一台有阻尼绕组同步发电机，P N =2000W ，U N 213.8 Kv ，f N 2100z ，x d 1380，x q 1086，x d ′108.0，x d "10803，x q "108.3，r108000，x σf 1083 ，x ∝D 1083，x σq 10800，T d0′10s ，T D 10s ，T q "1384s,若发电机空载，端电压为额定电压，端子突然发生三相短路，且∝010，利用matlab 对突然三相短路后的定子电流进行数值计算基本步骤如下：参数计算:计算各衰减时间常数T a =2x d "x q "ωr(x d "+x q ")12×0.21×0.3150×2π×(0.21+0.31)10836s T q "=x q"x q T q0"10.310.6×1.4s =0870s x αd ′=x ∝x αd x ∝+x αd =0.15×0.850.15+0.85=0.128 x f ′=x σf +x αd ′=0.18+0.128=0.308x D ′=x ∝D +x αd ′=0.10+0.128=0.228T f ′=x f ′x f T d0′=0.3080.18+0.85×5s =1.5s T d ′=x D ′x D T D =0.2280.10+0.85×2s =0.48s σfd f =1−(x αd ′)2x f ′×x D ′=1−0.12820.308×0.228=0.767 q =√1−4σfd f T f ′T d′(T f ′+T d ′)2=√1−4×0.767×1.5×0.48(1.5+0.48)2=0.66 T d "=12×(1−q )(T f ′+T d ′)=12×(1−0.66)(1.5+0.48)s =0.34s T d ′=12×(1+q )(T f ′+T d ′)=12×(1+0.66)(1.5+0.48)s =1.64s 根据公式i a =−E q [0]x d cos (ωt +∝0)−(E q0"x d "−E q [0]′x d ′)exp (−t T q ")cos (ωt +∝0)−(E q [0]′x d ′−E q [0]x d )exp (−t T q )cos (ωt +∝0)−E d0"x q exp (−t T q )sin (ωt +∝0)+V [0]2(1x d "+1x q ")exp (−t T a )cos (δ−∝0)+V [0]2(1x d "−1x q ")exp (−t T a )cos (2ωt +δ+∝0) 由于空载时，将E q[0]=E q[0]′=E q0"=V [0]=1，E d0"10， ∝010，带入公式可得i a =−cos (ωt +∝0)−1.43e −2.97t cos (ωt +∝0)−2.43e 0.608cos (ωt +∝0)+4e −6.3t cos (−∝0)+0.77e −6.43t cos (2ωt +∝0)Watlab 编程实现：N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);fai=0*pi/180;Ia=(-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+...4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.1*t1).*cos(2*2*50*pi*t1+fai));Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai);Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*pi*2*50*t1+fai);Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia(p.u.)');subplot(4,1,2);plot(t1,Ia1);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia1(p.u.)');subplot(4,1,3);plot(t1,Ia2);grid on;axis([0 1 -1 1]);ylabel('Ia2(p.u.)');subplot(4,1,4);plot(t1,Iap);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Iap(p.u.)');xlabel('t/s');运行以上程序得到突然发生三相短路时的a相定子电流，以及基频分量，倍频分量和非周期分量的波形，并且短路后的冲击电流标幺值为983707。

MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真题目：同步发电机突然短路的暂态过程仿真专业：电气工程及自动化班级：电气201303姓名：白辉学号：201309611同步发电机突然短路的暂态过程仿真仿真题目：假设有一台有阻尼绕组同步发电机，P N =2000W ，U N 213.8 Kv ，f N 2100z ，x d 1380，x q 1086，x d ′108.0，x d "10803，x q "108.3，r108000，x σf 1083 ，x ∝D 1083，x σq 10800，T d0′10s ，T D 10s ，T q "1384s,若发电机空载，端电压为额定电压，端子突然发生三相短路，且∝010，利用matlab 对突然三相短路后的定子电流进行数值计算基本步骤如下：参数计算:计算各衰减时间常数T a =2x d "x q "ωr(x d "+x q ")12×0.21×0.3150×2π×(0.21+0.31)10836s T q "=x q"x q T q0"10.310.6×1.4s =0870s x αd ′=x ∝x αd x ∝+x αd =0.15×0.850.15+0.85=0.128 x f ′=x σf +x αd ′=0.18+0.128=0.308x D ′=x ∝D +x αd ′=0.10+0.128=0.228T f ′=x f ′x f T d0′=0.3080.18+0.85×5s =1.5s T d ′=x D ′x D T D =0.2280.10+0.85×2s =0.48s σfd f =1−(x αd ′)2x f ′×x D ′=1−0.12820.308×0.228=0.767 q =√1−4σfd f T f ′T d′(T f ′+T d ′)2=√1−4×0.767×1.5×0.48(1.5+0.48)2=0.66 T d "=12×(1−q )(T f ′+T d ′)=12×(1−0.66)(1.5+0.48)s =0.34s T d ′=12×(1+q )(T f ′+T d ′)=12×(1+0.66)(1.5+0.48)s =1.64s 根据公式i a =−E q [0]x d cos (ωt +∝0)−(E q0"x d "−E q [0]′x d ′)exp (−t T q ")cos (ωt +∝0)−(E q [0]′x d ′−E q [0]x d )exp (−t T q )cos (ωt +∝0)−E d0"x q exp (−t T q )sin (ωt +∝0)+V [0]2(1x d "+1x q ")exp (−t T a )cos (δ−∝0)+V [0]2(1x d "−1x q ")exp (−t T a )cos (2ωt +δ+∝0) 由于空载时，将E q[0]=E q[0]′=E q0"=V [0]=1，E d0"10， ∝010，带入公式可得i a =−cos (ωt +∝0)−1.43e −2.97t cos (ωt +∝0)−2.43e 0.608cos (ωt +∝0)+4e −6.3t cos (−∝0)+0.77e −6.43t cos (2ωt +∝0)Watlab 编程实现：N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);fai=0*pi/180;Ia=(-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+...4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.1*t1).*cos(2*2*50*pi*t1+fai));Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai);Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*pi*2*50*t1+fai);Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia(p.u.)');subplot(4,1,2);plot(t1,Ia1);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia1(p.u.)');subplot(4,1,3);plot(t1,Ia2);grid on;axis([0 1 -1 1]);ylabel('Ia2(p.u.)');subplot(4,1,4);plot(t1,Iap);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Iap(p.u.)');xlabel('t/s');运行以上程序得到突然发生三相短路时的a相定子电流，以及基频分量，倍频分量和非周期分量的波形，并且短路后的冲击电流标幺值为983707。

同步发电机突然三相短路控制系统仿真1引言同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，由多个具有电磁耦合关系的绕组构成。

同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍，对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响，因此对同步发电机动态特性的研究历来是电力系统中的重要课题之一。

而同步电机的突然三相短路，是电力系统的最严重的故障，它是人们最为关心、研究最多的过渡过程。

虽然短路过程所经历的时间是极短的（通常约为0.1〜0.3s），但对电枢短路电流和转子电流的分析计算，却有着非常重要的意义。

为了保证发电机、变压器、断路器、互感器等的可靠运行，必须计算短路电流的最大瞬时值，为了决定继电保护装置的工作条件，需要知道短路电流的变化规律，此外，为了保证励磁系统的可靠运行以及强行励磁对短路电流的影响，需要进行励磁电流的计算。

电机动态过程的仿真一般是先建立电机的数学模型，在此基础上在编程进行仿真。

传统编程语言的编程效率不高，作动态响应曲线也不够方便快捷，而Matlab语言扩展能力强，能方便地调用C语言的已有程序，特别适用于矩阵计算，并且在数学建模、动态仿真及图形描述等方面都有其它高级语言难以比拟的优点。

2同步发电机的数学模型为了方便计算，做如下假定：①只考虑电机气隙基波磁场的作用（气隙谐波磁场只在差漏磁场中加以考虑）：②忽略齿谐波的作用；③不计磁路饱和、磁滋和涡流；④就纵轴或横轴而言，转子在结构上是对称的。

在这样的假设下，建立起来的方程是线性的。

在d-P坐标系统下，可得出以基值系统表示的三相同步电机（有阻尼绕组）的状态方程（用标幺值表示）。

2.1回路电压方程定子回路：U a = —G i a * e a =「r a i a * 9 邑=-口8 宀 a e = d，正电流dt dt产生负磁链：d屮b-U b —_r b i b e b _ _r b i b ' _ _r b i b bdt转子回路：d'-： fU f = r f i f e f = r f（负载反电势）D 绕组： d 屮U D - 0 - r D iD O D - r Dr D iD DdtQ 绕组：d 屮Q.•U Q - 0 - r Q i Q°Q - rQr Q i QQdt用分块矩阵形式简写为:U abc = _r ss i abc 书 abcUfDQ = r R R I fDQ ' tfDQ2.2磁链方程2.3运动方程=Tm其中J 转动惯量；'t 为转子的机械角速度；T m为原动机的机械转矩；T e为电 机的电磁转矩。

三相同步发电机的突然短路实验一、实验目的1、掌握超导体闭合回路磁链守恒原则。

2、熟悉三相突然短路的物理分析，短路电流及时间常数的计算。

3、了解瞬变电抗和超瞬变电抗及其测定方法。

4、观察三相同步发电机在空载状态下突然短路时定子绕组以及励磁绕组通过的瞬间电流波形。

二、预习要点1、三相同步电机突然短路的数学分析三、实验项目1、观察突然短路时定子绕组以及励磁绕组的瞬间电流。

四、实验方法2、控制屏上挂件顺序D523、观察三相同步发电机突然短路瞬间的电流波形（1）、按照图5-9接线，其中校正直流测功机的励磁电阻R f1选用R1上的900Ω加900Ω共1800Ω阻值，限流电阻选用R2上的90Ω串联90Ω共180Ω阻值。

电阻R选用R 上的650Ω并联650Ω共325Ω阻值，再调到5Ω。

R f2选用R3上900Ω串联900Ω共1800Ω阻值。

交流电流表选用MET01上的数模双显智能交流电流表，开关S选用D52上的交流接触器。

同步机的励磁电源选用D52上提供的电源。

启动之前电阻R1调至最大位置，R f1调至最小位置，电阻R f2调至最大位置。

开关S处于断开状态。

（2）、先接通校正直流测功机的励磁电源，然后接通电枢电源，同时使电机的转向符合正转要求。

升高电枢电压至220V，将启动电阻R1调至最小位置使校正直流测功机在额定电压下运行，再调节励磁电阻R f1使其转速达到同步转速1500r/min。

（3）、然后调节同步电机的励磁电流使同步电机输出电压等于额定电压110V。

在表5-19中记录此时电机的转速、电压、定子电流、励磁电流以及校正直流测功机的电枢电流。

图5-9 三相同步发电机突然短路实验接线图（5）、按下D52上的停止按钮使三相同步发电机开路。

将示波器的探头接至励磁绕组所串联电阻R f2两端，按步骤（4）所述方法用数字式记忆示波器摄录短路瞬间三相同步发电机的励磁电流的波形，并在图5-10中画出突然短路瞬间励磁电流的波形。