Simulink电力系统仿真（Simulink仿真、报告、设计）
目 录
1直流电机........................................................... 2
1.2交流电机........................................................ 2
1.3Simulink电力系统仿真工具箱..................... 3
2两种电机的模型............................................... 3
2.1直流电机模型................................................ 3
2.2交流电机模型（三相异步电动机）............ 7
3电机模型在仿真软件中的建立..................... 10
3.1直流电机模型.............................................. 10
3.2交流电机模型.............................................. 10
4电机仿真结果分析......................................... 11
5实训总结与收获............................................. 12
参考文献............................................................ 13
1电机测试实训的基础知识
1.1直流电机
直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流发电机
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁电源等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电转换成直流电，但从某些工作性能方面来看，交流整流电源还不能完全取代直流发电机。
直流电动机
将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。根据是否是否配置有常用的电刷-换向器可以将直流电动机分为两类，包括有刷直流电动机和无刷直流电动机。
无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。
无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。
按照供电方式的不同，无刷直流电机又可以分为两类：方波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁同步电动机；正弦波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。
直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
1.2交流电机
“交流电机”是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。
交流电机电源
交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采用单相电机。
交流电机变频调速
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电机的电力传动元件。
交流电动机调速变频器的特点：■低频转矩输出180% ，低频运行特性良好
■输出频率最大600Hz，可控制高速电机
■全方位的侦测保护功能（过压、欠压、过载）瞬间停电再起动
■加速、减速、动转中失速防止等保护功能
■电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳定性和精确性
■高速停机时响应快
■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式，通用性强
1.3Simulink电力系统仿真工具箱
Simulink是MATLAB的重要组成部分,它具有相对独立的功能和使用方法。 Simulink的主要功能是实现动态系统建模仿真与分析。Mathworks从matlab4.0版开始应用Simulink，当时把它放在matlab执行文件中。在matlab4.2及以后的版本中，Simulink则以matlab里的工具包形式单独出现，即需要单独安装。在matlab5.0版中，Simulink已升级为2.0版，在matlab5.3版中， Simulink已升级为3.0版。目前，Simulink比从前的版本有了很大的改进。
Simulink的文件类型为.mdl。 Simulink支持连续与离散系统，也支持线性与非线性系统。Simulink里包括一些控制工具箱，例如控制系统工具箱，模糊逻辑工具箱，非线性控制设计模块等等。用户还可以创建与定制自己的功能模块，而不一定只使用Simulink系统软件提供的标准模块。这样，用户就可以自行扩充软件的使用范围。
Simulink为用户提供了用方框图进行系统建模的图形窗口，根据实际工程中控制系统的具体构成，用户只需要用鼠标的点击－拖拽功能，将模块库中提供的各种标准环节拷贝到图形窗口中 ，再用Simulink的连线方式连接成一个完整的Simulink动态结构图，各个环节可按Simulink特定的方法改变或设定其参数以与实际控制系统相对应。在对于较大的系统建立模型时，Simulink提供了系统分层排列的功能。Simulink可将系统分为从高级到低级的好几层，每层又可以分为好几个小部分；每层系统模型创建完成后，再将其连接起来就是一个完整的系统了。
电力系统模块(power system blockset，PSB)功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在simulink下进行仿真分析。在MATLAB命令窗口中键入powerlib，将得出下图所示的模块集。也可以从Simulink模块浏览窗口中选中Simpowersystem子库启动。该模块集中还有很多子模块集，双击每一个图标都将打开一个下级子模块集。
2两种电机的模型
2.1直流电机模型
这个直流电机模块是 Simscape Electrical 工具箱中绕线式直流电机的核心仿真元件，主要用于复现直流电机的电磁与机械动态特性。模块包含多组功能端口：A+、A - 为电枢绕组接口，用于接入电枢回路的电源或负载；F+、F - 对应励磁绕组端口，支持他励、并励等不同励磁方式的电路连接；TL 端口输入外部负载转矩，定义电机的负载工况；m 端口是测量端口，可输出转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩等关键运行参量，同时支持电动、发电两种工作模式的动态切换。
该模块在电机仿真中具有较高的实用性：既能配合起动电阻、开关等元件搭建串电阻起动、调速控制等直流电机系统模型，又能通过测量端口的实时数据，直观观测电机起动电流波动、转速爬升等动态过程，帮助使用者将直流电机的电压平衡、转矩平衡等理论与实际运行规律对应。其参数（如电枢电阻、励磁电感）可灵活配置，适配不同规格直流电机的仿真需求，是衔接电机理论与工程应用的关键工具。
图2-1直流电机图标
图2-2直流电机参数对话框
表2-1直流电机参数
| 参数名称 | 参数符号 | 单位 | 参数数值 |
| 电枢电阻 | Ra | Ω（欧姆） | 0.4 |
| 电枢电感 | La | H（亨利） | 0.006 |
| 励磁电阻 | Rf | Ω（欧姆） | 12 |
| 励磁电感 | Lf | H（亨利） | 6 |
| 极对数 | p | 对 | 0.8 |
| 转动惯量 | J | kg·m² | 1 |
| 粘性摩擦系数 | B | N·m·s/rad | 0 |
| 额定电枢电压 | UaN | V（伏特） | 0 |
| 额定励磁电压 | UfN | V（伏特） | 1 |
| 额定转速 | nN | r/min（转/分） | 1 |
直流电机内部仿真模型由电枢回路、励磁回路与核心功能模块构成。电枢侧通过 A+、A - 端口接入电路，回路集成了电枢电阻 Ra、电感 La 及电流测量模块 iA，负责传递电枢的电压、电流信号；励磁侧经 F+、F - 端口连接，配备励磁电阻 Rf、电感 Lf 与电流测量模块 iF，支持他励、并励等不同励磁方式的电路配置。核心 FCEM 模块是功能核心，承载了电磁感应、转矩生成等逻辑，同时接入 TL/w 负载转矩输入，实现电机与外部负载的力矩交互。
该模型具备清晰的信号与能量传递链路，内部 “SPS internal use” 模块保障了仿真环境的兼容性，m 端口可输出转速、转矩等关键运行参量，便于后续观测分析。它既能够复现直流电机的电压平衡、转矩平衡等理论特性，又能通过模块化结构直观呈现电枢、励磁回路的动态耦合关系，是将直流电机理论具象化的工具，为电机起动、调速等系统的仿真验证提供了结构化的核心单元。
图2-4直流电机模型
图2-5 Mechanics 子模块的结构
2.2交流电机模型（三相异步电动机）
交流电机（如三相异步电机）的仿真核心模块，结构与功能端口清晰：A、B、C 为定子三相绕组接口，用于接入三相交流电源，是电机电能输入的关键通道；Tm 端口为机械转矩端口，可输入负载转矩或驱动转矩，定义电机的工况；m 端口是测量端口，能输出转速、电流、电磁转矩等运行参量，为特性分析提供数据支撑。
该模型基于电磁感应与转矩平衡原理构建，支持电动、发电两种工作模式，适配笼型、绕线型等转子结构的仿真需求。其模块化设计既便于与电源、负载等元件搭建完整系统，又能直观复现电机起动、加载等动态过程，是交流电机理论与仿真实践结合的核心工具。
图2-6异步电机图标
3电机模型在仿真软件中的建立
3.1直流电机模型
Simulink 仿真环境中的直流电机系统模型界面，核心是 “DC Machine” 直流电机模块，其弹出的参数配置窗口展示了电机关键参数：包括电枢阻感（Ra=0.4Ω、La=0.006H）、励磁阻感（Rf=12Ω、Lf=6H），以及励磁 - 电枢互感 Laf（0.8H）、转动惯量 J 等电磁与机械参数。
界面还包含开关、电阻等元件（构成电机外部电路），右侧测量模块可通过电机 “m” 端口，获取转速、电枢电流、电磁转矩等运行参量。该界面实现了直流电机的参数配置、电路搭建与参量观测，是开展电机起动、运行特性仿真的操作场景。
直流电动机的参数设置如下图所示：
直流电动机串电阻启动模型
3.2交流电机模型
Simulink 中交流电机（三相异步电机）的仿真模型界面：左侧三相正弦电源（ua、ub、uc）为电机定子供电，TL 模块设定负载转矩；核心是交流电机模块，通过 “m” 端口输出定子 / 转子电流、磁链、转速、电磁转矩等参量。
右侧测量模块对输出信号分类解析，配合示波器、XY Graph 图示仪，可观测定子 / 转子电流波形、磁链轨迹及转矩 - 转速特性。“Continuous” 模块保障连续仿真模式，整体实现了交流电机从供电、负载施加到多参量动态观测的完整仿真链路，是分析电机电磁与机械特性的典型场景。
图3-2异步电机特性研究
4电机仿真结果分析
4.1 直流电机仿真
启动仿真模型后，得到的转速与电流波形如图 3-3 所示：起动 5s 后，励磁电流与电枢电流下降至 1.25A，对应转速为 9rad/s、转矩为 2.8N・m；10s 时减小起动电阻（切除 R2），此时励磁电流与电枢电流下降至 1.42A，对应转速为 14rad/s、转矩为 3.6N・m；15s 后，励磁电流与电枢电流稳定在 1.65A，转速稳定在 21rad/s，转矩稳定在 3.6N・m。
- （b）
- （d）
直流电机串电阻启动时的转速、电枢电流、励磁电流转矩波形
4.2 交流电机仿真
交流电机额定电压空载启动时，0.2 秒内转速升至 1500r/min 空载稳定转速，磁场逐步建立；0.5 秒施加 132N・m 恒定负载后，转速下降至 1300r/min 新稳定点，转差率增大。启动阶段电流较大，转速上升后减小，加载后电流显著增加，定子电流为 50Hz 正弦波，转子电流频率与转差相关，空载时转子电流近乎消失。转矩启动时存在波动，0.3 秒空载转矩趋于零，加载后 0.6 秒稳定在 70N・m。相关波形图清晰呈现转速、电流、转矩变化及负载历程，机械特性图标注空载（A 点）与加载（B 点）工作点，定子、转子磁链轨迹直观反映内部磁场变化，为理解电机电磁机制提供关键支撑。
5实训总结与收获
本次电机仿真实训围绕直流电机与三相异步电动机的建模、仿真及特性分析展开，让我实现了电机理论知识与工程实践的深度融合。实训中，我熟练运用 Simscape Electrical 工具箱，成功搭建了直流电机串电阻起动模型和交流电机直接供电模型，掌握了电机模块、电源元件、测量工具的参数配置逻辑，比如直流电机电枢电阻、励磁电感的设定，以及交流电机负载转矩的配置，将抽象的电机结构与电路原理转化为具象的仿真模型。
在仿真结果分析环节，我的数据分析与问题解读能力得到显著提升。通过示波器、XY 图示仪等工具，我直观观测到直流电机起动过程中电流、转速的动态变化，理解了分级切除起动电阻限制电流的原理；同时清晰掌握了交流电机空载启动、加载后的转速波动、转矩稳定规律，以及转差率与转子电流频率的关联，让我对电磁感应、转矩平衡等核心理论有了更深刻的具象认知。
此次实训不仅提升了我使用专业仿真工具解决工程问题的实操能力，更培养了严谨的参数设计思维与系统分析思维。从模型搭建时的元件选型、参数调试，到结果分析时的波形解读、规律总结，每一步都锻炼了我发现问题、解决问题的能力，为后续深入学习电机调速控制、电力系统仿真等内容奠定了坚实基础，也让我深刻体会到理论联系实际在工程应用中的关键价值。
参考文献
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