手把手教你学Simulink--电机故障诊断与可靠性场景实例：基于Simulink的电源波动对电机运行的影响仿真

波动类型	描述	典型场景
电压骤降	电压瞬间跌落（如50%额定电压，持续10ms）	电网故障、大型设备启动
频率偏移	电源频率偏离额定值（如50Hz→48Hz）	发电机转速波动、电网负载突变
谐波污染	电流/电压含高次谐波（如5次、7次谐波）	非线性负载（变频器、整流器）

2. 电源波动对电机的影响机制

电磁转矩：电机转矩与电压平方成正比（Te∝U2），电压骤降会直接导致转矩暴跌；
同步转速：异步电机转速与频率成正比（ns=60f/p），频率偏移会改变同步转速，引发转差率波动；
谐波损耗：谐波电流会增加电机的铜损（Pcu=Ih2Rs）和铁损（Pfe=khf2Bm2），导致绕组发热。

3. 传统研究的“局限性”

定性分析多：缺乏定量仿真，无法准确评估波动的“影响程度”；
单一波动场景：仅研究电压骤降或谐波，未考虑“复合波动”（如电压骤降+谐波）；
无缓解策略验证：未测试“滤波器”“UPS”等措施的实际效果。

三、应用场景：电动汽车驱动电机的“电源波动+谐波”影响仿真

选电动汽车驱动用永磁同步电机（PMSM）作为典型场景——这是电源波动“高敏感”场景：

电机依赖逆变器供电，逆变器开关会产生谐波；
电网波动（如充电桩电压骤降）会直接影响电机运行；
对“动力稳定性”要求极高（电压骤降可能导致车辆失去加速能力）。

场景描述

系统构成：
- PMSM：额定功率150kW，额定转速3000rpm，极对数p=4，额定电压600V；
- 电源模块：AC Voltage Source（模拟电网）+ LC滤波器（模拟供电线路）；
- 逆变器：三相全桥（模拟车载充电机/DC-DC转换器）；
- 负载：恒转矩负载（模拟车辆匀速行驶，转矩200N·m）；
- 波动注入：
  - 电压骤降：t=0.5s时，电压从600V跌至300V（持续20ms）；
  - 频率偏移：t=2s时，电源频率从50Hz降至48Hz；
  - 谐波污染：t=3.5s时，注入5次谐波（幅值20%额定电压）；
- 监测目标：
  - 电机转速、转矩、电流的实时响应；
  - 电机效率、温升的变化；
  - 不同波动下的“影响程度”量化。

四、建模与实现步骤

用Simulink搭建电源波动对电机影响的仿真系统，核心是“电源建模→波动注入→电机响应→影响分析”。

第一步：搭建基础模块（Simulink组件清单）

基于Simscape Electrical（电源/电机/逆变器）+Control System Toolbox（控制逻辑）+Signal Processing Toolbox（信号分析），关键模块：

模块类型	具体模块	参数设置
电源模块	`AC Voltage Source`+`Series RLC Branch`	额定电压600V，频率50Hz，内阻0.1Ω
逆变器模型	`Three-Phase Bridge`	IGBT开关频率10kHz，调制比0.9
PMSM模型	`Permanent Magnet Synchronous Machine`	150kW，4极，Rs=0.5Ω，Ld=0.002H
负载模型	`Constant Torque Load`	转矩200N·m
波动注入模块	`MATLAB Function`	模拟电压骤降、频率偏移、谐波
分析模块	`FFT Analyzer`+`Scope`+`Efficiency Calculator`	分析电流谐波、转速响应、效率

第二步：电源波动建模（核心！）

用MATLAB Function注入电压骤降、频率偏移、谐波：

1. 电压骤降注入

修改AC Voltage Source的输出电压，t=0.5s时从600V跌至300V：

function U_out = voltage_sag(t, U_nominal)  
    % 输入：时间t，额定电压U_nominal（600V）  
    % 输出：波动后电压U_out  
    
    if t >= 0.5 && t <= 0.52  
        U_out = U_nominal * 0.5; % 50%电压骤降，持续20ms  
    else  
        U_out = U_nominal;  
    end  
end

2. 频率偏移注入

修改AC Voltage Source的输出频率，t=2s时从50Hz降至48Hz：

function f_out = frequency_shift(t, f_nominal)  
    % 输入：时间t，额定频率f_nominal（50Hz）  
    % 输出：波动后频率f_out  
    
    if t >= 2  
        f_out = f_nominal * 0.96; % 48Hz，持续至仿真结束  
    else  
        f_out = f_nominal;  
    end  
end

3. 谐波污染注入

在AC Voltage Source的输出端叠加5次谐波（幅值20%额定电压）：

function U_harmonic = harmonic_injection(t, U_nominal)  
    % 输入：时间t，额定电压U_nominal（600V）  
    % 输出：含谐波的电压U_harmonic  
    
    % 基波（50Hz）  
    U1 = U_nominal * sin(2*pi*50*t);  
    % 5次谐波（250Hz，幅值20%）  
    U5 = U_nominal * 0.2 * sin(2*pi*250*t);  
    U_harmonic = U1 + U5;  
end

4. 集成到电源模块

将上述函数的输出连接到AC Voltage Source的电压端口，实现波动注入。

第三步：电机响应监测与特征提取

监测电机的转速、转矩、电流，提取关键特征：

1. 转速响应（Scope观察）

电压骤降时：转速从3000rpm跌至2500rpm（转矩不足）；
频率偏移时：同步转速从3000rpm降至2880rpm（ns=60×48/4），转速波动；
谐波污染时：转速略有抖动（谐波转矩干扰）。

2. 电流谐波分析（FFT Analyzer）

谐波污染时：电流中5次谐波含量从0%升至20%（与电压谐波一致）；
电压骤降时：电流幅值增大（转矩需求不变，电压降低→电流上升）。

3. 电机效率计算

电机效率η=Pout/Pin，其中：

Pout=Te×ωr（输出功率=转矩×机械角速度）；
Pin=3×Is2×Rs（输入功率=三相铜损+铁损）。

用MATLAB Function计算效率：

function eta = motor_efficiency(T_e, omega_r, I_s, R_s)  
    % 输入：转矩T_e，机械角速度omega_r，相电流I_s，定子电阻R_s  
    % 输出：效率eta  
    
    % 输出功率（W）  
    P_out = T_e * omega_r;  
    % 输入功率（W，忽略铁损）  
    P_in = 3 * I_s^2 * R_s;  
    % 效率  
    eta = P_out / P_in;  
end