交流異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)作 者:學(xué) 號(hào)：系：專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化題 目:交流異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)仿真分析 副教授 指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))講師評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))2013 年 5 月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語學(xué)生姓名： 班級(jí)、學(xué)號(hào)： 題 目： 交流異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)仿真分析 綜合成績： 指導(dǎo)者評(píng)語： 指導(dǎo)者(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語評(píng)閱者評(píng)語： 評(píng)閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語： 答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高、成本較低等特點(diǎn)，在日常生活中得到廣泛

2、的使用。目前，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在追求更高的控制精度的基礎(chǔ)上變得越來越復(fù)雜，而仿真是對(duì)其進(jìn)行研究的一個(gè)重要手段。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析和運(yùn)算軟件 ，可用動(dòng)作系統(tǒng)的建模和仿真。在分析三相異步電動(dòng)機(jī)物理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB軟件簡歷了相對(duì)應(yīng)的仿真模型；在加入相同的三相電壓和轉(zhuǎn)矩的條件下，使用實(shí)際電機(jī)參數(shù)，與MALAB給定的電機(jī)模型進(jìn)行了對(duì)比仿真。 全論文分為六個(gè)部分，第一章對(duì)異步電機(jī)的應(yīng)用發(fā)展做出了相關(guān)的描述，且對(duì)MATLAB仿真軟件做了一定的介紹，第二章介紹了異步電機(jī)的特性并對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行了仿真與分析，從第三章到第六章則是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)進(jìn)行理論分析

3、和仿真模擬以及仿真結(jié)果的分析。經(jīng)分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本設(shè)計(jì)將結(jié)合MATLAB的特點(diǎn)，對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行建模和仿真，并通過實(shí)際的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞 異步電機(jī) 數(shù)學(xué)模型 MATLAB 仿真 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要Title The analysis and simulation of drive system of AC asynchronous motor AbstractAsynchronous motor with its simple structure, reliable operation, high efficiency, low c

4、ost, in everyday life are widely used. At present, the motor control system in pursuit of higher control precision on the basis of becomes more and more complex, and its simulation is an important tool in the study of. The MATLAB is an advanced mathematical analysis and calculation software, availab

5、le action system modeling and simulation. On the analysis of the physics model and mathematics model of three-phase asynchronous motor based on MATLAB software application, resume the corresponding simulation model; in addition the same three-phase voltage and torque conditions, using the actual mot

6、or parameters, and MALAB given motor model were compared with simulation.The whole thesis is divided into six parts, the first chapter of the asynchronous motor application development of the corresponding description, the second chapter of the MATLAB simulation software to be introduced, from the t

7、hird chapter to the sixth chapter is on the mechanical characteristics of asynchronous motors, speed control, brake, start by theory analysis and simulation and the simulation results analysis of.After analysis, show that the model built is reasonable. Therefore, the design will be based on the char

8、acteristics of MATLAB, the three-phase asynchronous motor modeling and simulation, and through the actual parameters of the motor, the model is validated.Keywords asynchronous motor mathematical model MATLAB simulation 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第1頁 共33頁目 次1 緒論11.1 異步電機(jī)的用途和研究意義11.2 異步電機(jī)的工作原理21.3 軟件介紹21.4 本課題主要工作3

9、2 三相異步電機(jī)機(jī)械特性仿真42.1 機(jī)械特性表達(dá)式42.2 固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性62.3 基于MATLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真83 異步電機(jī)起動(dòng)特性仿真113.1 三相異步電機(jī)直接起動(dòng)仿真113.2 三相異步電機(jī)串電抗器起動(dòng)仿真123.3 三相異步電機(jī)變壓器起動(dòng)仿真133.4 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)仿真154 三相異步電機(jī)調(diào)速特性仿真174.1 三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速仿真174.2 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速仿真194.3 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速仿真205 三相異步電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真226 三相異步電機(jī)制動(dòng)特性仿真246.1 三相異步電機(jī)自然制動(dòng)仿真246.2 三相異步電機(jī)能耗制動(dòng)

10、仿真256.3 三相異步電機(jī)反接制動(dòng)仿真286.4 三相異步電機(jī)反饋制動(dòng)仿真29結(jié) 論31致 謝32參 考 文 獻(xiàn)331 緒論交流異步電機(jī)，是轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個(gè)電磁力矩，從而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的電力拖動(dòng)裝置。根據(jù)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真模型，利用Matlab，Simulink軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，并研究其仿真結(jié)果，從而理解異步電機(jī)的特性。1.1 異步電機(jī)的用途和研究意義異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，具有較高的運(yùn)行效率與較好的工作特性。在機(jī)械、石油、冶金、煤炭、航空等行業(yè)及日常生活中有廣泛的應(yīng)用，起著不可或缺的作用。異步電機(jī)能從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，可以

11、滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)要求。異步電動(dòng)機(jī)也便于派生成各種防護(hù)形式，來適應(yīng)不同環(huán)境條件的需求。隨著電力電子器件和交流變頻調(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展，由異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器組成的交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能以及經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且維護(hù)簡便，所以應(yīng)用愈來愈廣泛。其局限性是轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速存在固定的轉(zhuǎn)差率，所以調(diào)速性能較差，在有較寬廣的平滑調(diào)速范圍需求的使用場合中使用時(shí)，不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。因此異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化特別重要。異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)今研究的意義和目的是：新材料的應(yīng)用，更加節(jié)能，降低啟動(dòng)電流，調(diào)速，過載能力，大電機(jī)的保護(hù)，提高

12、效率等。1.2 異步電機(jī)的工作原理異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)基本部分組成，定子是靜止部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，定子和轉(zhuǎn)子間有一定的空隙。電動(dòng)機(jī)工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等得出的。異步電動(dòng)機(jī)定子上有三相對(duì)稱的交流繞組,三相對(duì)稱交流繞組通入三相對(duì)稱交流電流時(shí)，將在電機(jī)氣隙空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中, 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁極的磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，利用右手定則可判斷感應(yīng)電勢方向。 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，于是轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，利用左手定則可判斷電磁力的方向。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第2頁 共 33頁電

13、磁力作用在轉(zhuǎn)子上進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來。1.3 軟件介紹1.3.1 MATLAB簡介自八十年代以來，計(jì)算機(jī)仿真成為交流電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的有利工具。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，使我們可以利用該軟件建立電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制、仿真模型，并用該模型在計(jì)算機(jī)環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，而不是真正的電機(jī)在實(shí)際情況中運(yùn)行，這樣做不僅能獲得可靠的數(shù)據(jù)，且節(jié)省了時(shí)間和成本。MATLAB語言工程的使用簡單，是美國MathWorks公司在1984推出的軟件，它是基于矩陣運(yùn)算，將計(jì)算，可視化，程序設(shè)計(jì)集成到一個(gè)互動(dòng)的工作環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算，算法研究，建模和仿真，數(shù)據(jù)分析和可視化，科學(xué)工程制圖，應(yīng)用開發(fā)（包

14、括圖形用戶界面的設(shè)置）等，此外，MATLAB工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富的資源。MATLAB語言具有以下特點(diǎn)：（1）強(qiáng)大的功能：MATLAB不僅用于數(shù)值和符號(hào)計(jì)算，而且計(jì)算結(jié)果的可視化和數(shù)據(jù)分析也有其他同類軟件不可比擬的優(yōu)越性。此外，MATLAB筆記本給用戶提供了統(tǒng)一的處理函數(shù)的數(shù)學(xué)和文字，Matlab的Simulink功能將延伸到仿真領(lǐng)域，在各行各業(yè)中得到應(yīng)用。不僅如此，公司也推出了是和各行各業(yè)的MATLAB工具箱。（2）友好的人機(jī)界面，編程效率高：基于矩陣計(jì)算的程序設(shè)計(jì)語言，其指令表達(dá)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和標(biāo)準(zhǔn)教科書非常接近。用戶不需要太高的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，只要按照輸入表達(dá)式的規(guī)定計(jì)算，MAT

15、LAB會(huì)為用戶提供計(jì)算結(jié)果。此外，語言設(shè)計(jì)程序的使用，編譯和執(zhí)行比C語言程序這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)更快，可以說，在編譯器工程計(jì)算的效率上MATLAB比其他語言更高。（3）可擴(kuò)展性：MATLAB的一個(gè)重要特征是它的可擴(kuò)展性，這一特點(diǎn)使應(yīng)用程序允許用戶自由地發(fā)展自己，多年來，許多使用MATLAB的數(shù)學(xué)家，工程師和科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用。matlab的這些特點(diǎn)使它在應(yīng)用學(xué)科，尤其是邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的非常強(qiáng)大的適應(yīng)能力，并很快成為一個(gè)不可或缺的應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真以及教學(xué)的基本軟件。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第3頁 共 33頁1.3.2 MATLAB中的SIMULINK

16、仿真模塊的使用在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)SIMULINK窗口。這個(gè)窗口包含7個(gè)模塊庫，它們分別是信號(hào)源模塊庫(sources)、輸出模塊庫(Sinks)、離散模塊庫(Diserete)、線性模塊庫(Linear)、非線性模塊庫(Nonlinear)、連接與接口模塊庫(Connections)和擴(kuò)展模塊庫(Extrax)。 每個(gè)子模塊庫里包含同類型的標(biāo)準(zhǔn)模型，這些模塊可直接用于建立系統(tǒng)的Simulink框圖模型。模型窗口用來建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先建立一個(gè)空白的模型窗口，才能將模塊庫的相應(yīng)模塊復(fù)制到該窗口，通過必要的連接，建立起Simulink仿真模型。

17、在Simulink模型窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo)，按住左鍵不妨并移動(dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)模型窗口制動(dòng)位置，釋放鼠標(biāo)就完成了拷貝。用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo)，打開模塊對(duì)話框，根據(jù)對(duì)話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改。模塊之間的連接是用連接線將一個(gè)模塊的輸出端與另一模塊的輸入端連接起來；也可用分支線把一個(gè)模塊的輸出端與幾個(gè)模塊的輸入端連接起來。系統(tǒng)仿真運(yùn)行：在模型窗口選取菜單Simulation：Parameters，設(shè)置仿真參數(shù)。選取菜單Simulation：Start，仿真開始，至設(shè)置的仿真終止時(shí)間，仿真結(jié)束?？梢酝ㄟ^虛擬示波器Scope觀察仿真結(jié)果輸出。把Scope連接到需要觀測的點(diǎn)，調(diào)整好S

18、cope的掃描量程與顯示幅值量程，觀察系統(tǒng)的仿真過程和結(jié)果。1.4 本課題主要工作本課題借助仿真工具M(jìn)ATLAB分析異步電動(dòng)機(jī)的模型以及機(jī)械特性，在此基礎(chǔ)上，研究交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)特性，對(duì)各種起動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)方法進(jìn)行仿真分析。起動(dòng)方法：三相異步電機(jī)直接起動(dòng)，串電抗器起動(dòng)，變壓器起動(dòng)、轉(zhuǎn)子繞串電阻起動(dòng)。調(diào)速方法：三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速，變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速。制動(dòng)方法：三相異步電動(dòng)機(jī)的自然制動(dòng)，能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第4頁 共 33頁2 三相異步電機(jī)機(jī)械特性仿真2.1 機(jī)械特性表達(dá)式三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在電動(dòng)機(jī)定子電壓、頻率以

19、及繞組參數(shù)一定的條件下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速或和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，即n=(T)或T=(s)。機(jī)械特性有三種表達(dá)式：物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式和使用表達(dá)式。2.1.1 物理表達(dá)式由電機(jī)學(xué)知三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有相似的表達(dá)形式。它們都與電機(jī)結(jié)構(gòu)（表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)）和每級(jí)下磁通有關(guān)，只不過在三相異步電動(dòng)機(jī)中不再是通過電樞的全部電流，而是點(diǎn)數(shù)電流的有功分量。三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為： （2.1）式中轉(zhuǎn)矩常數(shù)每級(jí)下磁通轉(zhuǎn)子功率因數(shù)式(2.1)表明，轉(zhuǎn)子通入電流后，與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，因此，反映了電機(jī)中電流、磁場和作用力之間符合左手定則的物理關(guān)系，故稱為機(jī)械特性的物理表

20、達(dá)式。該表達(dá)式在分析電磁轉(zhuǎn)矩與磁通、電流之間的關(guān)系時(shí)非常方便。從三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子等值電路可知， （2.2） （2.3）將式(2.2)、(2.3)代入(2.1)得： （2.4）對(duì)于(2.4)，我們做如下分析：1. 當(dāng)s=0時(shí)， M=0，說明電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第5頁 共 33頁2. 當(dāng)s很小時(shí)，有，說明電磁轉(zhuǎn)矩T近似與s呈線性關(guān)系，即隨著M的增加，n略有下降。因而，類似直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，是一條下傾的直線。3. 當(dāng)s很大時(shí)，有，說明電磁轉(zhuǎn)矩M近似與s成反比，即M增加時(shí)n反而升高。4. 當(dāng)s=1時(shí)，n=0，此即三相異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從上述可見，三相異

21、步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由兩段組成：當(dāng)s較?。╪較高）時(shí)，n與M近似呈線性關(guān)系；當(dāng)s較大（n較低）時(shí)，n隨M增大而升高。將兩部分機(jī)械特性圓滑連接，既得三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性。2.1.2 參數(shù)表達(dá)式由電機(jī)學(xué)知，三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 （2.5）所以，電磁轉(zhuǎn)矩為 （2.6）由三相異步電動(dòng)機(jī)近似等值電路知 （2.7）而 （2.8）將式(3.7)、(3.8)代入式(3.6)得 （2.9） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第6頁 共 33頁式(2.9)即為三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。2.2 固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指在額定電壓、額定頻率下，按規(guī)定的接線方式接線，定、轉(zhuǎn)子無

22、外接電阻（電感或電容）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如圖2-1所示，其中曲線1為電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)固有機(jī)械特性；曲線2為反向旋轉(zhuǎn)時(shí)固有特性。圖2-1 三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性是人為的改變異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)參數(shù)或電源參數(shù)，保持其他參數(shù)不變而得到的機(jī)械特性。由式（2.9）可見，可供改變的量有：電源電壓、電源頻率、極對(duì)數(shù)p、定子電路電阻或電抗和轉(zhuǎn)子電路電流或電抗。（2）降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性當(dāng)電源電壓降低時(shí)，由于，與電壓無關(guān)，不變。得，與成正比例，當(dāng)下降時(shí)，和成正比例降低，而與無關(guān)，不變。同理，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦與成比例降低。因此，電源電壓降低時(shí)的人為機(jī)械特性是一組過同步轉(zhuǎn)速、臨界轉(zhuǎn)差率不

23、變、最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩均與成比例下降的曲線簇。降壓時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖2-2所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第7頁 共 33頁圖2-2 降壓時(shí)的異步電機(jī)人為特性（3）轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻時(shí)的人為特性 這種情況只對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)才有意義。由于，與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)不變。則最大轉(zhuǎn)矩亦不變；而臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成比例變化。因此，轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻的人為特性是一組過同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩不變、臨界轉(zhuǎn)差率隨轉(zhuǎn)子電阻增加而成比例增大的線簇，如下圖所示：圖 2-3 轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻時(shí)的人為特性從圖2-3所示曲線可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻剛開始增加時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子電阻增加而增加；當(dāng)時(shí)，即有最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

24、這是令計(jì)算，得： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第8頁 共 33頁當(dāng)轉(zhuǎn)子電路所串電阻大于0時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩反而減小了。由此可見，對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子電阻，可以增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，改善啟動(dòng)性能。2.3 基于MATLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真機(jī)械特性是指在定子電壓、頻率和其他參數(shù)固定，而負(fù)載不斷變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速（或轉(zhuǎn)差率）之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)電機(jī)學(xué)有關(guān)知識(shí)，兩者的關(guān)系，即，上述數(shù)學(xué)關(guān)系T=f(s)即是異步電機(jī)的機(jī)械特性。MATLAB程序如下：% 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性clcclear% 下面輸入電動(dòng)機(jī)參數(shù)U1=220/sqrt(3);Nphase=3;P=2;fN=50;R1=0.

25、095;X1=0.680;X2=0.672;Xm=18.7;%下面計(jì)算電機(jī)同步速度omegas=2*pi*fN/P;nS=60*fN/P; 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第9頁 共 33頁%下面是轉(zhuǎn)子電阻的循環(huán)數(shù)值for m=1:5 if m=1 R2=0.1; elseif m=2 R2=0.2; elseif m=3 R2=0.5; elseif m=4 R2=1.0; else R2=1.5; end%下面是轉(zhuǎn)差率計(jì)算for n=1:2000 s(n)=n/2000; Tmech=Nphase*P*U1*2*R2/s(n)/omegas/(R1+R2/s(n)2+(X1+X2)2;%繪圖pl

26、ot(s(n),Tmech)endif m=1 holdendendholdxlabel('轉(zhuǎn)差率')ylabel('電磁轉(zhuǎn)矩')異步電機(jī)機(jī)械特性仿真結(jié)果如圖2-4所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第10頁 共 33頁圖2-4 異步電機(jī)機(jī)械特性仿真結(jié)果結(jié)論:以電動(dòng)經(jīng)濟(jì)額定電氣參數(shù)為依據(jù)，分析得出了任一轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的普遍公式，作為對(duì)現(xiàn)有公式的補(bǔ)充和完善。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第11頁 共 33頁3 異步電機(jī)起動(dòng)特性仿真3.1 三相異步電機(jī)直接起動(dòng)仿真一臺(tái)三相異步電機(jī)，直接施加三相交流電源，觀察起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。三相異步電機(jī)直接起動(dòng)轉(zhuǎn)

27、矩較大，但起動(dòng)電流也大。通常用于小功率電機(jī)。異步電機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖3-1所示： 圖3-1 異步電機(jī)參數(shù)設(shè)置仿真模型如圖3-2所示：圖3-2 直接起動(dòng)仿真模型三相電源的3路輸入信號(hào)的初始相位分別設(shè)置為0，-120，120。相電壓設(shè)為220V，頻率為60Hz。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第12頁 共 33頁運(yùn)行上述仿真模型，可以得到起動(dòng)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速變化規(guī)律曲線，如圖3-3所示：ABCD(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖3-3 直接起動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：直接起動(dòng)速度較快，只有約0.3秒，由于負(fù)載較小，所以轉(zhuǎn)速也上升得很快，最終接近于同步轉(zhuǎn)速。定子電流和轉(zhuǎn)子電流在起動(dòng)過

28、程中振蕩較大，且最大電流很大。3.2 三相異步電機(jī)串電抗器起動(dòng)仿真一臺(tái)三相異步電機(jī)串電抗器起動(dòng)，觀察起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在直接起動(dòng)的基礎(chǔ)上稍加修改，在交流電源和電機(jī)每相定子繞組之間串接電抗元件。電機(jī)起動(dòng)過程中，電抗元件產(chǎn)生分壓，從而起到限制起動(dòng)電流的目的。隨著起動(dòng)過程的進(jìn)行，電抗電壓越來越小，直至起動(dòng)過程結(jié)束。串電抗器起動(dòng)仿真模型如圖3-4所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第13頁 共 33頁圖3-4 定子串電抗器起動(dòng)仿真模型每個(gè)串聯(lián)的電抗器兩端都并聯(lián)一個(gè)電阻，實(shí)際上該電阻起到緩沖作用，當(dāng)電路狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，該電阻可以保證電路繼續(xù)導(dǎo)通。運(yùn)行上述仿真模型，可以得到起動(dòng)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、

29、電流、轉(zhuǎn)速變化規(guī)律曲線，如圖3-5所示：(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖3-5 定子串電抗器起動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：定子串電抗器可以起到分壓的作用，從而減小加載電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，因此于直接起動(dòng)相比，起動(dòng)電流明顯減小。起動(dòng)時(shí)間比直接起動(dòng)略長，約為1秒。3.3 三相異步電機(jī)變壓器起動(dòng)仿真 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第14頁 共 33頁一臺(tái)三相異步電機(jī)串變壓器起動(dòng)，起動(dòng)過程結(jié)束后切除變壓器，觀察起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在變壓器起動(dòng)中，通常串接的是自耦變壓器，開始起動(dòng)時(shí)，變壓器輸出電壓最小，隨著起動(dòng)過程的進(jìn)行，輸出電壓逐漸增加，直到最后完全輸出額定電壓。由于在SIMULINK仿

30、真模型運(yùn)行過程中，變壓器的參數(shù)不能人工動(dòng)態(tài)地改變，因此在設(shè)計(jì)此仿真模型時(shí)，通過開關(guān)來控制變壓器的輸出；為簡單計(jì)算，變壓器的輸出只改變一次，即在供電主電路中設(shè)置兩組開關(guān)，一組串聯(lián)在變壓器三相輸出和異步電機(jī)的定子三相繞組之間，一組并聯(lián)在變壓器輸入/輸出之間，起動(dòng)初期，串聯(lián)開關(guān)閉合，并聯(lián)開關(guān)斷開，則變壓器工作，輸出低電壓到電機(jī)；起動(dòng)到一定程度，串聯(lián)開關(guān)斷開，并聯(lián)開關(guān)閉合，則變壓器停止工作，電源電壓直接輸出到電機(jī)1。兩組開關(guān)的參數(shù)設(shè)置如圖所示：圖3-6 開關(guān)參數(shù)設(shè)置圖3-7 變壓器起動(dòng)仿真模型 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第15頁 共 33頁(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖3-8

31、 變壓器起動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：原理上定子串自耦變壓器起動(dòng)與定子串電抗器起動(dòng)沒什么區(qū)別，減小了變壓器二次側(cè)加在定子兩端的電壓，因此起動(dòng)電流減小。但由于自耦電壓器的切除，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化，電流波形出現(xiàn)了2次沖擊電流，而串電抗器起動(dòng)則沒有這種情況。3.4 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)仿真對(duì)繞線式電機(jī)來說，除了可以采用上述起動(dòng)方法外，還可以采用繞組串電阻起動(dòng)，即在電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上串接移動(dòng)的電阻，這樣既可以降低起動(dòng)電流，還可以增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)起動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，這些電阻及時(shí)切除，使電機(jī)工作在正常狀態(tài)1。起動(dòng)電阻器的基本結(jié)構(gòu)如下（右圖是封裝后的效果）：圖3-9 起動(dòng)電阻器基本結(jié)構(gòu)圖起動(dòng)電阻器與模型的其他部分合

32、理組合后，得到該起動(dòng)模式的仿真模型如圖所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第16頁 共 33頁圖3-10 轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)仿真模型(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖3-11 轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)時(shí)，串聯(lián)電阻可以增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流，從而提高起動(dòng)的速度。從途中可看出定子電流有所減小，起動(dòng)速度提高到約為0.3秒。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第17頁 共 33頁4 三相異步電機(jī)調(diào)速特性仿真4.1 三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速仿真三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，由于此時(shí)電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不變，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍很小。而且電機(jī)通常額定工作電

33、壓一定，因此三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的變壓范圍也會(huì)受到限制。仿真模型和直接起動(dòng)相同：圖4-1 調(diào)壓調(diào)速仿真模型首先將電機(jī)的工作電壓設(shè)置為220V，仿真參數(shù)設(shè)置:圖4-2 電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置運(yùn)行仿真模型。待運(yùn)行結(jié)束后，將仿真參數(shù)設(shè)置為如圖所示的內(nèi)容。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第18頁 共 33頁圖4-3 電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置然后在指令窗口運(yùn)行如下指令：xInitial=xFinalxInitial= 1.0e+002* -0.01155604448671 0.00267230527579 -0.01185555103566 0.00289624717602 1.81988939024069 0.0099

34、3222435709將電機(jī)工作電壓修改為180V，重新運(yùn)行模型的仿真結(jié)果如圖所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第19頁 共 33頁(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖4-4 調(diào)壓調(diào)速仿真結(jié)果結(jié)論：調(diào)壓調(diào)速是先運(yùn)行模型，把得到的穩(wěn)態(tài)值設(shè)為下一次運(yùn)行的初始值，然后修改模型輸出，調(diào)壓后的模型在調(diào)壓前運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)值基礎(chǔ)上重新運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的改變。4.2 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速仿真改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)的定子電源頻率，觀察電機(jī)定子電源、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由于電機(jī)呃轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速接近，磁場轉(zhuǎn)速改變后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n也就隨之改變。由公式可知，改變電源頻率，可以調(diào)節(jié)磁場轉(zhuǎn)速，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)

35、速，這樣的調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。仿真模型與調(diào)壓調(diào)速完全相同。首先將電源頻率設(shè)為60Hz，運(yùn)行該模型，在MATLAB指令窗口將仿真結(jié)果設(shè)為初始值。然后不改變電路結(jié)構(gòu)，將電源頻率調(diào)整為50Hz，重新運(yùn)行仿真模 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第20頁 共 33頁型，得到仿真結(jié)果如圖所示：(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖4-5 變頻調(diào)速仿真結(jié)果結(jié)論：變頻前由于沒有負(fù)載，所以定子電流、轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩均最終都趨于0，根據(jù)公式可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1800r/min，同時(shí)在40ms左右，電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。變頻后轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1500r/min，且反應(yīng)時(shí)間也縮短了。4.3 三相異步電機(jī)

36、轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速仿真當(dāng)在轉(zhuǎn)子繞組中串入附加電阻后，電機(jī)的機(jī)械特性發(fā)生變化，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，改變轉(zhuǎn)子串聯(lián)的附加電阻大小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)速的目的。仿真模型與轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)基本相同，只是這里不再需要切除電阻，如圖所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第21頁 共 33頁圖4-6 轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速仿真模型調(diào)速前，將轉(zhuǎn)子電阻設(shè)為10，運(yùn)行仿真模型。待運(yùn)行結(jié)束后，在MATLAB指令窗口運(yùn)行如下指令。xInitial=xFinal并將電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻改為30，重新運(yùn)行模型，仿真結(jié)果如圖所示：(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖4-7 轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速仿真結(jié)果結(jié)論：轉(zhuǎn)子繞

37、組串電阻調(diào)速方法沒有采用開關(guān)切除法，而是從調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)調(diào)整到調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)。轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在1400r/min。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第22頁 共 33頁5 三相異步電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)方向決定了三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，定子繞組通入的三相交流電的相序決定了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向；因此要改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就是將電機(jī)輸入電源的三根電源線中任意兩根對(duì)調(diào)一下。將任意兩根電源線對(duì)調(diào)使得流過定子繞組的電流相序改變，且旋轉(zhuǎn)磁場方向改變，三相異步電機(jī)的反轉(zhuǎn)的模型與電機(jī)起動(dòng)的模型相同。反轉(zhuǎn)之前，運(yùn)行仿真模型，并在MATLAB指令窗口運(yùn)行指令。xInitial=xFinal然后，修改三相交流電的相序，如圖

38、所示：圖5-1 反轉(zhuǎn)仿真模型重新運(yùn)行模型，仿真結(jié)果如圖所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第23頁 共 33頁(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖5-2 反轉(zhuǎn)仿真結(jié)果結(jié)論：流過定子繞組的相序改變后，旋轉(zhuǎn)磁場也發(fā)生改變，從圖中可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速減小為零并及時(shí)改變方向。電磁轉(zhuǎn)矩瞬間變?yōu)樨?fù)值，經(jīng)過過度后逐漸趨近于零。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第24頁 共 33頁6 三相異步電機(jī)制動(dòng)特性仿真6.1 三相異步電機(jī)自然制動(dòng)仿真在三相異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，切斷電源，就是電機(jī)的自然制動(dòng)過程。自然制動(dòng)是指電機(jī)運(yùn)行過程中切斷電源，且不加其他任何控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢降低，直至轉(zhuǎn)速為零的全過程

39、。相對(duì)于其他制動(dòng)方式而言，自然制動(dòng)所耗時(shí)間最長，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降最慢。三相異步電機(jī)自然制動(dòng)模型，就是在三相交流電源和電機(jī)的三相定子繞組之間設(shè)置三個(gè)開關(guān)。開關(guān)初始狀態(tài)設(shè)為導(dǎo)通，模型運(yùn)行到一定程度后開關(guān)斷開。仿真模型如圖所示：圖6-1 自然制動(dòng)仿真模型 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第25頁 共 33頁(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖6-2 自然制動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：從圖上可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩都是零，但轉(zhuǎn)速的慢慢減小，此時(shí)電機(jī)內(nèi)只有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，沒有電磁運(yùn)行。 6.2 三相異步電機(jī)能耗制動(dòng)仿真在三相異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，切斷定子繞組交流電源，然后外加直流電源，觀察電機(jī)的能耗制

40、動(dòng)過程。能耗制動(dòng)是指當(dāng)三相異步電機(jī)與交流電源斷開后，立即在定子繞組內(nèi)通入直流電源，這時(shí)電機(jī)的磁場是一個(gè)恒定的磁通，不再隨著時(shí)間而變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)子由于慣性因素而繼續(xù)保持原方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割恒定磁通，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢及感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子電流與磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，起到了制動(dòng)作用。首先構(gòu)造制動(dòng)以前穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第26頁 共 33頁圖6-3 能耗制動(dòng)前仿真模型然后構(gòu)造將要制動(dòng)的新模型，就是將三相交流電源去掉，給定子繞組重新加上直流電源，制動(dòng)后仿真模型如圖所示：圖6-3 能耗制動(dòng)后仿真模型制動(dòng)以前： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第27頁 共 33

41、頁(A) 轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖6-4 能耗制動(dòng)前仿真結(jié)果制動(dòng)以后：(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖6-5 能耗制動(dòng)后仿真結(jié)果 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第28頁 共 33頁6.3 三相異步電機(jī)反接制動(dòng)仿真在三相異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，給定子繞組反相序通交流電源，觀察電機(jī)的反接制動(dòng)過程。圖6-6 反接制動(dòng)仿真模型(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖6-7 反接制動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：所謂反接制動(dòng)是指，為了快速停機(jī)，可以將運(yùn)行著的電機(jī)與電源相連 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第29頁 共 33頁的三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，由于電源相

42、序改變，這時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場反向，從而使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向隨之改變。但轉(zhuǎn)子不可能立即改變轉(zhuǎn)向，于是作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢反向，電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩也反向，起到制動(dòng)作用。轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)接近零時(shí)，要及時(shí)斷開電源防止電機(jī)反轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)停車。6.4 三相異步電機(jī)反饋制動(dòng)仿真在三相異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，由于負(fù)載起到拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上作用的外轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的作用與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速升高起到制動(dòng)作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升后，有電能從電機(jī)的定子返回給電源，所以也稱為發(fā)電制動(dòng)。反饋制動(dòng)的電路模型與電機(jī)直接起動(dòng)基本相同。主要區(qū)別在于電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為負(fù)值。如圖所示：圖6-8 反饋制動(dòng)仿真模型 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第30頁 共 33頁(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩圖6-9 反饋制動(dòng)仿真結(jié)果結(jié)論：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。途中可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)矩時(shí)就穩(wěn)定了，不再升高，穩(wěn)定轉(zhuǎn)