三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(異步電機(jī))特性研究報(bào)告(含MATLAB仿真)

1、電氣工程學(xué)院 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)特性 研究報(bào)告 學(xué)號(hào)： 10291150 姓 名： 指導(dǎo)教師： 張威 研究時(shí)間： 2012.12.82012.12.18 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。全文

2、分為五個(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，第二章對(duì)MATLAB仿真軟件做了一定的介紹，從第三章到第四章則是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的工作特性、機(jī)械特性、調(diào)速進(jìn)行理論分析和仿真模擬以及仿真結(jié)果的分析。第五部分利用Visual Basic6.0軟件設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算實(shí)用異步電機(jī)參數(shù)小程序。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。 關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 數(shù)學(xué)模型 MATLAB仿真 VB設(shè)計(jì)AbstractAsynchronous motor with its simple structure, reliable operation, high

3、efficiency, low cost, 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

4、software, available 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, usi

5、ng the actual motor parameters, and MALAB given motor model were compared with simulation.The whole thesis is divided into five parts, the first chapter of the asynchronous motor application development of the corresponding description, the second chapter of the MATLAB simulation software to be intr

6、oduced, from the third chapter to the fourth chapter is on the mechanical characteristics of asynchronous motors, speed control by theory analysis and simulation and the simulation results analysis of. The fifth part of a utility use of the Visual Basic6.0 software design asynchronous motor paramete

7、rs calculated appletAfter analysis, show that the model built is reasonable. Therefore, the design will be based on the characteristics of MATLAB, the three-phase asynchronous motor modeling and simulation, the model is validated.Key words: asynchronous motor. mathematical model. simulation of MATLA

8、BVB design目錄第一章 異步電動(dòng)機(jī)的概述41.1 異步電動(dòng)機(jī)的用途及分類1.2異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1.3異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理1.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性第二章 軟件介紹及模型實(shí)現(xiàn)72.1 MATLAB簡介2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用2.3 模型實(shí)現(xiàn)第三章 三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真10 3.1機(jī)械特性的表達(dá)式3.2 固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性3.3 基于MATLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真第四章 異步電機(jī)調(diào)速特性仿真16 4.1 變頻調(diào)速4.1.1變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性 4.1.2 基頻以下變頻調(diào)速 4.1.3基頻以上變頻調(diào)速 4.2 調(diào)壓調(diào)速第五

9、章 基于VB的計(jì)算特性參數(shù)小程序24結(jié)論25第一章 異步電動(dòng)機(jī)的概述1.1異步電動(dòng)機(jī)的用途及分類根據(jù)電機(jī)的可逆原理，異步電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)，也可以用作發(fā)電機(jī)。但其作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)性能較差，故很少采用。而用作電動(dòng)機(jī)時(shí)具有較好的工作特性，故其主要用作電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，堅(jiān)固耐用，易于控制，因而是電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的最為廣泛的一種。異步電動(dòng)機(jī)是一種交流電機(jī)，主要用作電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國防、文教、醫(yī)療和日常生活中。異步電動(dòng)機(jī)具有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。異步電動(dòng)機(jī)還便于

10、派生成各種防護(hù)形式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需求。隨著電力電子器件以及交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(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)性以可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且維護(hù)簡便，因而應(yīng)用愈來愈廣泛。由于異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中必須從電網(wǎng)中吸收感性無功功率，因此其功率因素較差，總是小于1，此外，異步電動(dòng)機(jī)空載電流大，啟動(dòng)和調(diào)速性能都不夠理想，是異步電機(jī)的主要缺點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，從不同的角度考慮，有不同的分類方法按照相數(shù)來分，有單相異步電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)。大功率機(jī)械拖動(dòng)時(shí)，一般都用三相異步電動(dòng)機(jī)，日常生活中和工業(yè)控制裝置則多用單相異步電動(dòng)機(jī)。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

11、和繞線式異步電動(dòng)機(jī)，其中，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)又包括單鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和深槽式異步電動(dòng)機(jī)。按機(jī)殼的保護(hù)方式分，有防護(hù)式異步電動(dòng)機(jī)、封閉式異步電動(dòng)機(jī)，以及防爆式異步電動(dòng)機(jī)。1.2異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有：效率：電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。功率因數(shù)：電動(dòng)機(jī)輸入有效功率與實(shí)際功率之比。啟動(dòng)電流：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)從供電回路輸入的最大穩(wěn)態(tài)方均根電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的最小測(cè)得值。最小轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下，在零轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速之間所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩的

12、最小值。最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下所能產(chǎn)生的最大穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩。噪聲：電動(dòng)機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)的噪聲功率級(jí)，以及在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)超過空載運(yùn)行的噪聲功率級(jí)增量。振動(dòng)：電動(dòng)機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速率有效值。1.3 異步動(dòng)電機(jī)的基本工作原理電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。如下圖是三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原理圖（圖中只示出兩根導(dǎo)線），當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來確定。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，假如磁極不動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來。在電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合

13、的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)相互作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來。異步電機(jī)的工作原理用箭頭簡單的表示如下：定子繞組通入三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。1.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動(dòng)機(jī)的主要物理量轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)矩電流，效率，功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系曲線。轉(zhuǎn)差率特性通常把同步轉(zhuǎn)速ns和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n二者之差與同步轉(zhuǎn)速ns的比值叫做轉(zhuǎn)差率，用s表示。關(guān)于轉(zhuǎn)差率的定義如下：當(dāng)電機(jī)的定子

14、繞組接電源時(shí)，站在定子邊看，如果氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一致，則轉(zhuǎn)差率s為：s=ns-nns；如果兩者轉(zhuǎn)向相反，則：s=ns+nns。式中的n1、n都理解為轉(zhuǎn)速的絕對(duì)值，s是一個(gè)沒有單位的數(shù)，它的大小能反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。隨著負(fù)載功率的增加，轉(zhuǎn)子電流增大，故轉(zhuǎn)差率隨輸出功率增大而增大。轉(zhuǎn)矩特性異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉(zhuǎn)速略有下降，轉(zhuǎn)矩曲線為一個(gè)上翹的曲線。電流特性空載時(shí)電流很小，隨著負(fù)載電流增大，電機(jī)的輸入電流增大。效率特性其中銅耗隨著負(fù)載的變化而變化；鐵耗和機(jī)械損耗金絲不變；效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗，點(diǎn)擊達(dá)到最大效率。異步電動(dòng)機(jī)額定效率在7

15、4-94%之間；最大效率發(fā)生在（0.7-1.0）倍額定效率處。功率因數(shù)特性空載時(shí)，定子電流基本上用來產(chǎn)生主磁通，有功功率很小，功率因數(shù)也很低；隨著負(fù)載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數(shù)逐漸升高；在額定功率附近，功率因數(shù)達(dá)到最大值。如果負(fù)載繼續(xù)增大，則導(dǎo)致轉(zhuǎn)子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數(shù)下降。第二章 軟件介紹及模型實(shí)現(xiàn)2.1 MATLAB簡介八十年代以來，計(jì)算機(jī)仿真成為交流電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)分析，研究和設(shè)計(jì)的有利工具。應(yīng)用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，我們可以用軟件建立起電機(jī)及其傳動(dòng)、控制的仿真模型，再以這個(gè)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)人為模擬的環(huán)境或條件下的運(yùn)行研究， 替代真實(shí)電機(jī)在實(shí)際場(chǎng)

16、合下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時(shí)間及費(fèi)用。MATLAB是美國Mathworks公司自1984年推出的一種使用簡便的工程計(jì)算語言，它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中，在這里可以實(shí)現(xiàn)工程 計(jì)算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設(shè)定）等等功能，而且，MATLAB 提供的工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富而實(shí)用的資源。MATLAB 語言具有以下特點(diǎn)： 功能強(qiáng)大 MATLAB不但在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面具有強(qiáng)大的功能，而且在計(jì)算結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面也有著其他類似軟件難以匹敵的優(yōu)勢(shì)。 此外，

17、 MATLAB的Notebook為用戶提供了把數(shù)學(xué)和文字進(jìn)行統(tǒng)一處理的功能， MATLAB的SIMULINK功能則將而其應(yīng)用擴(kuò)展到各行各業(yè)的仿真領(lǐng)域。不僅如此，公司更推出了針對(duì)各專業(yè)應(yīng)用的MATLAB工具箱。界面友好、編程效率高 MATLAB是一種以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)語一言，其指令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)教 科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常接近 。用戶不需要有較高的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，只要按照計(jì)算要求輸入表達(dá)式，MATLAB將為用戶計(jì)算出結(jié)果。此外，使用語言設(shè)計(jì)的程序，其編譯和執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的C語言設(shè)計(jì)的程序，可以說，MATLAB在工程計(jì)算方面的編譯效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它編程語言。 擴(kuò)展性強(qiáng)MATLAB的重要特

18、點(diǎn)之一就是其可擴(kuò)展性，這個(gè)特點(diǎn)使得用戶能夠自由地開發(fā)自己的應(yīng)用程序，這些年來，許多使用MATLAB的數(shù)學(xué)家、工程師和科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)多的不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序。MATLAB的這些特點(diǎn)使它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科，特別是對(duì)邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的極強(qiáng)的適應(yīng)能力，并很快成為應(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)等不可缺少的基礎(chǔ)軟件。MATLAB提供的SIMULINK是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的，它具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。SIMULINK 的出現(xiàn)使得仿真工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進(jìn)行。它提供

19、各種功能模塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)(Continues)、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線性系統(tǒng)(Nonlinear)幾類基本系統(tǒng)構(gòu)成模塊，還包括連接、運(yùn)算類模塊:函數(shù)與表(Functions&Tables)、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊(Math)、信號(hào)與系統(tǒng)(Signals&System)。而輸入源模塊(sources)和接收模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號(hào)源和結(jié)果輸出設(shè)備。 便于用戶對(duì)模型進(jìn)行仿真和分析。用戶只要從模塊庫中拖放合適的模塊組合在一起（也可以是自己的系統(tǒng)） ，就可以直接對(duì)它進(jìn)行仿真?？梢赃x擇合適的輸入源模塊作信號(hào)輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K觀察系統(tǒng)響應(yīng)、分析系統(tǒng)特性。各種數(shù)值算法，仿真步長等重

20、要參數(shù)可通過方便易用的對(duì)話框確定，十分簡捷，同時(shí)可以借助模擬示波器將仿真動(dòng)態(tài)結(jié) 果加以顯示，省去了以往仿真研究中的大量手工編程過程，避免了編程錯(cuò)誤造成的數(shù)值 不穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤等不該發(fā)生的意外事件出現(xiàn)，大大提高了算法研究與實(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性。2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用 啟動(dòng)SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，此時(shí)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

21、)、連接與接口模塊庫(Connections)和擴(kuò)展模塊庫(Extrax)。 建立一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,則應(yīng)選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項(xiàng)，這樣SIMULINK就會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)空白的模塊編輯窗口，允許用戶輸人自己的模塊框圖。只要從各 模塊庫中取出模塊，定義好模塊參數(shù)。將各模塊連接起來，然后設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)， 如仿真時(shí)間、仿真步長和計(jì)算方法等。模塊的取出可以采用在模塊庫中選中模塊后拖動(dòng) 到編輯窗口的復(fù)制方法。連接兩個(gè)模塊是相當(dāng)容易，簡單地用鼠標(biāo)左鍵先點(diǎn)一下起點(diǎn)模塊的輸出端（三角符號(hào)），然后拖動(dòng)鼠標(biāo)器。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一條帶箭頭的直線，將它的 箭頭拉到終點(diǎn)模塊的輸入端再釋放鼠標(biāo)左鍵，則SI

22、MULNIK會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一條帶箭頭的 連線，將兩個(gè)模塊連接起來。如果連線出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以使用鼠標(biāo)左鍵選中該線，然后再 使用Edit中cut命令將該線刪除掉。 定義模塊參數(shù)采取用鼠標(biāo)左鍵雙擊模塊圖標(biāo)的辦法，即可得到模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。 選擇Start命令可以啟動(dòng)仿真程序，在仿真結(jié)束時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)用聲音給予提示，可以通過虛擬示波器Scope觀察系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出。把Scope連接到任何你想觀測(cè)的點(diǎn)，調(diào)整好Scope的掃描量程與顯示幅值量程，同時(shí)調(diào)整 Scope的窗口大小及位置，觀察系統(tǒng)的仿真過程。眾所周知，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的交流異步電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。這里從靜止兩相坐標(biāo)系

23、下的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)模型出發(fā)，推導(dǎo)出基于定子磁鏈磁場(chǎng)定向的電動(dòng)機(jī)模型，并采用MATLAB/ SIMULNIK實(shí)現(xiàn)之。2.3模型實(shí)現(xiàn)模型建立以后，所要做的就是從Simulink豐富的模型庫中調(diào)用合適的模塊來表示該模型。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜性的增加，模型也在不斷增大，這就使得模型窗中由于過多的模塊而凌亂不堪。為了避免這種情況，采用自上而下或自下而上的分級(jí)方法建立模型，即把功能相同或者相近的模塊分組封裝成子系統(tǒng)Subsystem，建立遞階結(jié)構(gòu)框圖。第三章 三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真3.1機(jī)械特性的表達(dá)式3.1.1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M=CMIa有相似

24、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：M=CMJmI2cos2 （3-1）式中CMJ=pm1W1k12轉(zhuǎn)矩常數(shù)m每級(jí)下磁通cos2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)式(3-1)表明，轉(zhuǎn)子通入電流后，與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，因此，反映了電機(jī)中電流、磁場(chǎng)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，I2=sE2r22+sx22 （3-2）cos2=r2r22+sx22 （3-

25、3）將式(3-2)、(3-3)代入(3-1)得：M=CTJmsr2E2r22+sx22 （3-4）對(duì)于(3-4)，我們做如下分析：當(dāng)s=0時(shí)， n=n1，M=0，說明電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1。當(dāng)s很小時(shí)，有r2sx2，MCMJE2r2s，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=n11-s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。M0n1n三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性當(dāng)s很大時(shí)，有r2sx2，M=CMJmE2r2x221s，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。當(dāng)s=1時(shí)，n=0，M=CMJmE2r2r22+x22=常數(shù)，此即三相異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)

26、矩。從上述可見，三相異步電動(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，如圖所示。3.1.2 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Pm=m1I22r2s （3-5）所以，電磁轉(zhuǎn)矩為M=Pm1=1m1I22r2s （3-6）由三相異步電動(dòng)機(jī)近似等值電路知I2=U1r1+r2s2+x1+x22 （3-7）而1=p=2f1p （3-8）將式(3-7)、(3-8)代入式(3-6)得M=m1p2f1U12r2sr1+r2s2+x1+x22 （3-9）式(3-9)即為三相異步電

27、動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。3.2固有機(jī)械特性與人為機(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。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3-9可見，可供改變的量有：電源電壓U1、電源頻率f1、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。（1）降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性當(dāng)電源電壓U1降低時(shí)，由于n1=60f1p，與電壓無關(guān)，n1

28、不變。得，Mm與U12成正比例，當(dāng)U1下降時(shí)，Mm與U12成正比例降低，而sm與U1無關(guān)，sm不變。同理，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mst亦與U12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n1、臨界轉(zhuǎn)差率sm不變、最大轉(zhuǎn)矩Mm和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mst均與U12成比例下降的曲線簇。U1=UN、0.8UN、0.5UN時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖所示：降壓時(shí)的異步電機(jī)人為特性（2）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n1=60f1p ，與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)n1不變。則最大轉(zhuǎn)矩Mm亦不變；而臨界轉(zhuǎn)差率sm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

29、過同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩Mm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：轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻時(shí)的人為特性從圖所示曲線可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻剛開始增加時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mst隨轉(zhuǎn)子電阻增加而增加；當(dāng)s=sm=1時(shí)，Mst=Mm，即有最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這是令sm=1計(jì)算，得：sm=r2+Rcr12+x1+x22=1Rc=r12+x1+x22-r2當(dāng)轉(zhuǎn)子電路所串電阻大于（r12+x1+x22-r2）時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mst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。3.3基于MATLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真3.3.1模型設(shè)計(jì)本仿真采用仿真模型如下題

30、目所示：3.3.2 參數(shù)和程序電壓分別為0.5UN、0.6UN、0.7UN、0.8UN、0.9UN、UN時(shí)機(jī)械特性對(duì)比。源程序如下：clcclearsyms U1 POLES FN R1 R21 X1 X21 RM XM NS S. TE N2 ; FN=50;R1=0.715;R21=0.416;X1=1.74; X21=3.03;RM=6.2;XM=75;POLES=2; ZM=RM+j*XM;Z1=R1+j*X1; NS=60*FN/POLES; for m=1:6 if m=1 U1=380; elseif m=2 U1=300; elseif m=3 U1=250; elseif m

31、=4 U1=180; elseif m=5 U1=140; elseif m=6 U1=100; end for i=1:2000; S=i/2000; N2=NS*(1-S); TE=3*POLES/(2*pi*FN)*(U12*R21/S)/(R1+R21/S)2+(X1+X21)2); plot(TE,N2); hold on;endend3.3.3仿真結(jié)果電壓分別為0.5UN、0.6UN、0.7UN、0.8UN、0.9UN、UN時(shí)機(jī)械特性對(duì)比第四章 異步電機(jī)調(diào)速特性仿真長期以來，一直認(rèn)為三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速比較困難，常作為它點(diǎn)的一個(gè)缺點(diǎn)提出。然而，由于近些年電力電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

32、，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速已取得很大進(jìn)展。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速不再成為難題，有的方法已取得令人滿意的成果。由異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式n=n11-s=60f1p1-s可以看出，有三種方法可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。（1）改變定子極對(duì)數(shù)變極調(diào)速；（2）改變定子電源頻率變頻調(diào)速；（3）改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率改變定子電壓頻率、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、電磁離合器調(diào)速和串極調(diào)速等。4.1 變頻調(diào)速4.1.1變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電電源的頻率f1，可以改變同步轉(zhuǎn)速n，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率f1連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為U1E1=4.44f

33、1N1kmm式中E1為氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；f1為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；km為基波繞組系數(shù)，m為每極氣隙磁通量。如果改變頻率f1，且保持定子電源電壓U1不變，則氣隙每極磁通m將增大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率f1時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓，已達(dá)到控制磁通的目的。4.1.2.基頻以下變頻調(diào)速為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率f1時(shí)，保持U1f1為常數(shù)，使氣每極磁通m為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:T=m1pU1r2s2f1r1+r2s2+x1+x22上

34、式對(duì)s求導(dǎo)，即dTds=0，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為:Tm=12m1pU122f1r1+r12+x1+x22由上式可知：當(dāng)U1f1=常數(shù)時(shí)，在f1較高時(shí)，即接近額定頻率時(shí)，隨著f1的降低，Tm減少的不多；當(dāng)f1較低時(shí)，x1+x22較?。籸1相對(duì)變大，則隨著f1的降低，Tm就減小了。顯然，當(dāng)f1降低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Tm不等于常數(shù)。保持U1f1=常數(shù)，降低頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特征如圖所示。這相當(dāng)于他勵(lì)直流電機(jī)的降壓調(diào)速。變頻調(diào)速的機(jī)械特性基頻以下調(diào)速（U1f1=常數(shù)）（b）基頻以上調(diào)速（U1=常數(shù)）仿真參數(shù)要求和程序（1）改變電源頻率，將其變?yōu)?0Hz，由于這是基頻以下調(diào)速，所以為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低

35、定子電源頻率f1時(shí)，保持U1f1=常數(shù)，重新運(yùn)行仿真模型，得到仿真結(jié)果如圖所示?；l以下調(diào)速仿真結(jié)果源程序如下：syms U1n Nph Poles Fe0 Fe1 Fe2 Fe3 Fe4 Nn R1 R2p X10 X20p Rm Xm0 X1 X2p. Ns0 Xm Zeq1 Z1 E1n Sn E1 Ns m S Nr1 Tem1 i F1;U1n=380;Nph=3;Poles=2;Fe0=50;Nn=1480;R1=0.715;R2p=0.416;X10=1.74;X20p=4.4;Rm=6.2;Xm0=75;Ns0=60*Fe0/Poles;Sn=(Ns0-Nn)/Ns0;Z1=R

36、1+X10;Zeq1=(Rm+j*Xm0)*(R2p/Sn+X20p)/(Rm+j*Xm0)+(R2p/Sn+j*X20p);E1n=abs(Zeq1/(Zeq1+Z1)*U1n);Fe1=50;Fe2=35;Fe3=25;Fe4=10;for m=1:4 if m=1 F1=Fe1; elseif m=2 F1=Fe2; elseif m=3 F1=Fe3; elseif m=4 F1=Fe4; endNs=60*F1/Poles;X1=X10*(F1/Fe0);X2p=X20p*(F1/Fe0);Xm=Xm0*(F1/Fe0);U1=U1n/50*F1;for i=1:2000 S=i/2

37、000; Nr1=Ns*(1-S); Tem1=Nph*Poles/(2*pi)*(U1/F1)2*(F1*R2p/S/(R2p/S)2+(X1+X2p)2); plot(Tem1,Nr1); hold on;endend（2）保持E1f1=常數(shù)，采用恒E1/f1控制，f1=（50,35,25,10Hz）,重新運(yùn)行仿真模型，得到仿真結(jié)果如圖所示?；l以下調(diào)速仿真結(jié)果由圖可知，當(dāng)頻率變?yōu)?0Hz后，根據(jù)公式n1=60f1p可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1500r/min，同時(shí)由圖可知頻率改變后，相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間也變短了，也就是說反應(yīng)更快了。源程序如下：U1n=380;Nph=3;poles=2;fe0=50

38、;nn=1480;r1=0.715;r2p=0.416;X10=1.74;X20p=4.4;rm=6.2;Xm0=75;ns0=60*fe0/poles;sn=(ns0-nn)/ns0;Zeq1=(rm+1i*Xm0)*(r2p/sn+1i*X20p)/(rm+1i+Xm0)+(r2p/sn+1i*X20p);E1n=abs(U1n*Zeq1/(r1+1i*X10+Zeq1);fe1=50;fe2=35;fe3=25;fe4=10;for m=1:1:4 if m=1 f1=fe1; elseif m=2 f1=fe2; elseif m=3 f1=fe3; else f1=fe4; endn

39、s=60*f1/poles;x1=X10*(f1/fe0);x2p=X20p*(f1/fe0);xm=Xm0*(f1/fe0);E1=E1n*(f1/fe0);for i=1:1:2000 s=i/2000;nr1=ns*(1-s);Tem1=Nph*poles/(2*pi)*(E1/f1)2*(f1*r2p/s/(r2p/s)2+x2p2);nr(i)=nr1;Tem(i)=Tem1;endplot(Tem,nr);hold on;endxlabel(TorqueN*m);ylabel(Speedrpm);disp(End);4.1.3.基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例身高電源

40、電壓時(shí)不允許的，只能保持電壓為Un不變，頻率f1越高，磁通m越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當(dāng)于它勵(lì)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速。保持Un=常數(shù),升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：T=m1pU1r2s2f1r1+r2s2+x1+x22 上式求dTds=0，得最大轉(zhuǎn)矩為： Tm=12m1pU122f1r1+r12+x1+x22由于f1較高，x1、x2和比r1大的多，則上式變?yōu)門m12m1pU122f1x1+x21f1因此，頻率越高時(shí)，Tm越小。保持 為常數(shù)，升高頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖所示。仿真參數(shù)要求和程序：采用恒 控制，通過MATLAB編程，繪出下列不同供電頻率(=50,60,70,80,100Hz）下

41、三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。由前面的理論知識(shí)可知，基頻以上調(diào)速時(shí)電源電壓Un是不變的，重新運(yùn)行仿真模型，得到仿真圖形如圖所示?；l以上調(diào)速仿真結(jié)果源程序如下：clcclearsyms U1n Nph Poles Fe0 Fe1 Fe2 Fe3 Fe4 Fe5 Nn R1 R2p X10 X20p Rm Xm0 X1 X2p. Ns0 Xm Zeq1 Z1 E1n Sn E1 Ns m S Nr1 Tem1 i F1;U1n=380;Nph=3;Poles=2;Fe0=50;Nn=1480;R1=0.715;R2p=0.416;X10=1.74;X20p=3.03;Rm=6.2;Xm0=75;Ns

42、0=60*Fe0/Poles;Sn=(Ns0-Nn)/Ns0;Z1=R1+X10;Zeq1=(Rm+j*Xm0)*(R2p/Sn+X20p)/(Rm+j*Xm0)+(R2p/Sn+j*X20p);E1n=abs(Zeq1/(Zeq1+Z1)*U1n);Fe1=50;Fe2=60;Fe3=70;Fe4=80; Fe5=100for m=1:5 if m=1 F1=Fe1; elseif m=2 F1=Fe2; elseif m=3 F1=Fe3; elseif m=4 F1=Fe4;elseif m=5 F1=Fe5; endNs=60*F1/Poles;X1=X10*(F1/Fe0);X2p=

43、X20p*(F1/Fe0);Xm=Xm0*(F1/Fe0);U1=U1n;for i=1:2000 S=i/2000; Nr1=Ns*(1-S); Tem1=Nph*Poles/(2*pi)*(U1/F1)2*(F1*R2p/S/(R2p/S)2+(X1+X2p)2); plot(Tem1,Nr1); hold on;endend4.3調(diào)壓調(diào)速仿真參數(shù)要求和程序:當(dāng)外施電源電壓改變時(shí),最大轉(zhuǎn)矩將隨U1的平方而變化,但最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差率sm保持不變.改變電源電壓的有效值,將其設(shè)置成數(shù)據(jù)U1=（380,300,190,150V）,而其他的參數(shù)不變,重新運(yùn)行仿真模型,得到仿真如圖所示.調(diào)壓調(diào)速仿真

44、結(jié)果源程序如下：U1n=380;Nph=3;poles=4;fe0=50;nn=1480;r1=0.715;r2p=0.416;X10=1.74;X20p=4.4;rm=6.2;Xm0=75;ns0=60*fe0/poles;sn=(ns0-nn)/ns0;Zeq1=(rm+1i*Xm0)*(r2p/sn+1i*X20p)/(rm+1i+Xm0)+(r2p/sn+1i*X20p);E1n=abs(U1n*Zeq1/(r1+1i*X10+Zeq1);U1=380;U2=300;U3=190;U4=150;for m=1:1:4 if m=1 E1=U1; elseif m=2 E1=U2; el

45、seif m=3 E1=U3; else E1=U4; endfor i=1:1:2000 s=i/2000;nr1=ns0*(1-s);Tem1=Nph*poles/(4*pi)*(E1/fe0)2*(fe0*r2p/s/(r2p/s)2+x2p2);nr(i)=nr1;Tem(i)=Tem1;endplot(Tem,nr);hold on;endxlabel(TorqueN*m);ylabel(Speedrpm);disp(End);由圖可知,調(diào)壓調(diào)速是改變機(jī)械特性,而當(dāng)電機(jī)空載或者輕載時(shí),轉(zhuǎn)速基本不變。調(diào)壓調(diào)速目前廣泛采用交流調(diào)壓器,由晶閘管等器件組成,通過調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角大小來調(diào)節(jié)加

46、到定子繞組上的端電壓。結(jié)構(gòu)比較簡便,控制電路價(jià)格較低。但是低速時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗較大,效率較低.對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載,負(fù)載功率近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,雖然轉(zhuǎn)速下降不多,但是輸入功率下降的較多,節(jié)能效果明顯,所以比較適合風(fēng)機(jī)類負(fù)載的調(diào)速。第五章 基于VB的計(jì)算特性參數(shù)小程序Visual Basic是一種由 HYPERLINK /view/2353.htm t _blank 微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助 HYPERLINK /view/4831305.htm t _blank 開發(fā)環(huán)境的 HYPERLINK /view/536048.htm t _blank 事件驅(qū)動(dòng) HYPERLINK /view/552871.

47、htm t _blank 編程語言。從任何標(biāo)準(zhǔn)來說，VB都是世界上使用人數(shù)最多的語言不僅是盛贊VB的開發(fā)者還是抱怨VB的開發(fā)者的數(shù)量。它源自于BASIC HYPERLINK /view/552871.htm t _blank 編程語言。VB擁有 HYPERLINK /view/185360.htm t _blank 圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接 HYPERLINK /view/1088.htm t _blank 數(shù)據(jù)庫，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX HYPERLINK /view/185331.htm t _blank 控件。 HYPERLINK /view/39175.htm t _blank 程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個(gè)應(yīng)用程序。1991年， HYPERLINK /view/2353.htm t _blank 微軟公司推出了 Visual Basic 1.0。當(dāng)時(shí)引起了很大的轟動(dòng)。這個(gè)連接 HYPERLINK /view/552871.htm t _blank 編程語言和用戶界面的進(jìn)步被稱為Tripod（有些時(shí)候叫做 HYPER