异步电动机的制动 2DOC.docx
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异步电动机的制动2DOC
扬州大学
专业软件应用综合设计报告
学院级专业
题目异步电动机综合仿真设计四
学生学号
指导教师
年月日
异步电机综合仿真设计四
摘要：
异步电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低等特点，在日常生活中得到广泛的使用。
目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。
MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，可用动作系统的建模和仿真。
在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。
本次课程设计对异步电动机的四种制动方式进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。
经分析后，表明模型的搭建是合理的。
因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。
关键字：
SIMULINK，异步电机，制动参数，MATLAB
1引言
由于生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能也提出了越来越高的要求。
电动机作为重要的动力装置,已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。
直流电动机其调速在过去一直占统治地位,但由于本身结构原因,例如换向器的机械强度不高,电刷易于磨损等,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。
相比之下，三相异步交流电动机拥有延长设备的使用寿命，有强大的降噪能力，操作智能化，维护简便、通用性强等众多特性,特别是三相鼠笼式异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉,而且坚固耐用,惯量小,运行可靠等优势,在工业生产中得到了极广泛的应用,也正在发挥着越来越重要的作用。
1985年，由Depenbrock教授提出的直接转距控制理论将运动控制的发展向前推进了一大步。
接着1987年把它又推广到弱磁调速范围。
不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转距进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。
直接转距控制从一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注。
系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。
建模可以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。
长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编制成计算机程序，并在计算机上运行。
显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。
近年来逐渐被大家认识的Matlab语言则很好的解决了这个问题。
本实验的目的是通过MATLAB的仿真实验，了解异步电机的运行情况。
1.掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库；
2.对鼠笼式异步电动机自然制动进行仿真设计；
3.对鼠笼式异步电动机能耗制动进行仿真设计；
4.对鼠笼式异步电动机反接制动进行仿真设计；
5.对鼠笼式异步电动机回馈制动进行仿真设计；
2设计依据及框图
2.1设计平台
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
本次实验主要使用MATLAB7.0版本。
利用Simulink仿真模块进行异步电机的制动仿真实验。
MATLAB系统可分为五个部分:
MATLAB语言:
这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。
它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。
MATLAB的工作环境：
这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。
它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。
同时也有开发，管理，调试，（profilingM-files，MATLAB’sapplications。
）的系列工具。
图形操作：
这是MATLAB的图形系统。
它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。
同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。
MATLAB数据功能库：
它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Bessel功能和快速傅立叶变换。
MATLAB应用程序编程界面：
这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。
它方便从MATLAB中调用例程（即动态链接），使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。
Simulink概述：
Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。
系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。
Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。
在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。
相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。
Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。
同时也能自己定义和建立自己的块。
模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。
可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。
这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。
在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。
菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。
使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。
进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。
模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。
因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。
2.2设计思想
2.2.1自然制动
自然制动是指在电机运行过程中，切断电源，不加其他任何控制，电机转速逐渐降低，直至停车的全过程。
其耗时长，转速下降慢。
2.2.2能耗制动
能耗制动是指在电机运行过程中，切断定子交流电源，然后外加直流电源。
能耗制动机械特性方程式为
（6-1）
式中，m1——转子相数；xu——励磁阻抗；r2’——电阻；v——相对转速；Ω0——转子同步机械角速度；x2’——转子漏抗。
由式子可知，异步电动机能耗制动时的转矩M决定于等效电流，并且是转子相对转速v与转子电路电阻的函数。
令dm/dv=0，即可求得能耗制动时的最大转矩与产生时的相对转速（或称为临界相对转速），即
（6-2）
可得能耗制动机械特性的实用表达公式：
（6-3）
根据式（6-3）绘出图6-1所示的能耗制动机械特性曲线。
当转子内电阻增加而直流励磁电流不变时，产生最大转矩的转速也增加，但最大转矩保持不变，如图6-1中的曲线1与曲线3所示，曲线3对应于串接电阻较大时的特性。
当转子电路的串接电阻不变而直流励磁电流增加时，产生最大转矩的转速不变，但最大转矩增大，如图6-1中的曲线1与曲线2所示，曲线2对应于直流励磁电流较大时的特性。
在能耗制动时，改变转子串接电阻或定子直流励磁电流的大小，均可调节制动转矩的数值。
通过能耗制动仿真平台可以清楚地看到这个过程。
图6-1能耗制动机械特性曲线
由机械特性曲线的形状可见，当电动机转速下降为零时，其制动转矩亦降为零，所以应用能耗制动能使生产机械准确停车。
它广泛应用于矿井提升及起重运输等机械设备上。
所谓能耗制动（动力制动）是指，当三相异步电动机与交流电源断开后，立即在定子绕组内通入直流电流，这时电动机的磁场不再随时间变化，是一个恒定的磁通，电动机的转子由于惯性而在原方向上继续转动，转子绕组切割恒定磁通后，产生感应电动势及电流，转子电流与磁通相互作用产生电磁转矩，这个转矩阻止转子转动，起到了制动作用。
由于能耗制动过程涉及模型结构的变化，因此整个仿真过程应该分成两个阶段进行。
首先构造制动以前稳态运行模型，Simulink仿真模型如图6-2所示。
图6-2三相异步电动机能耗制动前仿真模型
然后，构造将要制动的新模型，如图6-3所示。
该模型就是将三相交流电源去掉，给定子绕组重新加上直流电源。
图6-3三相异步电动机能耗制动后仿真模型
2.2.3反接制动
反接制动是指在电机运行过程中，改变定子交流电源的相序
（1）反接制动原理
三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图6-5（a）电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。
由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速n=0，电机将停转，从而实现了快速制动停车。
（2）机械特性
电动机的固有特性如图6-5（b）所示的曲线1。
当定子两相反接时，旋转磁场改变方向，则同步转速为-n1，转差率s=（-n1-n）/-n1=（n1+n）/n1>1，反接制动机械特性变为曲线2。
根据异步电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻，（1-s）r2’/s<0则机械功率为
即负载向电动机内输入机械功率。
而定子传递到转子的电磁功率为
表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。
由于
表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。
若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。
（3）制动过程分析
三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K闭合2K断开。
当电机定子电源反接时，开关1K断开2K闭合，同时转子回路串入大电阻，即3K断开，电动机的运行点以A’->B’->C’，使得电动机快速停车。
如果电动机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速n=0时切断电源并停车，否则电动机将反向起动到D’点。
反接制动原理和机械特性如下图：
图6-5异步电机反接制动
2.2.4回馈制动
回馈制动是指在电机运行过程中，负载转矩为负值。
当三相异步电机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负相序（W,V,U）时，电动机运行于第Ⅳ象限的E点（称为回馈制动运行点），对应的电磁转矩T＞0，转速n＜0，且,则称为反向回馈制动运行。
例如，起重机下放重物（如图6-6所示），电机利用回馈制动下放重物时，定子两相反接，这时同步转速由起动转矩为（图6-6的C点）。
由于转矩,则,电机将反向加速运行到E点。
以的转速使重物匀速下放。
下放过程中，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能“回馈”到电网中。
为防止下降转速过快，转子串电阻R值不宜太大。
图6-6起重机下放重物的回馈制动
同理，正向回馈制动运行是指电动机工作于第Ⅱ象限，且电机转速n>n1,转差率s=（n1-n）/n1<0。
电动机输入的机械功率PΩ<0，电磁功率Pm<0，电动机的输入功率Pl<0。
即正向回馈制动过程中，转子送出的电磁功率Pm,除了定子绕组上的铜损耗外，其余的回馈给定子电源了。
2.3设计结构框图或流程图
自然制动和回馈制动流程图（左图）
能耗制动和反接制动流程图（右图）
2.4各模块功能简介
Simulink内置模型库包含公共模型库和专业模型库。
1.Simulink的公共模型库
Simulink的公共模型库是Simulink中最通用的模型库，它可以应用到不同专业，包括16
个子模块库，例如
（1）CommonlyUsedBlocks（常用模型库）
新版本的Simulink中，为了方便用户使用，专门将常用的22种模块放在了常用模型库中。
这些常用的模型包括输入模块、输出显示模块、连续（离散）系统积分模块、数学运算模块及信号路由模块等；
（2）Continuous（连续系统模型库）
（3）Discontinuity（不连续环节）等等
2.Simulink的专业模型库
例如
（1）航空航天模型库（AerospaceBlockset）
（2）控制系统模型库（ControlSystemToolbox）
面向控制系统的设计和分析，主要提供线性时不变系统的模块。
（3）数字信号处理模型库（DSPBlockset）
模块、DSP数学函数库、量化器模块、信号管理模块、信号操作模块、统计模块和信号变换模块等。
（4）Simulink附加模型库（SimulinkExtras）
（5）函数示例模型库（S-functiondemos）等等
本次实验用到以下模块
模块图
VoltageMeasurement用于检测电压，使用时并联在被测电路中
ACVoltageSource 提供一个正弦交流电压源
DCVoltageSource提供一个直流电压源
SeriesRLCBranch 串联RLC支路
3-PhaseBreaker三相断路器
AsynchronousMachineSIUnits异步电机（国际单位）模块
MachinesMeasurementDemux电机测量单元，将各种电机模型输出的测量信号集分离为单个信号输出
VoltageMeasurement用于检测电压，使用时并联在被测电路中
Constant常量模块
Out提供一个输出
Scope示波器
3软件调试分析
3.1自然制动
自然制动是指在电机运行过程中，切断电源，不加其他任何控制，电机转速逐渐降低，直至停车的全过程。
其耗时长，转速下降慢。
1）仿真模型
2）参数设置
ACVoltageSource:
电压为220V，频率为50赫兹，相位依次为0度，240度，120度；
Constant:
设置其值为5；
AsynchronousMachineSIUnits:
RotorType为Squirrel-cage，Referenceframe为Stationary，Vn（Vrms）为380，fn（Hz）为50；
MachinesMeasurementDemux:
Machinetye选择Asynchronous，依次勾选Rotorcurrents，Statorcurrents，Rotorspeed，Electronmagntictorque
Gain：
设置为30/pi;
3-phaseBreaker:
Transitiontimes（s）依仿真情况进行合理设置。
3）实验步骤
1.连接好仿真模型并设置好各模块的参数，以及仿真时间；
2.点击仿真开始按钮，观察仿真波形，调节时间获取最好的波形；
3.使用out模块，并在command命令窗口使用编程绘图制作输出波形。
4）仿真波形
（1）总图
（2）转子电流
（3）定子电流
（4）电机转速
（5）电机转矩
3.2能耗制动
能耗制动是指在电机运行过程中，切断定子交流电源，然后外加直流电源。
（1）仿真模型
（a）
（b）
（2）参数设置
SeriesRLCBranch:
Inductance设置为0，Capacitance设置为inf；
DCVoltageSource：
Amplitude设置为50；
ACVoltageSource，Constant，AsynchronousMachineSIUnits，MachinesMeasurementDemux，Gain设置与自然制动相同。
（3）仿真步骤
1．使用（a）图仿真模型进行仿真，调节时间优化波形；
2.无误后在simulation/configurationparameter设置中勾选xFinal,再次进行仿真；
3.仿真后在2设置菜单中勾选xInitial选项；
4.在command窗口中输入xInitial=xFinal,并确定；
5.在（a）仿真模型中去除交流电，按（b）图连接加入直流，并进行仿真。
（4）仿真波形
（1）总图
（2）转子电流
（3）定子电流
（4）电机转速
（5）电机转矩
3.3反接制动
原理：
反接制动是指在电机运行过程中，改变定子交流电源的相序。
（1）仿真模型
（2）参数设置
ACVoltageSource，Constant，AsynchronousMachineSIUnits，AsynchronousMachineSIUnits，MachinesMeasurementDemux，Gain参数设置同上。
（3）仿真步骤
1．按上图仿真模型进行仿真并观察波形，无误后勾选xFinal选项再次进行仿真并观察波形，然后勾选xInitial选项；
2.在command窗口中输入xInitial=xFinal,并按Enter键确定；
3.在仿真模型中改变B,C两相交流电源的相位，进行仿真并观察仿真波形；
4．使用out模块获取输出波形。
（4）仿真波形
（1）总图
（2）转子电流
（3）定子电流
（4）电机转速
（5）电机转矩
3.4回馈制动
回馈制动是指在电机运行过程中，负载转矩为负值。
（1）仿真模型
（2）参数设置
Step：
设置其Initialvalue为45,Finalvalue为-45；
ACVoltageSource，AsynchronousMachineSIUnits，AsynchronousMachineSIUnits，MachinesMeasurementDemux，Gain参数设置同上
（3）仿真步骤
1.按上图连接好仿真模型，设置好个模块的参数，进行仿真观察波形；
2.使用out模块获取各参数的仿真波形。
（4）仿真波形
（1）总图
（2）转子电流
（3）定子电流
（4）电机转速
（5）电机转矩
4结语
4.1结论与讨论
为期一周的matlab课程设计到此也算告一段落了。
通过对电机的四种电磁制动方式的仿真和分析，让我们更深刻的了解了电机制动，了解了各种电机制动方式的转子电流，定子电流，电机转速，电机转矩等参数的变化，通过比较和分析知道了不同的制动方式的区别和共性。
通过本次电机制动仿真实验，我们得到以下结论：
1.电机自然制动时，其耗时长，转速下降慢。
2.能耗制动时，由机械特性曲线的形状可见，当电动机转速下降为零时，其制动转矩亦降为零，所以应用能耗制动能使生产机械准确停车。
它广泛应用于矿井提升及起重运输等机械设备上。
3.反接制动时，由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速n=0，电机将停转，从而实现了快速制动停车。
4.回馈制动，有位能负载下放重物时的回馈制动、正向回馈制动和反向回馈制动，都是将能量回馈到电网中。
由于我们本身知识有限，加上所用matlab软件全都是英文版本，所以在仿真与调试的
过程中遇到了很多让我们不知所措的问题。
如：
电机的参数设定问题，各个器件的作用及调用方法等等。
对于simulink，我以前很少接触，通过本次实验，我开始对这个软件有了新的认识，不得不说，它真是太强大了！
这次仿真实验所用的器件和使用到的功能只是其冰山一角，以后各种仿真一定能用得到。
我决定利用课余时间好好学习一下matlab及simulink的使用。
我在本课程设计中，原件的选择和功能做一个查阅，尽量选取最合适的器件来完成最精准的实习结果。
本设计通过分析异步电动机的结构、工作原理，查阅相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合。
经过查阅各种资料以及我们所学的《电力拖动基础》教材，使得我认识到电力拖动基础课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之一，主要以小型实用性电力拖动系统的软、硬件设计为主。
全面熟练掌握电力拖动的应用，使学生掌握小型电力拖动应用系统设计的步骤，通过设计过程对进一步锻炼和培养学生的动手能力。
其次我也通过这次设计对于MATLAB的应用有了一个更本性的提高。
本人深知自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。
由于时间的原因，设备的原因，实验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。
可以肯定，随着技术的不断发展，异步电机的反反接制动控制应用前景将越来越宽阔。
本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。
参考文献
[1]孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真.北京工业大学出版社，
[2]胡虔生，胡敏强.电机学.中国电力出版社。
[3]丁亦农.Simulink与信号处理。
北京航空航天大学出版社
[4]王中鲜.matlab建模与仿真应用.机械工业出版社
致谢
首先，感谢张老师的悉心指导和热切帮助，感谢张老师在我们小组成员遇到困难毫无头绪时给我们以点睛之笔的指导。
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