三相感应电动机异步电机特性研究报告含MATLAB仿真.docx
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三相感应电动机异步电机特性研究报告含MATLAB仿真
电气工程学院
感应电动机特性研究报告
学 号：
姓名：
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研究时间：
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。
全文分为五个部分，第一章对异步电机的应用发展做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，从第三章到第四章则是对异步电动机的工作特性、机械特性、调速进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。
第五部分利用VisualBasic6.0软件设计一个计算实用异步电机参数小程序。
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。
关键词：
异步电机数学模型MATLAB仿真VB设计
Abstract
Asynchronousmotorwithitssimplestructure,reliableoperation,highefficiency,lowcost,ineverydaylifearewidelyused.Atpresent,themotorcontrolsysteminpursuitofhighercontrolprecisiononthebasisofbecomesmoreandmorecomplex,anditssimulationisanimportanttoolinthestudyof.TheMATLABisanadvancedmathematicalanalysisandcalculationsoftware,availableactionsystemmodelingandsimulation.Ontheanalysisofthephysicsmodelandmathematicsmodelofthree-phaseasynchronousmotorbasedonMATLABsoftwareapplication,resumethecorrespondingsimulationmodel;inadditionthesamethree-phasevoltageandtorqueconditions,usingtheactualmotorparameters,andMALABgivenmotormodelwerecomparedwithsimulation.
Thewholethesisisdividedintofiveparts,thefirstchapteroftheasynchronousmotorapplicationdevelopmentofthecorrespondingdescription,thesecondchapteroftheMATLABsimulationsoftwaretobeintroduced,fromthethirdchaptertothefourthchapterisonthemechanicalcharacteristicsofasynchronousmotors,speedcontrolbytheoryanalysisandsimulationandthesimulationresultsanalysisof.ThefifthpartofautilityuseoftheVisualBasic6.0softwaredesignasynchronousmotorparameterscalculatedapplet
Afteranalysis,showthatthemodelbuiltisreasonable.Therefore,thedesignwillbebasedonthecharacteristicsofMATLAB,thethree-phaseasynchronousmotormodelingandsimulation,themodelisvalidated.
Keywords:
asynchronousmotor.mathematicalmodel.simulationofMATLAB
VBdesign
第一章异步电动机的概述·································4
1.1异步电动机的用途及分类
1.2异步电动机的主要性能指标
1.3异步电动机的基本工作原理
1.4三相异步电动机的运行特性
第二章软件介绍及模型实现·······························7
2.1MATLAB简介
2.2MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用
2.3模型实现
第三章三相异步电机机械特性的仿真······················10
3.1机械特性的表达式
3.2固有机械特性与人为机械特性
3.3基于MATLAB的异步电机机械特性仿真
第四章异步电机调速特性仿真····························16
4.1变频调速
4.1.2基频以下变频调速
4.2调压调速
结论·················································25
第一章异步电动机的概述
1.1异步电动机的用途及分类
根据电机的可逆原理，异步电机既可以作为电动机，也可以用作发电机。
但其作发电机运行时性能较差，故很少采用。
而用作电动机时具有较好的工作特性，故其主要用作电动机。
异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制，因而是电动机中应用的最为广泛的一种。
异步电动机是一种交流电机，主要用作电动机，拖动各种生产机械，广泛应用于交通运输、农业生产及国防、文教、医疗和日常生活中。
异步电动机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。
异步电动机还便于派生成各种防护形式，以适应不同环境条件的需求。
随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以及经济性以可与直流调速系统相媲美，而且维护简便，因而应用愈来愈广泛。
由于异步电动机在运行过程中必须从电网中吸收感性无功功率，因此其功率因素较差，总是小于1，此外，异步电动机空载电流大，启动和调速性能都不够理想，是异步电机的主要缺点。
异步电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法
按照相数来分，有单相异步电动机，三相异步电动机。
大功率机械拖动时，一般都用三相异步电动机，日常生活中和工业控制装置则多用单相异步电动机。
按转子结构分，有鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，其中，鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式异步电动机。
按机壳的保护方式分，有防护式异步电动机、封闭式异步电动机，以及防爆式异步电动机。
1.2异步电动机的主要性能指标
异步电动机的主要性能指标有：
（1）效率：
电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分数表示。
（2）功率因数：
电动机输入有效功率与实际功率之比。
（3）启动电流：
电动机在额定电压、额定频率和转子启动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流
（4）启动转矩：
电动机在额定电压、额定频率和转子启动时所产生的转矩的最小测得值。
（5）最小转矩：
电动机在额定电压、额定频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。
（6）最大转矩：
电动机在额定电压、额定频率下所能产生的最大稳态异步转矩。
（7）噪声：
电动机在空载运行时的噪声功率级，以及在额定负载运行时超过空载运行的噪声功率级增量。
（8）振动：
电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。
1.3异步动电机的基本工作原理
电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
如下图是三相交流异步电动机转子转动的原理图（图中只示出两根导线），当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。
电动势的方向由右手定则来确定。
因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。
在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。
该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。
由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
异步电机的工作原理用箭头简单的表示如下：
定子绕组通入三相交流电流→产生旋转磁场→切割转子绕组→转子绕组产生感应电势→转子中产生感应电流→转子电流与磁场作用→产生电磁转矩→运行。
1.4三相异步电动机的运行特性
异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。
（1）转差率特性
通常把同步转速和电动机转子转速n二者之差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示。
关于转差率的定义如下：
当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：
；如果两者转向相反，则：
。
式中的、n都理解为转速的绝对值，s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。
随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。
（2）转矩特性
异步电动机的输出转矩：
转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线。
（3）电流特性
空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。
（4）效率特性
其中铜耗随着负载的变化而变化；铁耗和机械损耗金丝不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗，点击达到最大效率。
异步电动机额定效率在74-94%之间；最大效率发生在（0.7-1.0）倍额定效率处。
（5）功率因数特性
空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。
如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。
第二章软件介绍及模型实现
2.1MATLAB简介
八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计的有利工具。
应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起电机及其传动、控制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的运行研究，替代真实电机在实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。
MATLAB是美国Mathworks公司自1984年推出的一种使用简便的工程计算语言，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在这里可以实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发（包括图形用户界面设定）等等功能，而且，MATLAB提供的工具箱为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源。
MATLAB语言具有以下特点：
（1）功能强大
MATLAB不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优势。
此外，MATLAB的Notebook为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能，MATLAB的SIMULINK功能则将而其应用扩展到各行各业的仿真领域。
不仅如此，公司更推出了针对各专业应用的MATLAB工具箱。
（2）界面友好、编程效率高
MATLAB是一种以矩阵计算为基础的程序设计语一言，其指令表达方式与标准教科书的数学表达式非常接近。
用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要求输入表达式，MATLAB将为用户计算出结果。
此外，使用语言设计的程序，其编译和执行速度远远超过了传统的C语言设计的程序，可以说，MATLAB在工程计算方面的编译效率远远高于其它编程语言。
（3）扩展性强
MATLAB的重要特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够自由地开发自己的应用程序，这些年来，许多使用MATLAB的数学家、工程师和科学家已经开发出相当多的不同应用领域的应用程序。
MATLAB的这些特点使它获得了对应用学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。
MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统建模，仿真和分析的软件包。
它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的，它具有相对独立的功能和使用方法。
SIMULINK的出现使得仿真工作以结构图的形式加以进行。
它提供各种功能模块，包括了连续系统（Continues）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）几类基本系统构成模块，还包括连接、运算类模块:
函数与表（Functions&Tables）、数学运算模块（Math）、信号与系统（Signals&System）。
而输入源模块（sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。
便于用户对模型进行仿真和分析。
用户只要从模块库中拖放合适的模块组合在一起（也可以是自己的系统），就可以直接对它进行仿真。
可以选择合适的输入源模块作信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。
各种数值算法，仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，省去了以往仿真研究中的大量手工编程过程，避免了编程错误造成的数值不稳定，计算结果错误等不该发生的意外事件出现，大大提高了算法研究与实际应用的效率和可靠性。
2.2MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用
启动SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，此时出现一个SIMULINK窗口。
这个窗口包含7个模块库，它们分别是信号源模块库（sources）、输出模块库（Sinks）、离散模块库（Diserete）、线性模块库（Linear）、非线性模块库（Nonlinear）、连接与接口模块库（Connections）和扩展模块库（Extrax）。
建立一个控制系统结构框图,则应选择文件（File）中的新文件（New）菜单项，这样SIMULINK就会自动打开一个空白的模块编辑窗口，允许用户输人自己的模块框图。
只要从各模块库中取出模块，定义好模块参数。
将各模块连接起来，然后设置系统参数，如仿真时间、仿真步长和计算方法等。
模块的取出可以采用在模块库中选中模块后拖动到编辑窗口的复制方法。
连接两个模块是相当容易，简单地用鼠标左键先点一下起点模块的输出端（三角符号），然后拖动鼠标器。
这时就会出现一条带箭头的直线，将它的箭头拉到终点模块的输入端再释放鼠标左键，则SIMULNIK会自动产生一条带箭头的连线，将两个模块连接起来。
如果连线出现错误，可以使用鼠标左键选中该线，然后再使用Edit中cut命令将该线删除掉。
定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图标的办法，即可得到模块参数设置对话框。
选择Start命令可以启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示，可以通过虚拟示波器Scope观察系统仿真结果输出。
把Scope连接到任何你想观测的点，调整好Scope的扫描量程与显示幅值量程，同时调整Scope的窗口大小及位置，观察系统的仿真过程。
众所周知，现代运动控制系统中的交流异步电动机本身就是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
这里从静止两相坐标系下的鼠笼异步电动机模型出发，推导出基于定子磁链磁场定向的电动机模型，并采用MATLAB/SIMULNIK实现之。
2.3模型实现
模型建立以后，所要做的就是从Simulink丰富的模型库中调用合适的模块来表示该模型。
随着系统规模的扩大和复杂性的增加，模型也在不断增大，这就使得模型窗中由于过多的模块而凌乱不堪。
为了避免这种情况，采用自上而下或自下而上的分级方法建立模型，即把功能相同或者相近的模块分组封装成子系统Subsystem，建立递阶结构框图。
第三章三相异步电机机械特性的仿真
3.1机械特性的表达式
由《电机学》知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。
它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。
三相异步电机电磁转矩的表达式为：
（3-1）
式中——转矩常数
——每级下磁通
——转子功率因数
式（3-1）表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。
该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。
从三相异步电动机的转子等值电路可知，
（3-2）
（3-3）
将式（3-2）、（3-3）代入（3-1）得：
（3-4）
对于（3-4），我们做如下分析：
1.当s=0时，，M=0，说明电动机的理想空载转速为同步转速。
2.当s很小时，有，，说明电磁转矩T近似与s呈线性关系，即随着M的增加，略有下降。
因而，类似直流电动机的机械特性，是一条下倾的直线。
3.
当s很大时，有，，说明电磁转矩M近似与s成反比，即M增加时n反而升高。
4.当s=1时，n=0，=常数，此即三相异步电机的启动转矩。
从上述可见，三相异步电动机的机械特性由两段组成：
当s较小（n较高）时，n与M近似呈线性关系；当s较大（n较低）时，n随M增大而升高。
将两部分机械特性圆滑连接，既得三相异步电动机机械特性，如图所示。
3.1.2参数表达式
由《电机学》知，三相异步电动机的电磁功率为
（3-5）
所以，电磁转矩为
（3-6）
由三相异步电动机近似等值电路知
（3-7）
而
（3-8）
将式（3-7）、（3-8）代入式（3-6）得
（3-9）
式（3-9）即为三相异步电动机机械特性的参数表达式。
3.2固有机械特性与人为机械特性
三相异步电动机的固有机械特性是指在额定电压、额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子无外接电阻（电感或电容）时，电动机转速与电磁转矩的关系，如图所示，其中曲线1为电动机正向旋转时固有机械特性；曲线2为反向旋转时固有特性。
人为机械特性是人为的改变异步电动机的一个参数或电源参数，保持其他参数不变而得到的机械特性。
由式3-9可见，可供改变的量有：
电源电压、电源频率、极对数p、定子电路电阻或电抗和转子电路电流或电抗。
（1）降低定子电压时的人为机械特性
当电源电压降低时，由于，与电压无关，不变。
得，与成正比例，当下降时，与成正比例降低，而与无关，不变。
同理，启动转矩亦与成比例降低。
因此，电源电压降低时的人为机械特性是一组过同步转速、临界转差率不变、最大转矩和启动转矩均与成比例下降的曲线簇。
时的机械特性曲线如图所示：
降压时的异步电机人为特性
（2）转子电路串对称电阻时的人为特性
这种情况只对绕线式异步电动机才有意义。
由于，与转子电阻无关，当转子串电阻时不变。
则最大转矩亦不变；而临界转差率与转子电阻成比例变化。
因此，转子电路串对称电阻的人为特性是一组过同步转速点、最大转矩不变、临界转差率随转子电阻增加而成比例增大的线簇，如下图所示：
转子电路串对称电阻时的人为特性
从图所示曲线可见，当转子电阻刚开始增加时，启动转矩随转子电阻增加而增加；当时，，即有最大启动转矩。
这是令计算，得：
当转子电路所串电阻大于（）时，启动转矩反而减小了。
由此可见，对于绕线式异步电动机，在一定范围内增加转子电阻，可以增加启动转矩，改善启动性能。
3.3基于MATLAB的异步电机机械特性仿真
本仿真采用仿真模型如下题目所示：
3.3.2参数和程序
电压分别为时机械特性对比。
源程序如下：
clc
clear
symsU1POLESFNR1R21X1X21RMXMNSS...
TEN2;
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;
form=1:
6
ifm==1
U1=380;
elseifm==2
U1=300;
elseifm==3
U1=250;
elseifm==4
U1=180;
elseifm==5
U1=140;
elseifm==6
U1=100;
end
fori=1:
2000;
S=i/2000;
N2=NS*（1-S）;
TE=3*POLES/（2*pi*FN）*（U1^2*R21/S）/（（R1+R21/S）^2+（X1+X21）^2）;
plot（TE,N2）;
holdon;
end
end
电压分别为时机械特性对比
第四章异步电机调速特性仿真
长期以来，一直认为三相异步电动机调速比较困难，常作为它点的一个缺点提出。
然而，由于近些年电力电子器件和计算机技术的发展，交流电动机调速已取得很大进展。
异步电动机调速不再成为难题，有的方法已取得令人满意的成果。
由异步电动机转速表达式
可以看出，有三种方法可以调节异步电动机转速。
（1）改变定子极对数——变极调速；
（2）改变定子电源频率——变频调速；
（3）改变电动机转差率——改变定子电压频率、转子回路串电阻调速、电磁离合器调速和串极调速等。
4.1变频调速
改变异步电动机定子绕组供电电源的频率，可以改变同步转速n，从而改变转速。
如果频率连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。
三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为
式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；
为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数，为每极气隙磁通量。
如果改变频率，且保持定子电源电压不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。
因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通的目的。
为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。
这时，电动机的电磁转矩为:
上式对s求导，即，有最大转矩和临界转差率为:
由上式可知：
当常数时，在较高时，即接近额定频率时，随着的降低，减少的不多；当较低时，较小；相对变大，则随着的降低，就减小了。
显然，当降低时，最大转矩不等于常数
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