电机学 研究学习报告.docx
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电机学研究学习报告
电机学研究性学习——
三相感应电动机机械特性曲线的仿真分析
一．MATLAB的介绍：
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。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国公司MathWorks发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
二．训练载体研究目的
本次研究性训练的目的是通过利用MATLAB软件或C语言编程，仿真计算一台实际的三相感应电动机稳态运行时的机械特性曲线，并分析影响感应电动机机械特性的因素。
在三相感应电机的稳态运行中，当负载变化时，其电磁转矩与电机转速之间的曲线称为感应电动机的机械特性，机械特性曲线的不同形状代表电机的性能差异，三相感应电动机机械特性的公式为：
可见，当上述公式中的各参数发生变化时，将直接影响电机的机械特性曲线形状的改变。
本次专题中需要应用MATLAB软件编程或C语言编程，MATLAB软件具有强大的绘图功能，能将计算的结果进行直观的图像显示，能方便对计算结果正确与否进行直观的判断。
通过本专题可以使学生把所学的MATLAB软件应用到实际电机的计算、绘图中，用直观的图形变化来认识抽象的电机理论。
三．训练载体研究内容
1利用三相感应电动机的机械特性公式，进行MATLAB编程，计算并绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
2改变电源电压，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
3改变电源频率，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
4改变转子电阻，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
5改变定子电阻，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
6改变定子电抗，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
7改变转子电抗，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
并比较特性曲线的变化特点，有何结论？
8对影响三相感应电动机机械特性曲线的变化因素及其曲线的变化特点进行总结。
谈谈本次研究性训练的收获。
四、训练载体题目要求
要求学生参考课本第五章“InductionMachine”之中三相感应电动机机械特性公式及其曲线的形状等，通过MATLAB编程计算，绘制出电机参数改变时，电机的具体机械特性曲线，理解和掌握影响电机机械特性曲线变化的因素。
通过本次训练，能够让学生对三相感应电动机机械特性曲线的特点加深理解，加深对电机后续内容的理解和掌握。
五、MATLAB仿真数据及仿真结果截图
（一）绘制如下参数的三相四极异步电动机各运行特性：
Pn=7.5kW，U1n=380V，f1n=50Hz，Nn=1455r/min，R1=1.42Ω，X1=5.41Ω，R2’=1.25Ω，X2’=7.75Ω，Xm=90.4Ω，Rm=10.6Ω，T0=94.1N·m（Y接法）
三相异步电动机的运行特性:
1.转速（N）与P2的关系:
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0Z1Z2ZmImTem1iI1I2cudE1I2sn;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Im=U1n/（Z1+Zm）;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/（Z1+c*Z2））^（0.5）;
d=angle（-Im+I2）;
I1=abs（-Im+I2）;
I2s=abs（I2）;
E1=abs（-Im*Zm）
Pe=Nph*E1*I2s*cos（d）
s=Nph*（I2s）^
（2）*R2p/Pe;
n=Ns0-s*Ns0;
plot（Pr1,n）;
holdon;
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
2.电流（I1）与P2的关系：
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0ZeqZeq1Zeq2Z1Z2ZmI1niF1I1c;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Zeq=abs（Z1+Zm）;
Zeq1=abs（Z1+c*Z2）;
Im=U1n/Zeq;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/Zeq1）^（0.5）;
I1=-Im+I2;
plot（Pr1,I1）;
holdon;
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
3.效率（μ）与P2的关系：
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0XmZ1Z2ZmiF1I1cud;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Im=U1n/（Z1+Zm）;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/（Z1+c*Z2））^（0.5）;
d=angle（-Im+I2）;
I1=abs（-Im+I2）;
P1=3*U1n*I1*cos（d）
u=Pr1/P1
plot（Pr1,u）;
holdon;
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
4.功率因数（cosΨ）与P2的关系：
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0XmZ1Z2ZmiF1I1ccos;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Im=U1n/（Z1+Zm）;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/（Z1+c*Z2））^（0.5）;
cos=angle（Im+I2）;
plot（Pr1,cos）;
holdon;
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
（3）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0XmZ1Z2ZmiF1I1ccos;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Im=U1n/（Z1+Zm）;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/（Z1+c*Z2））^（0.5）;
cos=angle（-Im+I2）;
plot（Pr1,cos）;
holdon;
end
（4）MATLAB仿真结果截图：
5.电磁转矩（Te）与P2的关系：
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesNnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2pT0...
Ns0XmZ1Z2ZmI1niF1I1cudE1I2s;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;
R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zm=Rm+j*Xm0;
Z2=R2p+j*X20p;
c=1+X10/Xm0;
Im=U1n/（Z1+Zm）;
Os=4*pi*Fe0/Poles;
fori=1:
1:
7500
Pr1=i
I2=（Pr1/（Z1+c*Z2））^（0.5）;
d=angle（Im+I2）;
I1=abs（Im+I2）;
I2s=abs（I2）;
E1=abs（-Im*Zm）
Pe=Nph*E1*I2s*cos（d）
Te=Pe/Os;
plot（Pr1,Te）;
holdon;
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
如下参数的三相四极异步电动机机械特性的绘制：
U1n=380V，f1n=50Hz，Nn=1455r/min，R1=1.42Ω，X1=5.41Ω，R2’=1.25Ω，X2’=7.75Ω，Xm=90.4Ω，Rm=10.6Ω（Y接法）
（二）改变电源电压，绘制当电机转速变化时电机的机械特性曲线。
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Ue1=380;Ue2=400;Ue3=420;Ue4=440;
form=1:
4
ifm==1
U1=Ue1/sqrt（3）;
elseifm==2
U1=Ue2/sqrt（3）;
elseifm==3
U1=Ue3/sqrt（3）;
elseifm==4
U1=Ue4/sqrt（3）;
end
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns0*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
（三）采用恒U1=f1控制，通过MATLAB编程，绘出下列不同供电频率（f1=50，60，70，80Hz）下三相异步电动机的机械特性：
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Fe1=50;Fe2=60;Fe3=70;Fe4=80;
form=1:
4
ifm==1
F1=Fe1;
elseifm==2
F1=Fe2;
elseifm==3
F1=Fe3;
elseifm==4
F1=Fe4;
end
Ns=120*F1/Poles;
X1=X10*（F1/Fe0）;
X2p=X20p*（F1/Fe0）;
Xm=Xm0*（F1/Fe0）;
U1=U1n;
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
（四）改变转子电阻，绘制当电机转速变化时电机的机械特性曲线。
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Re1=1.25;Re2=1.5;Re3=1.75;Re4=2;
form=1:
4
ifm==1
R2p=Re1;
elseifm==2
R2p=Re2;
elseifm==3
R2p=Re3;
elseifm==4
R2p=Re4;
end
U1=U1n
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns0*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）计算结果截图：
（3）MATLAB仿真结果截图：
（五）改变定子电阻，绘制当电机转速变化时电机的机械特性曲线。
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Re1=1.5;Re2=2;Re3=2.5;Re4=3;
form=1:
4
ifm==1
R1=Re1;
elseifm==2
R1=Re2;
elseifm==3
R1=Re3;
elseifm==4
R1=Re4;
end
U1=U1n
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns0*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
（六）改变定子电抗，计算且绘制当电机转速变化时，电机的机械特性曲线。
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Xe1=5.41;Xe2=6.41;Xe3=7.41;Xe4=8.41;
form=1:
4
ifm==1
X10=Xe1;
elseifm==2
X10=Xe2;
elseifm==3
X10=Xe3;
elseifm==4
X10=Xe4;
end
U1=U1n
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns0*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
（七）改变转子电抗，绘制当电机转速变化时电机的机械特性曲线。
（1）MATLAB文本：
clc
clear
symsU1nNphPolesFe0Fe1Fe2Fe3Fe4NnR1R2pX10X20pRmXm0X1X2p...
Ns0XmZeq1Z1I1nSnE1NsmSNr1Tem1iF1;
U1n=380/sqrt（3）;
Nph=3;Poles=4;Fe0=50;
Nn=1455;R1=1.42;R2p=1.25;X10=5.41;
X20p=7.75;Rm=10.6;Xm0=90.4;
Ns0=120*Fe0/Poles;
Sn=（Ns0-Nn）/Ns0;
Z1=R1+j*X10;
Zeq1=（Rm+j*Xm0）*（R2p/Sn+X20p）/（（Rm+j*Xm0）+（R2p/Sn+j*X20p））;
I1n=abs（Zeq1/（Zeq1+Z1）*U1n）;
Xe1=7.75;Xe2=8.75;Xe3=9.75;Xe4=10.75;
form=1:
4
ifm==1
X20p=Xe1;
elseifm==2
X20p=Xe2;
elseifm==3
X20p=Xe3;
elseifm==4
X20p=Xe4;
end
U1=U1n
fori=1:
2000
S=i/2000;
Nr1=Ns0*（1-S）;
Tem1=Nph*Poles/（4*pi）*（U1/Fe0）^2*（Fe0*R2p/S/（（R1+（R2p/S））^2+（X10+X20p）^2））;
plot（Tem1,Nr1）;
holdon;
end
end
（2）MATLAB仿真结果截图：
六．研究性学习感想
本次我们选择的研究性学习题目是三相感应电动机机械特性曲线的仿真分析，并且使用matlab软件作为仿真工具。
这次学习不仅让我掌握了matlab软件的基本编程方法以及绘图方法，而且让我用一种更加直观具体的方式明白了三相感应电动机机械特性曲线。
虽然在开学初就在自控课上了解到了matlab软件，但由于这是我第一次使用这款软件，在研究性学习开始我们花了不少时间学习如何使用这款软件，尽管在仿真的过程中出现过许多问题，但是还是被我们顺利的解决了。
这次研究性学习非常有意义，在学会了使用软件的同时又同时对三相感应电动机进行了一次系统的复习，让我对三相感应电动机有了一次更深层次的理解，为我在日后学习电机学
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