感应电机定子参数仿真研究.docx

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感应电机定子参数仿真研究

大学

毕业设计（论文）

题目：

感应电机定子参数仿真研究

学生姓名：

学号：

学部（系）：

机电学部电气工程系

专业年级：

电气本科级

指导教师：

职称或学位：

高工

年5月8

摘要………………………………………………………………………………1

关键词……………………………………………………………………………1

Abstract…………………………………………………………………………1

Keywords………………………………………………………………………1

1.选题背景……………………………………………………………………2

1.1概述………………………………………………………………………2

1.2交流电机控制发展概况……………………………………………3

1.3MATLAB技术发展概况………………………………………………4

1.4本设计的主要内容…………………………………………………4

2.电力电子技术的简单介绍…………………………………………………4

2.1PWM整流的基本原理………………………………………………4

2.2正弦脉冲宽度调制SPWM的基本原理……………………………7

2.3滤波器的分类及基本功能…………………………………………7

3.感应电机的简介……………………………………………………………8

3.1感应电机的工作原理………………………………………………8

3.2感应电机的工作特性………………………………………………9

3.3感应电机的参数研究………………………………………………10

3.4感应电机调速方法的介绍………………………………………11

3.5感应电机变频调速及其控制策略………………………………12

3.6变频调速系统的分类介绍………………………………………14

4.高压变频调速系统的建模………………………………………………14

4.1高压变频器的拓扑结构……………………………………………14

4.2高压变频调速系统的建模…………………………………………15

4.3高压变频调速系统的仿真…………………………………………21

5.结束语……………………………………………………………………22

参考文献……………………………………………………………………23

致谢…………………………………………………………………………24

感应电机定子参数仿真研究

摘要

随着感应电机的不断改进与发展，它在国民经济各行业应用广泛尤其是发电厂、工矿企业中应用最广、需求最大。

因此研究其转速问题，提高它的效率也就意义重大。

本文分析了感应电机的工作原理、工作特性以及其参数的研究，比较了感应电机的调速方法:

改变转差率s调速；改变旋转磁通势同步转速调速；双馈调速；利用转差离合器调速；以及它们的优缺点。

采用了MATLAB软件中的SIMULINK动态仿真系统进行简单的建模和仿真，得到电机参数的仿真波形图。

重点介绍了感应电机高压变频调速系统的分类、4种控制策略、拓扑结构、以及它的建模与仿真。

关键词：

感应电机；高压变频；MATLAB仿真

Abstract:

Withthecontinuousimprovementofinductionmotorwiththedevelopmentofnationaleconomy,itiswidelyusedinvariousindustrialandminingenterprises,especiallyinthemostwidelyusedanddemand.Thereforethespeed,improveitsefficiencyisofgreatsignificance.Thepaperanalysestheworkingprincipleofinductionmotor,characteristicandresearch,andcomparestheparametersofinductionmotorspeedmethod:

changeslipsspeed,Changetherotatingmagneticfluxpotentialsynchronousspeedstepless,Doubly-fedspeed,Useturnbadclutchspeed,Andtheiradvantagesanddisadvantages.UsingthesoftwareMATLABsimulationsystemofSIMULINKdynamicmodelingandsimulationofsimple,motorparametersimulationwaveform.Mainlyintroducesinductionmotorvoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemofclassification,fourkindsofcontrolstrategy,topologystructure,anditsmodelingandsimulation.

Keywords:

inductionmachine;High-voltageinverter;Matlabsimulation

1选题背景

1.1概述

电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。

又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。

随着生产现代化程度的不断提高,市场对电机的需求也将越来越大。

预计到2010年，全国发电装机容量将达到6.6亿千瓦左右，平均每年将投产发电装机容量3700万千瓦以上，年均增长7.8%左右，而电动机的需求与发电设备的需求呈1∶3.51的正比关系。

而随着工业规模的不断扩大，大型动力设备的应用急剧增加，一度造成我国大型电机生产厂家的高压大容量电机供不应求。

据统计2004年全年电机行业工业总产值为993亿元，其中高压大型交流感应电机的产值超过30亿元。

在工业电气应用领域，电网一般供给固定频率的交流电压，同时为了满足电机的启动负荷和其它峰值负荷的冲击等要求，电机的额定功率通常选用高于实际运行的功率。

电机通常在供给的能量多于实际负载所需能量状况下运行，这势必造成大量的能原浪费，据测算在风机及泵类的系统中，这样的功率损耗占到总损耗的40%。

如果电机能按照变化负载需求而提供相应的能量，这将大大降低能源的浪费。

基于这一思想，变频调速技术得到了飞速的发展。

它可以实现按负载需求来调整电机转速，从而实现电机按负载要求供给能量。

在低压电气应用领域，电力电子器件的发展已经能很好的满足变频调速的要求，但在高电压领域，由于电力电子器件的电压耐量.开关损耗和开关频率的限制，单只电力电子器件还难于实现对高压幅值和频率的灵活调整。

随着电力电子变换技术的发展和大功率电力电子器件制造技术的提高，目前的高压.大功率调速系统已很少采用“高压—低压—高压”的拓扑结构，现在比较流行和实用的方式都是采用直接“高压—高压”变换方式，即直接对高压进行变换，无需降压/升压变压器。

根据变换环节的不同，高压变频调速系统可以分为以下两类：

“交—交”型和“交—直—交”型。

1.2交流电机控制技术的发展概况

三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。

又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。

与直流电机相比，交流电动机是多变量，强耦和的非线形系统，要实现良好的转矩控制非常困难。

20世纪70年代德国工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

1985年，德国的Depenbrock教授提出了异步电动机直接转矩控制方法。

近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。

随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现。

目前，异步电动机矢量控制技术、直接转矩控制技术乃至无传感器的直接转矩控制技术已实用化，人工神经网络、自适应控制状态观测器等方法已得到广泛采用。

未来，交流电机控制技术将随控制理论、计算机技术和电子技术的发展，围绕解决异步电动机非解藕性及参数依赖性等问题，致力于新的控制策略、器件及系统的研究。

1.3MATLAB的技术发展概况

　　计算机技术的发展为电机控制系统的设计了便利条件。

作为当今世界最流行的第四代计算机语言，MATLAB软件语言系统，由于它在科学计算、网络控制、系统建模和仿真、数据分析、自动控制、图形图像处理、航天航空、生物医学、物理学、生命科学、通信系统、DSP处理系统、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以及它自身所具备的独特优势，目前MATLAB已备受许多科研领域的青睐与关注。

MATLAB语言是Mathworks公司开发出的具有强大的数值分析功能的软件，器在控制系统仿真上的应用即越来越广泛。

由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其它高级语言，如Basic、Fortran和C等语言那样难以掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列公式求解问题。

在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形的方式显示出来。

另外MATLAB和其它高级语言也具有良好的接口，可以很方便的与其他高级语言实现混合编程，进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。

尤其是它提供的SIMULINK仿真工具使一般的系统仿真省去了算法分析及程序编制的过程，极大的提高了系统的仿真速度。

MATLAB中的SIMULINK是基于WINDOWS的模型化图形输入，其优点是使用户可以把更多精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

它还方便用户观察系统仿真的整个过程。

SIMULINK的重要特点是快速.准确.对于比较复杂的非线性系统，效果更为明显。

它还有另一个重要的特点就是它的开放性，它允许用户定制自己的功能模块和模块库。

1.4本设计的主要内容

本课题的主要是用MATLAB中的SIMULINK动态仿真系统，建立高压变频调速系统的模型并进行仿真，来研究异步电机的调速问题。

本文的主要内容如下：

●分析感应电机的工作原理以及其参数的研究。

●PWM整流电路的分析。

●设计和分析异步电机的调速方法、变频调速及其控制策略。

●高压变频调速系统的建模与仿真。

2.电力电子技术的简单介绍

2.1PWM整流的基本原理

PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。

通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。

（1）单相电压型桥式PWM整流电路的结构

   单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图1所示。

每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。

L为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。

图2-1中uN（t）是正弦波电网电压；Ud是整流器的直流侧输出电压；us（t）是交流侧输入电压，为PWM控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN（t）是PWM整流器从电网吸收的电流。

由图2-1所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT4从直流侧逆变为交流，反馈给电网。

所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4的脉宽调制方式而定。

图2-1单相电压型PWM整流电路结构

因为PWM整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。

   由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器L2C2，让其谐振输出电流基波频率的2倍，从而短路掉交流侧的2倍频谐波。

（2）单相电压型桥式整流电路的工作原理

   图2是单相PWM电压型整流电路的运行方式相量图，us1（t）设为交流侧电压Us（t）的基波分量，iN1（t）为电流iN（t）的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

（2-1）

可以看出，如果采用合适的PWM方式，使产生的调制电压与网压同频率，并且调节调制电压，以使得流出电网电流的基波分量与网压相位一致或正好相反，从而使得PWM整流器工作在如图2所示的整流或逆变的不同工况，来完成能量的双向流动。

图2-2单相电压型PWM整流电路运行方式向量图

假设整流时有：

（2-2）

调制波为：

（2-3）

设Ucm为三角载波幅值；us（t）为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析，us在一个开关周期内的平均值表示为：

（2-4）

定义正弦脉宽调制比：

（2-5）

并取：

（2-6）

则根据向量图，相角表达式为：

（2-7）

时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：

（2-8）

从相量图及式（2-8）可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。

同理也能得到逆变工况下的运行条件。

（3）单相电压型PWM整流电路工作过程分析

   可以将电压型单相桥式PWM整流电路的4个桥臂看成4个开关，任一时刻应有两个桥臂导通。

为避免输出短路1，2桥臂和3，4桥臂都不允许同时导通。

因此PWM整流电路有4种工作模式。

从中可以看出随着调制信号的正、负半周变化，电路在短路、整流、短路3个状态中交替变换。

因此交流侧电压us（t）是一个单极性PWM波形，输出幅值为±Ud和0；而对应的电感L上压降uL分别取uN,uN-Ud和uN+Ud三种不同的值，这样通过调节调制比m就能有效控制us1，进而使得电路的功率因数为1。

2.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理

只要对逆变电路的开关器件进行实时、适式的控制，是每个脉波的平均电压、脉波宽度或占空比按：

（2-9）

和：

（2-10）式的正弦规律变化，则逆变电路输出的多脉波电压就能和正弦电压等效。

对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，是多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除了基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。

完成了对逆变器的开关控制和保护功能。

2.3滤波器的分类及基本功能

滤波器是大多数电力电子变换器中不可缺少的辅助部件。

根据其放置位置的不同，滤波器可分为输入滤波器（或称为电源侧滤波器）、输入滤波器（或称为负载侧滤波器）和中间滤波器三种、按其电路结构的不同又可分为L、C串、并联滤波器和LC谐振滤波器。

根据器处理对象的不同可区分为电压滤波器和电流滤波器。

滤波器可以起到改善变频器的输出波形质量的作用。

选择L、C滤波器时首先应先根据逆变器输出电压中最低次谐波频率

、变换器电路输出的谐波电压的大小以及要求负载端所允许的谐波电压的大小，确定滤波器所需要的衰减系数，再根据公式确定L*C的值。

选择L、C时还应考虑串联电感的基波压降，即负载基波电流在电感上的基波压降使负载基波电压变化和并联电容中的基波电流与负载基波电流相加改变了逆变电路中开关器件所承载的基波电流这两个方面。

3感应电机的简介

3.1感应电机的工作原理

异步电动机靠定、转子间的电磁感应作用，在转子内感应出三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以实现机电能量转换。

正常异步电动机的转子转速略低于旋转磁场的转速（同步转速ns），所以称为异步电动机。

旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差，转差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。

异步电动机稳态分析常用的T型等值电路如图1所示。

图中下标1代表定子侧量，下标2代表转子侧量，xm为激磁电抗，rm为激磁电阻，I0为激磁电流，s为转差率。

从等值电路可见：

感应电机空载时，转子转速接近于同步转速，s≈0，r2/s→∞，转子相当于开路，此时转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流；当电动机加上负载时，转差率增大，r2/s减小，使转子和定子电流增大，输入功率增大。

图3-1是异步电动机稳态分析常用等值电路，但该电路反映不出各量随时间变化的动态过程，因而有一定的局限性。

为了进一步了解异步电动机的运行特性，就需要了解其动态数学模型。

图3-1

3.2感应电动机工作特性

感应电动机的工作特性是指在额定电压、额定功率下异步电机的转速n、效率η、功率因数cosφ1、输出转矩T2、定子电流I1与输出功率P2的关系曲线。

异步电动机的工作特性可以用计算方法获得。

在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下。

给定一系列的转差s，可以由计算得到n、I1、Tem、T2、P2、η、cosφ1，从而得到工作特性。

对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验求得。

用测功机作为负载测取不同转速下的输出转矩T2，同时测取I1、cosφ1，从而可算出P2、η，也可得到工作特性。

（1）转差率特性s=f﹙P2﹚

在空载运行时，P2=0，s≈0，n≈n1。

在s=[0，sm]区间，近似有

T2≈Tem∝sP2∝T2n∝sn∝s（1-s）

故在此区间，随P2增大，s随之增大，而转速n呈下降趋势。

这和并励直流电动机相似。

（2）效率特性η=f﹙P2﹚

电动机的效率为

η=P2/P1=1-∑p/P1

式中，∑p为电动机总损耗，∑p=pCu1+pCu2+pFe+pmec+pad。

在空载运行时，P2=0，η=0。

从空载到额定负载运行，由于主磁通变化很小，故铁耗认为不变，在此区间转速变化很小，故机械损耗认为不变。

上述两项损耗称为不变损耗。

而定、转子铜耗与各自电流的平方成正比，附加损耗也随负载的增加而增加，这三项损耗称为可变损耗。

当P2从零开始增加时，总损耗∑p增加较慢，效率上升很快，在可变损耗与不变损耗相等时（即pCu1+pCu2+pad=pFe+pmec），η达到最大值；当P2继续增大，由于定、转子铜耗增加很快，效率反而下降，对于普通中小型异步电动机，效率约在（1/4～3/4）PN时达到最大。

（3）功率因数特性cosφ1=f﹙P2﹚

异步电动机必须从电网吸收滞后的电流来励磁，其功率因数永远小于1。

空载运行时，异步电机的定子电流基本上是励磁电流Im，因此空载时功率因数很低，通常小于0.2。

随着P2的增大，定子电流的有功分量增加，cosφ1增大，在额定负载附近，cosφ1达到最大值。

当P2继续增大时，转差s变大，使转子回路阻抗角φ2=arctansX2δ/R2变大，cosφ2下降，从而使cosφ1下降。

Ω

（4）转矩特性T2=f﹙P2﹚

异步电动机的轴端输出转矩T2=P2/Ω，其中Ω=2πn/60为机械角速度。

从空载到额定负载，转速n变化很小，所以T2=f﹙P2﹚可以近似的认为是一条过零点的斜线。

（5）定子电流特性I1=f﹙P2﹚

异步电动机定子电流I1=I0+（-I2′）,空载运行时，I2′≈0，定子电流I1=I0是励磁电流。

随P2增大，转子电流I2′增大，与之平衡的定子电流I1L也增大，故I1随之增大．

3.3感应电机的参数研究

传统的感应电动机稳态模型T形等效电路参数测试方法是通过直流试验、空载试验和堵转试验[1]得到。

感应电动机空载试验通过测量空载特性以确定电机机械损耗、铁损耗及励磁阻抗，在空载运行条件下，电机定子绕组接频率为额定值的三相对称电压，电机不带任何机械负载，以接近于同步速的转速空转，这时转子电流和转子铜耗都很小，扣除机械损耗之后可认为转子支路开路。

感应电动机堵转试验（又称短路试验）通过测量堵转特性以确定短路阻抗，在堵转运行条件下，电机定子绕组仍接频率为额定值的三相对称电压，但电机在外力作用下停止转动，这时励磁支路的阻抗相对转子支路大得多，使转子电流和转子铜耗很大，而铁损耗很低，故可认为励磁支路开路。

T形等效电路在空载和堵转两种特殊工作条件下可以得到简化，如图3-2所示

图3-2感应电机测试参数等效图

传统的参数测试方法虽具有计算简单的优点，但同时也存在一些局限性[2-4]:

（1）空载测试方法为简化测试电路而省略了转子回路，堵转测试方法为简化测试电路而省略了励磁回路，这都是理想运行状况，实际上空载时转子回路总存在一定的损耗，而堵转时励磁回路也存在一定的损耗，因此空载测试和堵转测试方法必然存在一定的误差。

（2）实验证明，当电机的转差远大于实际运行时的转差时，转子的集肤效应严重，而堵转试验时电机的转差s=1，这样就会导致严重的集肤效应，使其二次绕组参数与实际运行时的二次绕组参数相比有明显偏差，测量参数出现误差。

（3）由于堵转试验常常降压进行，电机的励磁水平远低于实际运行时的励磁水平，这也导致了电机参数偏离实际运行时的参数。

3.4感应电机调速方法的介绍

在交流电动机中，同步电动机和异步电动机的调速应用的特别广泛，同步电动机的调速，靠改变其供电电压的频率来改变其同步转速，调速方法比较单一；异步电动机的调速方式则比较灵活，而且系统中的负载大部分是异步电动机。

异步电动机转速表达式为

（3-1）

式中，n为转子转速，n1为同步转速，s为转差率，f1为同步频率，p为极对数。

分析式（3-1）可以看出，三相异步电动机的调速方式，大致分为以下几种类型：

（1）改变转差率s调速，包括降低电源电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻等。

（2）改变旋转磁通势同步转速调速，包括改变定子绕组极对数、改变供电电源频率等。

（3）双馈调速，包括串极调速，属于改变理想空载转速的一种调速方法。

（4）利用转差离合器调速。

以上几种调速方式各有优缺点：

（1）変极调速只能成倍变化，是有极调速；

（2）改变定子端电压调速在低转速时，电动机效率低，温度升高；（3）串电阻

调速的缺点是效率低；（4）只有变频调速，可以比较好的克服这些缺点，它还具

备以下优点：

从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒

功率调速；调速范围大，转速稳定性好；运行时s小，效率高；频率f1可以连

续调节，变频调速为无极调速。

3.5变频调速及其控制策略

目前，异步电动机变频调速的常用策略大致有以下几种：

（1）转速开环恒压频比控制策略

已知交流动机的感电应电动势为：

（3-2）

式中，N为每相绕组匝数，kN1为基波绕组系数，若忽略定子绕组的阻抗压降，即认为U=E，则有：

（3-3）

分析式（