1、2013届电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化完成日期2013年6月10日石家庄铁道大学毕业设计SIMULATIONRESEARCHOFMOTORBASEDONMATLAB基于MATLAB的电机仿真研究毕业设计任务书题目基于MATLAB的电机仿真研究一、设计内容以MATLAB进行直流电机、交流电机异步电机和同步电机的起动、调速及制动的仿真，说明建模过程及仿真结果的分析。二、基本要求1了解MATLAB软件的基本功能及应用。2采用SIMULINK进行电机仿真建模。3能够实现不同电机的起动、调速及制动。4系统设计要完善合理。三、主要研究方法1学习掌握电机的内部结构和工作原理2学会使用MATLAB
2、的SIMULINK模块搭建仿真模型及M语言的编写3仿真实验，找到适合不同电机的仿真模型四、应收集的资料及参考文献1电机相关资料2MATLAB及在电子信息类课程中的应用3电力拖动相关资料4MATLAB电机仿真举例分析五、进度计划1第1周第3周查资料，确定系统总体设计方案，开题报告；2第5周第8周系统各部分设备选择；3第9周第11周完成控制系统设计；4第12周第13周完成设计说明书；5第14周第16周修改设计说明书，准备答辩。教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目基于MATLAB的电机仿真研究一、本课题的研究背景、国内外研究现状随着科学技术的发展，电机已经渗透到各行各业中去，成为满足人们日常
3、生活衣、食、住、行不可或缺的重要设备。同时，电机在世界各国综合国力的较量中起着决定性作用。如何生产出高性能的电机以及实现电机的合理控制正在逐渐成为重要的研究课题。经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。目前，电机研究的不断深入并且电机控制系统越来越复杂，仿真是对其进行研究的一个重要的、不可或缺的手段，而值得考虑的是采用何种软件才使得仿真方便、快速、准确和计算精确。SIMULINK软件已经成功在电机仿真研究中应用。虽然我国已经掌握电机的理论
4、，但是，中国电机起步较晚，工艺落后，各方面还不成熟。为了尽快在电机方向赶超国外，生产出高性能的电机设备就需要在仿真的帮助下不断实验、分析、改良，相信我国的电机会达到一个全新的高度。二、方法和手段为了实现不同种类电机的合理起动、调速、制动的SIMULINK仿真，首先需要分析电机的内部结构和工作原理，了解不同电机的工作特性以及工作场合。其次，对于MATLAB的学习至关重要，它是研究电机性能的工具，本设计主要包括MATLAB软件的基本介绍及应用，SIMULINK仿真用来对电机性能的分析，通过搭建不同种类电机的起动、调速、制动的模型，分析各模型电机的仿真曲线来找到对于不同种类、不同容量电机的快捷、安全
5、、节能的起动、调速和制动方法。三、预期结果能够分析电机的内部结构和运行原理，掌握MATLAB仿真软件的应用。完成不同种类电机多种起动、调速和制动模块的搭建，仿真出电机处于不同运行状态的曲线并对建模过程进行说明和仿真结果进行分析。通过对比分析，找到适合不同种类、不同容量电机的最快捷、安全、节能的起动、调速和制动方法。指导教师签字时间年月日摘要本设计是基于MATLAB的电动机仿真实验，要完成本毕业设计有几项准备工作首先需要学习解电动机的内部结构和工作原理，其次就是MATLAB软件的学习。对仿真模型的搭建需要用到SIMULINK模块，通过SIMULINK模块搭建出不同类型、不同容量电机的起动、调速和
6、制动模型，然后仿真出各参数的曲线。对电动机所做这些仿真对电机的研究发挥着重大意义。通过搭建模型来仿真电动机的起动、调速和制动过程曲线变化，第一、能够大大提高实验过程当中的安全性；第二、搭建仿真模型操作简单，修改各参数方便快捷，在今后电动机的改良及系统的设计中可以大大缩短设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案；第三、仿真结果通过SIMULINK模块当中示波器显示其曲线变化，这样可以更为直观的观察到各参数对电动机性能的影响，对电动机的研究带来了极大的方便。关键词电动机MATLABSIMULINK仿真ABSTRACTTHEDESIGNISELECTRICMACHINERYSIMULA
7、TIONEXPERIMENTBASEDONMATLABFIRSTLY,WESHOULDLEARNTOSTUDYTHEINTERNALSTRUCTUREANDPRINCIPLEOFOPERATIONOFTHEELECTRICMACHINERYSECONDLY,ITISTHELEARNINGOFTHEMATLABSOFTWARETOBUILDUPASIMULATIONMODELWENEEDTOUSETHESIMULINKMODULETOBUILDUPDIFFERENTTYPEANDCAPACITYMOTORSSTARTING,SPEEDREGULATIONANDBRAKINGMODULEBYSIM
8、ULINKMODULE,THENSIMULATETHECURVESOFTHEPARAMETERSTHESIMULATIONOFTHEMOTORPLAYSANIMPORTANTROLEINSTUDYINGTHEELECTRICMACHINERYBYBUILDINGUPTHEMODELSTOSIMULATETHEVARIETYOFTHEMOTORSSTARTING,SPEEDREGULATIONANDBRAKINGCURVESFIRSTLY,WECANGREATLYIMPROVETHESAFETYDURINGTHEPROCESSOFTHEEXPERIMENTSECONDLY,ITISEASYTOB
9、UILDUPASIMULATIONMODELANDCONVENIENTTOMODIFYTHEPARAMETERS,SOWECANGREATLYSHORTENTHEDESIGNCYCLEINTHEFUTUREMOTORIMPROVEMENTANDSYSTEMDESIGNANDITISPROPITIOUSTOSELECTOPTIMUMPARAMETERSANDDESIGNTHEMOSTREASONABLESYSTEMSCHEMETHIRDLY,THESIMULATIONRESULTSISUSEDBYOSCILLOSCOPEINSIMULINKMODULESTODISPLAYTHEIRSCURVES
10、VARIETY,INTHISWAYWECANINTUITIONISTICLYOBSERVETHEEFFECTSOFPARAMETERSONTHEPERFORMANCEOFTHEMOTORS,ITBRINGSGREATCONVENIENCEINMOTORRESEARCHKEYWORDSELECTRICMOTORMATLABSIMULINKSIMULATION目录第1章绪论111电机仿真的背景及意义112国内外研究现状113论文研究的主要内容2第2章MATLAB概述321MATLAB语言及特点322SIMULINK的应用4221简介4222功能4223特点5224启用5第3章变压器731变压器的基
11、本工作原理732变压器仿真9321变压器空载运行状态仿真9322变压器负载运行状态仿真12第4章三相异步电动机1441三相异步电动机工作原理1442三相异步电动机的起动17421三相异步电动机直接启动17422三相异步电动机降压启动1943三相异步电动机制动23431三相异步电动机自由制动仿真23432三相异步电动机能耗制动仿真25433三相异步电动机反接制动仿真2644三相异步电动机调速仿真27441三相异步电动机转子串电阻仿真28442三相异步电动机定子调压调速仿真29443三相异步电动机变频调速仿真30第5章三相同步电动机仿真3251三相同步电动机的基本工作原理3252三相同步电动机起动
12、仿真3353三相同步电动机能耗制动仿真3454三相同步电动机变频调速仿真36第6章直流电机3761直流电机的工作原理3762直流电动机启动仿真39621他励直流电动机直接启动仿真39622他励直流电动机分级启动仿真4063直流电动机制动仿真42631直流电动机能耗制动仿真42632直流电动机反接制动仿真4364直流电动机调速仿真45641直流电动机改变电枢电压调速仿真45642直流电动机减弱磁通调速仿真46第7章结论4871结论48参考文献49致谢50附录A外文资料翻译51A1英文51A2译文59石家庄铁道大学毕业设计1第1章绪论11电机仿真的背景及意义随着科学技术的发展，电机已经渗透到各行各
13、业中去，成为满足人们日常生活衣、食、住、行不可或缺的重要设备。同时，电机在世界各国综合国力的较量中起着决定性作用。如何生产出高性能的电机以及实现电机的合理控制正在逐渐成为重要的研究课题。经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。目前，电机研究的不断深入并且电机控制系统越来越复杂，仿真是对其进行研究的一个重要的、不可或缺的手段，而值得考虑的是采用何种软件才使得仿真方便、快速、准确和计算精确。MATLAB软件已经成功在电机仿真研究中应用。电机仿
14、真对电机研究有重大意义1能够大大提高实验过程当中的安全性；2搭建仿真模型操作简单，修改各参数方便快捷，在今后电动机的改良及系统的设计中可以大大缩短设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案；3仿真结果通过SIMULINK模块当中示波器显示其曲线变化，这样可以更为直观的观察到各参数对电动机性能的影响，对电动机的研究带来了极大的方便。12国内外研究现状我国电机工业体系是从新中国成立后建立的。建国后，电机制造工业得到迅猛发展，从初期的仿制到自行设计再到研发创新，经过60多年的发展，已建立了全国性的研究实验基地，培养了一大批从事研究、制造电机的专家和工程技术人员，有了统一的国家标准和系列产
15、品。然而，与国外相比，中国的电机发展还相对落后。国外电机发展起步早、发展迅速，我国抓住第二次工业革命的机遇正在赶超国外。总体来讲，电机的理论已经趋于成熟，现在国内外正在电机系统设计与新型材料研制方面进行着新一轮的竞争。而电机仿真就是在这种背景下产生的。电机仿真在电机的研究中有着诸多优点，仿真也在各行各业中发挥着越来越重要的作用。石家庄铁道大学毕业设计213论文研究的主要内容本设计是基于MATLAB的电机仿真实验，它所包含的主要内容有1需要学习了解电机的内部结构和工作原理；2对MATLAB软件进行学习；3对电机不同仿真模型进行搭建；4对搭建模型进行说明并且对比分析仿真曲线的特性。对仿真模型的搭建
16、需要用到SIMULINK模块，通过SIMULINK模块搭建出不同类型、不同容量电机的起动、调速和制动模型，然后仿真出各参数的曲线，并通过对各曲线的波形对比分析讨论不同类型、不同容量电机的起动、调速和制动的优缺点，从而找到适合于不同应用电机的起动、调速与制动方法，使电机工作在最佳的状态。这样在今后电动机的改良及系统的设计中可以大大缩短设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案。石家庄铁道大学毕业设计3第2章MATLAB概述21MATLAB语言及特点MATLAB是由美国MATHWORKS公司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。它将数据分析、矩阵计算、科学数
17、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语言是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。它集成度高，使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易由用户自行扩展。与其他计算机语言相比，MATLAB有许多特点。1MATLAB是一种解释性语言MATLAB以解释方式工作，输入算式立即得出结果，无需编译，对每条语句解释后立即执行。若有错误也立即做出反应
18、，便于编程者马上改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。2变量的“多功能性”每个变量代表一个矩阵，它可以有NM个元素；每个元素都看成复数，这个特点在其他语言中也是不多见的；矩阵的行数、列数无需定义，MATLAB会根据用户输入的数据形式，自动决定一个矩阵的阶数，而在用其他语言编辑时必须定义矩阵的阶数。3运算符号的“多功能性”所有的运算，包括加、减、乘、除、函数运算都对矩阵和复数有效。4语言规则与笔算式相似MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此易写易读，易于在科技人员之间交流。5强大而简易的作图功能能根据输入数据自动确定坐标绘图；能规定多种坐标极坐标、对数坐标等绘图；能绘制三维坐标中的
19、曲线和曲面；石家庄铁道大学毕业设计4可设置不同颜色、线型、视角等。如果数据齐全，往往只需一条命令即可给出相应的图形。6智能化程度高绘图时自动选择最佳坐标，以及按输入和输出变元数自动选择算法等；做数值分析时自动按精度选择步长；自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。7功能丰富，可扩展性强MATLAB软件包括基本部分和专业扩展部分。基本部分包括矩阵的运算和各种变换，代数和超越方程的求解，数据处理和傅里叶变换及数据积分等，可以满足大学理工科计算的需要。扩展部分称为工具箱TOOLBOX。它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用于解决某一个方面的专门问题，或某一领域的新算法。现在已经有
20、控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等20余个工具箱，并且还在继续发展中。MATLAB由于其强大的功能，在欧美等国家的一些大学里，MATLAB已经成为诸如数字信号处理、自动控制理论等课程的主要工具软件，同时也是理工科本科生、研究生必须掌握的一项基本技能。近年来，随着我国教育事业的不断发展及与国外著名高校的接轨，许多高校都开设了这门课程，MATLAB这一功能强大的软件逐渐被越来越多的人了解和使用1。22SIMULINK的应用221简介SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而
21、只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK1。222功能SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时石家庄铁道大学毕业设计5间、离散采样时间或两种混合的采样时
22、间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执
23、行、验证和确认任务的相应工具。SIMULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义1。223特点1丰富的可扩充的预定义模块库；2交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；3以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；4通过MODELEXPLORER导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；5提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；6使用EMBEDDEDMATLAB模块在SIMULINK和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；7使用定
24、步长或变步长运行仿真，根据仿真模式NORMAL,ACCELERATOR,RAPIDACCELERATOR来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；8图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；9可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；10模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。224启用1在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK结果是在桌面上出现一个称为SIMULINKLIBRARYBROWSER的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。石家庄铁道大学毕业设计6当然用户也可以通过MAT
25、LAB主窗口的快捷按钮来打开SIMULINKLIBRARYBROWSER窗口。2在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK3结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的LIBRARYSIMULINK3的SIMULINK模块库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口1。石家庄铁道大学毕业设计7第3章变压器31变压器的基本工作原理单相变压器的基本工作原理示意图如图31所示，在同一铁心上分别绕有匝数为1N和2N的两个高、低压绕组，其中接电源的，从电网吸收电能的AX绕组称为一次绕组，接负载的，向外电路输出
26、电能的AX绕组称为二次绕组。U12AX1E2E1N2NMUI12IAX图31单相变压器工作原理示意图当一次绕组外加电压1U时，二次侧就有电流1I流过，并在铁心中产生与1U同频率的交变主磁M，主磁通同时链绕一、二次绕组，根据电磁感应定律，会在一、二次绕组中产生感应电动势1E、2E，二次侧在2E的作用下产生负载电流2I,向负载输出电能2。根据电磁感应定律有1E1NDTD2E2NDTD21EE21NNK式中，1E一次侧感应电动势V；1N一次侧线圈匝数匝；主磁通强度WB；T磁通变化时间S；2E二次侧感应电动势V；1E一次侧感应电动势V；313233石家庄铁道大学毕业设计82E二次侧感应电动势V；2N二
27、次侧线圈匝数匝；K变压器电压比；如果忽略变压器一、二次绕组内阻和漏磁通，一、二次绕组端电压可近似为1U1E2U2E21UU21EE21NNK式中，1E一次侧感应电动势V；1N一次侧线圈匝数匝；1U一次侧端电压V；2U二次侧端电压V；2E二次侧感应电动势V；1E一次侧感应电动势V；2E二次侧感应电动势V；2N二次侧线圈匝数匝；K变压器电压比；可见，只要改变一、二次绕组匝数之比，就可变换电压，满足不同用户的需求，这就是变压器的基本工作原理。变压器的参数有励磁参数和短路参数，只有这些参数已知，才能运用基本方程、等效电路或向量图求解各量。对制造好的变压器，其参数可通过试验测得。343635石家庄铁道大
28、学毕业设计932变压器仿真321变压器空载运行状态仿真通过空载试验可得励磁参数、电压比和铁损等数据。变压器空载试验接线图如图32所示。VVAWVAAWVAB图32变压器空载试验接线图A单相变压器B三相变压器为了便于测量和安全，空载试验一般在二次侧做，即在低压绕组AX上加电压UN2,高压绕组AX开路，测量电压U2、空载电流I20、输入功率P0和开路电压U10。因变压器空载时无功率输出，所以输入的功率全部消耗在变压器的内部，为铁芯损耗PFE和空载铜耗220IR2之和，但空载电流I20很小，PFE220IR2，故可忽略空载铜耗，认为P0PFE220IR2。根据测得的空载试验数据可计算三相变压器的参数
29、3。变压器变比为K12NN102UUN式中，1N一次侧线圈匝数匝；10U一次侧空载电压V；NU2二次侧额定电压V；2N二次侧线圈匝数匝；K变压器电压比；空载阻抗为0Z202IUN式中，0Z空载阻抗；NU2二次侧额定电压V；20I二次侧空载电流A；3738石家庄铁道大学毕业设计10空载电阻为R02200IP39式中，0R空载电阻；0P空载功率W；20I二次侧空载电流A；其中，Z0Z1ZM；R0R1RM。因ZMZ1，RM1R,可认为励磁阻抗为ZM0Z202IUN式中，MZ励磁阻抗；0Z空载阻抗；NU2二次侧额定电压V；20I二次侧空载电流A；励磁电阻为MRR02200IP311式中，MR励磁电阻；
30、0R空载电阻；0P空载功率W；20I二次侧空载电流A；励磁电抗为MX22MMRZ312式中，MR励磁电阻；MZ励磁阻抗；MX励磁电抗；由于空载试验在低压侧做，计算所得的励磁参数是低压侧的值，如需折算到高压侧各计算值应乘以K2，还应注意，励磁参数随电压的大小而变化，计算时要取额定电压下的数据。对于三相变压器，测得的功率是三相的，而励磁参数是指每一相的，故在计算时应将三相功率除以3，即取一相功率计算，同时应将测得的线值数据转换成相值数据。实例某单相变压器UN1/UN2220V/110V,SN1KVA,建立该变压器仿真模型，310石家庄铁道大学毕业设计11仿真显示该变压器空载运行时一、二次电压和电流
31、波形4。建模此模型一次侧电源选取ACVOLTAGESOURCE，额定值设为220V；单相变压器选取SATURABLETRANSFORMER；二次侧空载；示波器显示波形依次为一次侧电压、一次侧电流、二次侧电压、二次侧电流如图33所示。图33变压器空载仿真模型单相变压器空载运行仿真结果如图34所示图34变压器空载仿真结果结果分析一次侧电压为电源电压波形正弦波、峰值为2202、频率为50HZ；石家庄铁道大学毕业设计12一次侧电流由NU1/R计算所得正弦波、频率为50HZ；二次侧电压由式37计算所得正弦波、频率50HZ；由于为空载试验，二次侧没有闭合回路，电流为0。322变压器负载运行状态仿真实例某单
32、相变压器，其额定参数为额定容量SN10KVA，额定频率FN50HZ,额定电压NU1/NU2380V/220V,一次绕组漏阻抗1Z014J022,二次绕组漏阻抗2Z0035J0055，励磁阻抗MZ30J310，负载阻抗LZ4J3，试用SIMULINK建立仿真模型，计算当一次侧加额定电压时，一、二次侧的实际电流、励磁电流及二次侧的电压4。建模一次侧电源选取ACVOLTAGESOURCE，额定值设为220V；变压器选择LINERTRANSFORMER；由DISPLAY模块显示仿真结果DISPLAY1显示二次侧电流有效值、DISPLAY2显示一次侧电流有效值、DISPLAY显示二次侧电压有效值、DIS
33、PLAY3显示励磁电流有效值，模块前串入RMS模块以输出有效值，如图35所示图35变压器负载仿真结果结果分析用“T”形等效电路计算KNNUU21220380173一次额定电流为NI1NNUS138010103A2632A二次侧额定电流为NI2NNUS222010103A4545A用“T”形等效电路求解，二次侧折算到一次侧的参数为石家庄铁道大学毕业设计13Z1ZLMLMZZZZZZ221151J94665149039436取参考向量为3800V，则所求各电流为1IZU1436399140380255039436A1E1U1I1Z373680317VMIMZ1E12084789A即一次电流1I25
34、50A,二次电流4268A,励磁电流MI120A，二次电压2U2ILZ21340V。石家庄铁道大学毕业设计14第4章三相异步电动机41三相异步电动机工作原理异步电动机定子相数有单相、三相两类。三相异步电动机转子结构有笼型和绕线式两种，单相异步电机转子都是笼型。异步电机主要由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，定、转子之间有气隙，在定子两端有端盖支撑转子。当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速取决于电网频率和绕组的极对数，即N1PF16041式中，N1转子转速R/MIN；1F电网频率HZ；P绕组极对数；这个
35、基波旋转磁场在短路的转子绕组若是笼型绕组则其本身就是短路的，若是绕线式转子则通过电刷短路中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。由于这种电磁转矩的性质与转速大小相关，下面将分三个不同的转速范围来进行讨论5。转差率为同步转速N1与转子转速N之差N1N对同步转速N1之比值，以S表示，即S11NNN42式中，S转差率；1N同步转速R/MIN；N转子转速R/MIN；当异步电动机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载的变化而变动。按转差率的正负、大小，异步电机可分为电动机、发电机、
36、电磁制动三种运行状态，如图41所示。石家庄铁道大学毕业设计15NSTEMN1TEMNSNABC图41异步电机的三种运行状态A电动机状态B发电机状态C电磁制动状态1电动机状态当01N、S1。此时转子导体中的感应电动势、电流与在电动机状态下的相同，N极下导体电流方向为；转子转向与旋转磁场方向相反，电磁转矩表现为制动转矩。此时电机运行于电磁制动状态，即由转轴从原动机输入机械功率的同时又从电网吸收电功率因导体中电流方向与电动机状态相同，两者都变成了电机内部的损耗。石家庄铁道大学毕业设计16当涉及到计算时，常常会用到等效电路来简化计算空载等效电路如图42所示U11R1JXMRMJX1E0I图42异步电机
37、空载等效电路异步电机的T型等效电路如图43所示1I1R1X2RMXMR0I2X2IU1SS12R1E2E图43异步电机T型等效电路异步电机的型等效电路如图44所示石家庄铁道大学毕业设计171I1R1X2RMXMR0I2X2IU1SS12R图44异步电机型等效电路42三相异步电动机的起动当异步电动机直接投入电网启动时，在T0，S1。异步电动机对电网呈现短路阻抗KZ，流过它的稳态电流称为启动电流。一般笼型异步电动机KZ014025,在额定电压1U1下直接启动，STI47，则启动电流倍数为IKNSTII4743式中，IK起动电流倍数；STI起动电流A；NI额定电流A；而启动转矩倍数STK0913。虽
38、然启动电流很大，而启动转矩并不大。启动电流大还会造成如下影响一方面使电源电压在电动机启动时下降，特别是电源容量较小时电压下降更大；另一方面大的启动电流会在线路和电机内部产生损耗而引起发热。起动转矩必须大于负载转矩才可能启动，启动转矩越大，加速越快，启动时间越短。异步电动机在启动时，电网对异步电动机的要求与负载对它的要求往往是矛盾的。电网从减少它所承受的冲击电流出发，要求异步电动机启动电流尽可能小，但太小的启动电流所产生的启动转矩又不足以启动负载；而负载要求启动转矩尽可能大，以缩短启动时间，但大的启动转矩伴随着大的启动电流又可能不为电网所接受。下面讨论适合于不同电机容量、负载性质而采用的启动方法
39、6。421三相异步电动机直接启动石家庄铁道大学毕业设计18直接启动适用于小容量电机带轻载的情况，启动时，将定子绕组直接接到额定电压的电网上。对于额定电压为380V的电机而言，当NP75KW时，可以直接启动。实例某台三相四极笼型异步电动机技术参数额定功率NP10KW，额定电压NU1380V连接，定子每相电阻1R133，每项漏抗1X245，转子每相电阻折算值/2R112，每相漏抗折算值/2X44，励磁电阻MR7，励磁漏抗MX90，电动机的转动惯量J00747KG2M，电动机带载启动，负载转矩为30NM。用SIMULINK仿真定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线7。建模模型中采用了三个独立的单相
40、交流电压模块组成三相交流电源；用三相交流电压和电流测量模块测量三相交流电路的电压和电流；用电动机测量模块接示波器显示直接启动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线；用三相断路器控制三相电源的投入时间；异步电机采用位于POWERSYSTEM库中的异步电动机模块。仿真模型如图45所示图45异步电机直接启动仿真模型仿真结果如图46所示石家庄铁道大学毕业设计19图46异步电机直接启动仿真结果结果分析从上面波形图可以看出，直接起动时，起动过程在18秒左右结束，起动速度较快。因为负载很小，所以转速非常接近同步转速1500MIN/R，转速上升速度快。定子电流波形和转子电流波形呈现较大的振荡，起动后电
41、流降至正常工作电流。启动负载较小，异步电机在直接起动过程中的起动定子电流最大约为25A。422三相异步电动机降压启动如表41所示为不同降压启动方法的比较。表41各种降压启动方法的比较降压方法XU/NUSTI/STNISTT/STNT启动设备串电抗电阻1/A1/A1/2A较贵Y启动器1/31/31/3最便宜，只限于定子接的电动机自耦变压器1/A可调1/2A1/2A最贵，三个抽头可调1三相异步电动机定子串电阻启动仿真实例异步电动机模块选用预设模型20，观察整个启动过程，示波器显示启动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线7。建模定子侧增加了与断路器并联的外串三相对称启动电阻，起动时串入启动
42、电阻，设其值为03，待异步电动机启动完毕后切除外串的起动电阻，即将断路器接石家庄铁道大学毕业设计20通。可设断路器在08S时刻投入，设电动机带载启动，负载转矩为30NM。仿真模型如图47所示图47异步电机定子串电阻启动仿真模型仿真结果如图48所示图48异步电机定子串电阻启动仿真结果结果分析08S以前电机定子串入电阻，由于电阻的分压，施加到电机的电压未达到全压，定子电流与转子电流呈现较大波动，转速持续上升，转矩波动较小；08S之后，断路器闭合，电机投入全压运行，各参数波形呈现波动，大约13S之后电机达到稳定运行，转速达到额定转速1500R/MIN，转矩达到30NM。与直接起动相比，定子串电阻启动
43、降低了启动电流，减小了对电机的冲击，但启动时间有所延长。石家庄铁道大学毕业设计212三相异步电动机定子串电抗起动仿真实例异步电动机模块选用预设模型20，设串入的每项电抗值L0001H，电动机带载起动，负载转矩为30NM，观察整个起动过程，示波器显示起动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线7。建模此模型与定子串电阻启动相似，可设断路器在18S时刻投入，在18S之前，电机未投入到全压运行，待异步电动机起动完毕后切除外串的起动电抗，即将断路器接通，电机投入到全压运行。仿真模型如图49所示图49异步电机定子串电抗启动仿真模型仿真结果如图410所示图410异步电机定子串电抗启动仿真结果石家庄铁
44、道大学毕业设计22结果分析08S以前电机定子串入电抗，由于电抗的分压，施加到电机的电压未达到全压，定子电流与转子电流呈现较大波动，转速持续上升，转矩波动较小；08S之后，断路器闭合，电机投入全压运行，各参数波形呈现波动，大约15S之后电机达到稳定运行，转速达到额定转速1500R/MIN，转矩达到30NM。与直接起动相比，定子串电抗启动降低了启动电流，减小了对电机的冲击，但启动时间有所延长。3三相绕线转子异步电动机转子串电阻起动仿真实例已知某台三相四极绕线转子异步电动机技术参数额定功率PN11KW,额定电压NU1380V联结，定子每相电阻1R04，每相漏抗1X1，转子每相电阻折算值2R04，每相
45、漏抗折算值2X1，励磁电阻MR忽略，励磁漏抗MX40，电动机的转动惯量J0089KG2M,设摩擦系数F0，电动机带载启动，负载转矩为72NM。用MATLAB仿真观察整个起动过程，示波器显示起动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线7。建模模型选取相应的电机模型，设置好参数；转子通过起动电阻闭合，起动时串入启动电阻参数设定为05，待异步电动机起动完毕后切除外串的起动电阻，即将断路器接通，可设断路器在06S时刻投入。仿真模型如图411所示图411异步电机转子串电阻启动仿真模型仿真结果如图412所示石家庄铁道大学毕业设计23图412异步电机转子串电阻启动仿真结果结果分析由波形可见，转子串入电
46、阻启动时，转速持续上升，定子电流、转子电流与转矩均有较大幅度波动，约在025S时刻达到稳定状态，由于未投入全压运行，转速未达到额定转速1500R/MIN，转矩达到负载转矩；到06S时，断路器接通，电机投入到全压运行，转速达到1500R/MIN，定子电流、转子电流与转矩均有小幅度波动然后约在08S时达到稳定状态。与直接起动相比，起动电流有明显降低，但与此同时起动时间也大大延长。43三相异步电动机制动异步电动机的制动包括反接制动、反向回馈制动、能耗制动。431三相异步电动机自由制动仿真实例用SIMULINK建立三相异步电动机自由制动仿真模型，观察整个制动过程，示波器显示自由停车过程的定子电流、转子
47、电流、转速和转矩的变化曲线。建模仿真开始瞬间应使三相交流电源处在接通状态，电动机稳定运行后，在T05S时刻自由停车，自由停车瞬间设置三相交流电源断路器断开，电机在惯性作用下继续旋转一段时间后停车。仿真模型如图413所示石家庄铁道大学毕业设计24图413异步电机自由制动仿真模型仿真结果如图414所示图414异步电机自由制动仿真结果结果分析自由停车是最简单的停车方式，在切除电源后电机在自身摩擦及负载作用下停止旋转，因此，它的制动时间主要由负载大小所决定。本例中，断电瞬间转子电流与转矩瞬间变为0，由于惯性作用转速不能突变，约在1S时，电机停止转动，制动结束。石家庄铁道大学毕业设计25432三相异步电
48、动机能耗制动仿真实例用SIMULINK建立三相异步电动机能耗制动仿真模型，观察整个制动过程，示波器显示能耗制动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线。建模在自由制动的基础上在A、B两相间增加了一串联电阻，在切除电源同时通过一个单相断路器将电阻串入电机定子，来实现能耗制动。制动过程设置在1S时刻进行。仿真模型如图415所示图415异步电机能耗制动仿真模型仿真结果如图416所示图416异步电机能耗制动仿真结果石家庄铁道大学毕业设计26结果分析由于在定子间串入了电阻，电机由于惯性继续转动过程中转子继续切割磁力线产生电流，定子存在回路，感应出的电能消耗在串入的电阻值之中，将机械能转化为电能消耗
49、在电机内部。由仿真结果可见，在制动瞬间定子电流、转子电流与转矩有小幅度波动，而转速下降速度相比自由停车过程明显加快，因此能耗制动有效的缩短了制动时间，提高了电机效率。433三相异步电动机反接制动仿真实例用SIMULINK建立三相异步电动机反接制动仿真模型，观察整个制动过程，示波器显示反接制动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线。建模模型中使用了两个三相短路器控制介入异步电动机定子三相绕组的电流相序，以实现反接制动。在电机稳定运行的情况下，在T1S时刻进行能耗制动，THREEPHASEBREAK1断开，THREEPHASEBREAK接通，将B、C两相电源反接来实现能耗制动。仿真模型如图417所示图417异步电机反接制动仿真模型仿真结果如图418所示石家庄铁道大学毕业设计27图418异步电机反接制动仿真结果结果分析反接制动是将定子的任意两相接头调换，使定子内部产生与原方向相反的交变磁场此例中为B、C两相，反接后的磁场由于电磁感应产生与原转速相反的电磁转矩使转速降低；但是必须要在转速为0时切除电源，否则电机将方向启动运行，磁力就仿真出反转效果。由仿真结果可以看出，反接制动能够在极短的
