三相异步电动机Matlab仿真...doc

中国石油大学胜利学院

综合课程设计总结报告

题 目：三相异步电机直接启动特性实验模型

学生姓名： 潘伟鹏
系 别： 机械与电气工程系
专业年级： 2012级电气工程专业专升本2班
指导教师： 王 铭

2013年 6 月 27日

一、设计任务与要求
普通异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条的使用寿命。但在电网条件和工艺条件允许的情况下，异步电动机也可以直接启动。本次课程设计通过MATLAB软件建模模拟三相异步电动机直接启动时的各个元器件上的电量变化。
参考：
电力系统matlab仿真类书籍
电机类教材
二、方案设计与论证
三相异步电动机直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。
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：
（1-1）
式中——转矩常数
——每级下磁通
——转子功率因数
式(1-1)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，
（1-2）
（1-3）
将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：

（1-4）
一：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。
M
0

n
图1-1 三相异步电动机机械特性
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1-1所示。
5.

由上述公式可得三相异步电动机直接起动时，起动电流较大，可达额定电流的 5～7 倍，同时会引起电网电压波动，该方法只适合于小容量轻负载的异步电
动机的起动。
二：异步电动机直接启动的电路图如图1-2：

图1-2
三、电路设计与参数计算
MATLAB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 语言具有以下特点： 1功能强大、2界面友好、编程效率高 3扩展性强
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)。

1、仿真电路设计和参数
应用MatLab/simulink 建立三相异步电动机直接起动仿真模型如图1 所示。主要包括三相异步电动机模块（Asynchronous Machine）、电源模块（Power Source）、选择器模块（Selector）和测量模块（Machinemeasurement）等 。其中，异步电机模块参数设置如下：Pn =110 KW，Un =400 V，fn =50 Hz, Un =1 487 r/min, 定子电阻 Rs=0.02155Ω，定子电感 Ls=0.000 226H，转子电阻 Rr=0.012 31Ω，转子电感 Ls=0.000 226H，漏抗X1+X’2=0.254Ω,励磁互感 L m=0.010 38H，转动惯量 J=2.3kg·m，摩擦系数F=0.05421N·m·s，极对数 p=2。
2、原理图（含仿真模块名称与型号）

图2三相异步电动机直接起动模型
3、元件清单
元件
序号
元件
符号
元件
型号
主要参数
数量
备注
1
U
3-Phase
Programmable
Voltage Source
400v
1

2
M
Asynchronous Machine
SI Units

110kw 400v
1

3
V
Voltage Measurement

1

4

Constant

500
1

5

Machines
Measurement
Demux

1

6

Selector

ia
2

7

Scope

2

8

Gain

10

四、仿真过程与仿真结果
转子电流

定子电流

转速

机械转矩
根据原件清单使用matalab6.5连线仿真结果如下

五、调试优化
转子电流

定子电流

转速

机械转矩
（1）静态调试图如下，负载为零时。

（2）动态调试图，带负载运行时
转子电流

定子电流

转速

机械转矩

六、仿真正确性验证
(1)转子电流验证
带入上述已知参数，利用M语言程序画出如下的转速与转子电流特性图；可得电流与转速的曲线关系Y/X(转子电流（A）/转速（r/min）)：

由上图曲线变化可得知电流随转速的增加而下降，异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，当转速达到1500r/min时电流大约为300A,经过验证所得结果与理论值相同。
（2）机械转矩验证

将电机参数和数据代入电磁转矩公式，利用M语言程序画出如下的转速与机械转矩特性图；Y/X(转速/机械转矩)

由图可知电机刚启动时起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上，与仿真图相符。
七、 结论与心得
经过两个个星期的学习与仿真，使我在整个电机设计过程中，学到了不少东西，更深一步掌握了MatLab在电机电路设计的原理，深入了解了我们专业的基础课程。
本次的实验目的是通过解决比较简单的实际问题，巩固和加深在《电机学》课程中所学的理论知识和实验技能。训练学生综合运用学过的电机及拖动
基础知识，在教师指导下完成查找资料，选择、论证方案，科学实验，分析结果等工作，通过理论联系实际提高和培养学生分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后的工作打下一定的基础。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己动手操作的能力。与此同时，也培养了我们的团队精神，有助于我们更快的适应社会，适应工作。我相信通过这次课程设计会给我以后的学习生活中更大的帮助。最后感谢在这次训练中给予我帮助的的老师和同学。

八、参考文献
[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].4版.北京：机械工业出版社，2007
[2] 李维，matlab在电气中的应用.北京：中国电力出版社，2007
[3] 汤蕴缪.电机学[M].北京：机械工业出版社，2000.
[4] 刘启新，电机与拖动基础 北京 中国电力出版社，2007.2
[5] 唐孝镐.实心砖子异步电机及其应用.机械工业出版社，1991.3

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