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MATLAB的异步电机特性仿真与分析终稿.docx

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.89M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    摘要
    Abstract
    目录
    引言
    1 异步电动机的概述
    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异步动电机的基本工作原理和运行特性
    1.3.1 基本工作原理
    1.3.2 三相异步电动机的工作特性
    2软件介绍及模型实现
    2.1 MATLAB简介
    2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用
    2.3模型实现
    3三相异步电机机械特性的仿真
    3.1机械特性的表达式
    3.1.1物理表达式
    3.1.2 参数表达式
    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
    3.3.1模型设计
    3.3.2 参数设置
    3.3.3仿真结果
    4 异步电机启动特性仿真
    4.1起动理论分析
    4.2起动的基本要求
    4.3　笼型异步电动机的起动方式
    4.3.1　直接起动
    4.3.2　降压起动
    4.3.3　定子绕组串电阻或串电抗降压起动
    4.3.4　自耦变压器降压起动
    4.3.5　星形-三角形（Ｙ-△）降压起动
    4.3.6　延边三角形降压起动
    4.4　笼型异步电动机的MATLAB仿真
    4.4.1　异步电动机直接起动仿真
    4.4.2　异步电动机定子串电抗起动仿真
    4.4.3　异步电动机自耦变压器降压起动仿真
    5 异步电机调速特性仿真
    5.1变极调速
    5.1.1变极原理
    5.1.2 变极调速仿真
    5.2 变频调速
    5.2.1变频调速原理及其机械特性
    5.2.2.基频以下变频调速
    5.2.3.基频以上变频调速
    5.2.4 变频调速仿真
    5.3调压调速
    6 三相异步电动机的制动特性仿真
    6.1 三相异步电动机的能耗制动
    6.1.1三相异步电动机的能耗制动特性
    6.1.2三相异步电动机能耗制动仿真模型
    6.1.3三相异步电动机能耗制动仿真结果
    6.2三相异步电动机的反接制动和回馈制动
    6.2.1反接制动
    6.2.2 回馈制动
    6.2.3反接制动和回馈制动仿真
    7 结论
    (2)、研究三相异步电动机的起动特性曲线，在MATLAB下的SIMULINK中绘制三相异步电动机起动
    致 谢
    参 考 文 献
    [1]异步电机.人民教育出版社, 1976.8
    [2]郭镇明.电力拖动基础.哈尔滨工程大学出版社,2008.5
    [3]异步电机原理：机电专业.上海机械学院出版社,1978.9
    [4]异步电机研究：电机试验参考书.高等教育出版社
    [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
    [6]海勒尔.异步电机中谐波磁场的作用.机械工业出版社, 1980.9
    [7]罗应立,梁艳萍.电机学.机械工业出版社,2008.5
    [8]王忠礼,段慧达.MATLAB应用技术——在电气工程与自动化专业中的应用. 华大学出版社,2007.1
    [9]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社，2006年
    [10]韩利竹,王华.MATLAB电子仿真与应用.国防工业出版社,2001.1
    [11]周品,赵新芳.MATLAB数学建模与仿真.国防工业出版社,2009
    [12]高成,赖志国.MATLAB图像处理及应用.国防工业出版社,2007
    *****大学毕业设计（论文）说明书 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。 全论文分为六个部分，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，从第三章到第六章则是对异步电动机的机械特性、 启动、调速、制动进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。 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，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。 关键词：异步电机 数学模型 MATLAB 仿真
    *****大学毕业设计（论文）说明书 Abstract Asynchronous motor with its simple structure, reliable operation, high efficiency, low cost, in everyday life are widely used. At present, the motor control system in pursuit of higher control precision on the basis of becomes more and more complex, and its simulation is an important tool in the study of. The MATLAB is an advanced mathematical analysis and calculation software, available action system modeling and simulation. On the analysis of the physics model and mathematics model of three-phase asynchronous motor based on MATLAB software application, resume the corresponding simulation model; in addition the same three-phase voltage and torque conditions, using the actual motor parameters, and MALAB given motor model were compared with simulation. The whole thesis is divided into six parts, the first chapter of the asynchronous motor application development of the MATLAB simulation software to be introduced, from the third chapter to the sixth chapter is on the mechanical characteristics of asynchronous motors, speed control, brake, start by theory analysis and simulation and the simulation results analysis of. the corresponding description, the second chapter of After analysis, show that the model built is reasonable. Therefore, the design will be based the three-phase asynchronous motor modeling and on the characteristics of MATLAB, simulation, and through the actual parameters of the motor, the model is validated. Key words: asynchronous motor. mathematical model. simulation of MATLAB
    *****大学毕业设计（论文）说明书 目录 摘要 引言 ......................................................................1 1 异步电动机的概述 ........................................................2 1.1 异步电动机的用途及分类 ............................................ 2 1.2 异步电动机的主要性能指标 .......................................... 2 1.3 异步动电机的基本工作原理和运行特性 ................................ 3 1.3.1 基本工作原理 .................................................3 1.3.2 三相异步电动机的工作特性 .....................................3 2 软件介绍及模型实现 ......................................................5 2.1 MATLAB 简介 ....................................................... 5 2.2 MATLAB 中的 SIMULINK 仿真模块的使用 ................................ 6 2.3 模型实现 .......................................................... 7 3 三相异步电机机械特性的仿真 ..............................................8 3.1 机械特性的表达式 .................................................. 8 3.1.1 物理表达式 ...................................................8 3.1.2 参数表达式 ...................................................9 3.2 固有机械特性与人为机械特性 ........................................ 9 3.3 基于 MATLAB 的异步电机机械特性仿真 ................................ 12 3.3.1 模型设计 ....................................................12 3.3.2 参数设置 ....................................................14 3.3.3 仿真结果 ....................................................16 4 异步电机启动特性仿真 ...................................................17 4.1 起动理论分析 ..................................................... 17 4.2 起动的基本要求 ................................................... 17 4.3 笼型异步电动机的起动方式 ......................................... 18 4.3.1 直接起动 ....................................................18 4.3.2 降压起动 ....................................................19 4.3.3 定子绕组串电阻或串电抗降压起动 ..............................19 4.3.4 自耦变压器降压起动 ..........................................22 4.3.5 星形-三角形（Ｙ-△）降压起动 ................................23 4.3.6 延边三角形降压起动 ..........................................24 4.4 笼型异步电动机的 MATLAB 仿真 ...................................... 25
    *****大学毕业设计（论文）说明书 4.4.1 异步电动机直接起动仿真 ......................................25 4.4.2 异步电动机定子串电抗起动仿真 ................................27 4.4.3 异步电动机自耦变压器降压起动仿真 ............................31 4.4.4 异步电动机变频起动仿真 ......................................32 5 异步电机调速特性仿真 ...................................................35 5.1 变极调速 ......................................................... 35 5.1.1 变极原理 ....................................................35 5.1.2 变极调速仿真 ................................................36 5.2 变频调速 ......................................................... 37 5.2.1 变频调速原理及其机械特性 ....................................37 5.2.2 基频以下变频调速 ............................................37 5.2.3 基频以上变频调速 ............................................38 5.2.4 变频调速仿真 ................................................39 5.3 调压调速 ......................................................... 41 6 三相异步电动机的制动特性仿真 ...........................................43 6.1 三相异步电动机的能耗制动 ......................................... 43 6.1.1 三相异步电动机的能耗制动特性 ................................43 6.1.2 三相异步电动机能耗制动仿真模型 ..............................44 6.1.3 三相异步电动机能耗制动仿真结果 ..............................45 6.2 三相异步电动机的反接制动和回馈制动 ............................... 45 6.2.1 反接制动 ....................................................45 6.2.2 回馈制动 ....................................................47 6.2.3 反接制动和回馈制动仿真 ......................................48 7 结论 ...................................................................49 致 谢 .................................................................50 参 考 文 献 ..............................................................51
    河南理工大学毕业设计（论文）说明书 引言 1985 年，由 Depenbrock 教授提出的直接转距控制理论将运动控制的发展向前推进 了一大步。接着 1987 年把它又推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将 交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需 要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模 型，强调对电机的转距进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接 转距控制从一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能 受到人们的普遍关注。 系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。建模可 以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案， 优化并确定系统参数。长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上， 即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编 制成计算机程序，并在计算机上运行。显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与 修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。近年来逐 渐被大家认识的 Matlab 语言则很好的解决了这个问题。 1
    河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 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 2
    河南理工大学毕业设计（论文）说明书 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和运行特性 1.3.1 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。 1.3.2 三相异步电动机的工作特性 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。 3
    河南理工大学毕业设计（论文）说明书 （1） 转差率特性 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 通常把同步转速n1和电动机转子转速 n 二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率， 气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率 s 为：s=n1−nn1 ；如果两者转向相反，则： s=n1+nn1 。式中的n1、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。 4
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