1、毕业设计说明书(论文)作 者 :学 号：系 ：专 业 : 电气工程及其自动化题 目 : 交流异步电机拖动系统仿真分析 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)年 5 月副教授 讲师毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 交 流 异 步 电 机 拖 动 系 统 仿 真 分 析 综合成绩： 指导者评语：指导者(签字) ： 年 月 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语评阅者评语：评阅者( 签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人( 签字)： 年 月 日毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中
2、文 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，且对 MATLAB 仿真软件做了一定的介绍，第二章介绍了异步电机的特性并
3、对其机械特性进行了仿真与分析，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 仿真毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The analysis and simulation of drive system of AC asynchronous motor AbstractAsynchronous motor wit
4、h 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 a
5、n 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 sa
6、me 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 corresponding description, the second chap
7、ter 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.After analysis, show that the model bu
8、ilt is reasonable. Therefore, the design will be based on the characteristics of MATLAB, the three-phase asynchronous motor modeling and simulation, and through the actual parameters of the motor, the model is validated.Keywords asynchronous motor mathematical model MATLAB simulation本 科 毕 业 设 计 说 明
9、书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 33 页目 次1 绪论 .11.1 异步电机的用途和研究意义 .11.2 异步电机的工作原理 .21.3 软件介绍 .21.4 本课题主要工作 .32 三相异步电机机械特性仿真 .42.1 机械特性表达式 .42.2 固有机械特性和人为机械特性 .62.3 基于 MATLAB 的异步电机机械特性仿真 83 异步电机起动特性仿真 113.1 三相异步电机直接起动仿真 113.2 三相异步电机串电抗器起动仿真 123.3 三相异步电机变压器起动仿真 133.4 三相异步电机转子绕组串电阻起动仿真 154 三相异步电机调速特性仿真 174.1 三相异步电机调压调速
10、仿真 174.2 三相异步电机变频调速仿真 194.3 三相异步电机转子绕组串电阻调速仿真 205 三相异步电机反转仿真 226 三相异步电机制动特性仿真 246.1 三相异步电机自然制动仿真 246.2 三相异步电机能耗制动仿真 256.3 三相异步电机反接制动仿真 286.4 三相异步电机反馈制动仿真 29结 论 .31致 谢 .32参 考 文 献 33本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 33 页1 绪论交流异步电机，是转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个电磁力矩，从而转子转动，实现机电能量转换为机械能量的电力拖动装置。根据异步电机的动态仿真模型
11、，利用 Matlab，Simulink 软件对模型进行仿真，并研究其仿真结果，从而理解异步电机的特性。1.1 异步电机的用途和研究意义异步电机主要用作电动机，具有较高的运行效率与较好的工作特性。在机械、石油、冶金、煤炭、航空等行业及日常生活中有广泛的应用，起着不可或缺的作用。异步电机能从空载到满载范围内接近恒速运行，可以满足大多数工农业生产机械的拖动要求。异步电动机也便于派生成各种防护形式，来适应不同环境条件的需求。随着电力电子器件和交流变频调速技术的迅猛发展，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已经能与直流调速系统相媲美，而且维护简便，所以应用愈来愈广泛。其局限性是
12、转速和旋转磁场的同步转速存在固定的转差率，所以调速性能较差，在有较宽广的平滑调速范围需求的使用场合中使用时，不如直流电动机经济、方便。因此异步电动机的设计和生产中，标准化、系列化、通用化特别重要。异步电动机技术不断发展和完善，现今研究的意义和目的是：新材料的应用，更加节能，降低启动电流，调速，过载能力，大电机的保护，提高效率等。1.2 异步电机的工作原理异步电动机的结构主要由两个基本部分组成，定子是静止部分，转子是旋转部分，定子和转子间有一定的空隙。电动机工作原理是根据电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等得出的。异步电动机定子上有三相对称的交流绕组,三相对称交流绕组通入三相对称交流
13、电流时，将在电机气隙空间中产生旋转磁场,转子绕组导体处于旋本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 33 页转磁场中, 转子导体切割磁极的磁力线，并产生感应电势，利用右手定则可判断感应电势方向。 转子导体通过端环自成闭路，于是转子中产生感应电流。 感应电流与旋转磁极的磁场相互作用产生电磁力，利用左手定则可判断电磁力的方向。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 33 页电磁力作用在转子上进而产生电磁转矩，转子就旋转起来。1.3 软件介绍1.3.1 MATLAB 简介自八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统研究和设计的有利工具。计
14、算机仿真技术的应用，使我们可以利用该软件建立电机及其驱动控制、仿真模型，并用该模型在计算机环境下的模拟实验进行研究，而不是真正的电机在实际情况中运行，这样做不仅能获得可靠的数据，且节省了时间和成本。MATLAB 语言工程的使用简单，是美国 MathWorks 公司在 1984 推出的软件，它是基于矩阵运算，将计算，可视化，程序设计集成到一个互动的工作环境，可以实现工程计算，算法研究，建模和仿真，数据分析和可视化，科学工程制图，应用开发（包括图形用户界面的设置）等，此外，MATLAB 工具箱为各行各业的用户提供了丰富的资源。MATLAB 语言具有以下特点：（1）强大的功能：MATLAB 不仅用于
15、数值和符号计算，而且计算结果的可视化和数据分析也有其他同类软件不可比拟的优越性。此外，MATLAB 笔记本给用户提供了统一的处理函数的数学和文字，Matlab 的 Simulink 功能将延伸到仿真领域，在各行各业中得到应用。不仅如此，公司也推出了是和各行各业的MATLAB 工具箱。（2）友好的人机界面，编程效率高：基于矩阵计算的程序设计语言，其指令表达的数学表达式和标准教科书非常接近。用户不需要太高的计算机编程基础，只要按照输入表达式的规定计算，MATLAB 会为用户提供计算结果。此外，语言设计程序的使用，编译和执行比 C 语言程序这种传统的设计更快，可以说，在编译器工程计算的效率上 MAT
16、LAB 比其他语言更高。（3）可扩展性：MATLAB 的一个重要特征是它的可扩展性，这一特点使应用程序允许用户自由地发展自己，多年来，许多使用 MATLAB 的数学家，工程师和科学家们已经开发出许多不同的应用领域中的应用。matlab 的这些特点使它在应用学科，尤其是边缘学科和交叉学科的非常强大的适应能力，并很快成为一个不可或缺的应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以及教学的基本软件。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 33 页1.3.2 MATLAB 中的 SIMULINK 仿真模块的使用在 MATLAB 的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，就会出现一个SI
17、MULINK 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)。 每个子模块库里包含同类型的标准模型，这些模块可直接用于建立系统的Simulink 框图模型。模型窗口用来建立系统的仿真模型。只有先建立一个空白的模型窗口，才能将模块库的相应模块复制到该窗口，通过必要的连接，建立起 Simulink 仿真模型。在 Simulink 模型窗口内，用鼠标左键单击所需模块图标，按住左
18、键不妨并移动鼠标至目标模型窗口制动位置，释放鼠标就完成了拷贝。用鼠标双击指定模块图标，打开模块对话框，根据对话框栏目中提供的信息进行参数设置或修改。模块之间的连接是用连接线将一个模块的输出端与另一模块的输入端连接起来；也可用分支线把一个模块的输出端与几个模块的输入端连接起来。系统仿真运行：在模型窗口选取菜单 Simulation： Parameters，设置仿真参数。选取菜单 Simulation：Start，仿真开始，至设置的仿真终止时间，仿真结束。可以通过虚拟示波器 Scope 观察仿真结果输出。把 Scope 连接到需要观测的点，调整好 Scope 的扫描量程与显示幅值量程，观察系统的仿
19、真过程和结果。1.4 本课题主要工作本课题借助仿真工具 MATLAB 分析异步电动机的模型以及机械特性，在此基础上，研究交流异步电动机拖动系统的启动、调速与制动特性，对各种起动、调速与制动方法进行仿真分析。起动方法：三相异步电机直接起动，串电抗器起动，变压器起动、转子绕串电阻起动。调速方法：三相异步电机调压调速，变频调速，转子绕组串电阻调速。制动方法：三相异步电动机的自然制动，能耗制动，反接制动和回馈制动。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 33 页本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 33 页2 三相异步电机机械特性仿真2.1 机
20、械特性表达式三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机的电磁转矩和转速或和转差率的关系，即 n=(T)或 T=(s)。机械特性有三种表达式：物理表达式、参数表达式和使用表达式。2.1.1 物理表达式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aMIC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：（2.1）2cosImMJ式中 转矩常数21kWpmCMJ每级下磁通m转子功率因数2cos式(2.1)表明，转子
21、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，（2.2）222sxrEI（2.3）222co将式(2.2)、(2.3)代入(2.1)得：（2.4）22sxrECMmTJ对于(2.4)，我们做如下分析：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 33 页1. 当 s=0 时， ， M=0，说明电动机的理想空载转速为同步转速1n。1n本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页
22、共 33 页2. 当 s 很小时，有 ， ，说明电磁转矩 T 近似与2sxrsrECMJ2s 呈线性关系，即随着 M 的增加，n 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。3. 当 s 很大时，有 ， ，说明电磁转矩 M2sxrsxrECmMJ12近似与 s 成反比，即 M 增加时 n 反而升高。4. 当 s=1 时，n=0， ，此即三相异步电机常 数2xrmJ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
23、性。2.1.2 参数表达式由电机学知，三相异步电动机的电磁功率为（2.5）srImp21所以，电磁转矩为（2.6）srIM211由三相异步电动机近似等值电路知（2.7）21212xsrUI而（2.8）pf11将式(3.7)、(3.8)代入式(3.6)得（2.9）2121xsrUfpmM本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 33 页式(2.9)即为三相异步电动机机械特性的参数表达式。2.2 固有机械特性和人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性是指在额定电压、额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子无外接电阻（电感或电容）时，电动机转速与电磁转矩的关系，如图 2-
24、1 所示，其中曲线 1 为电动机正向旋转时固有机械特性；曲线2 为反向旋转时固有特性。人为机械特性是人为的改变异步电动机的一个参数或电源参数，保持其他参数不变而得到的机械特性。由式（2.9）可见，可供改变的量有：电源电压 、1U电源频率 、极对数 p、定子电路电阻或电抗和转子电路电流或电抗。1f（2）降低定子电压时的人为机械特性当电源电压 降低时，由于 ，与电压无关， 不变。得， 与1Upfn1601nmM成正比例，当 下降时， 和 成正比例降低，而 与 无关， 不变。211mM21Ums1Us同理，启动转矩 亦与 成比例降低。因此，电源电压降低时的人为机械特st21性是一组过同步转速 、临界
25、转差率 不变、最大转矩 和启动转矩 均nmsmst与 成比例下降的曲线簇。降压时的机械特性曲线如图 2-2 所示：21U图 2-1 三相异步电动机固有机械特性本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 33 页图 2-2 降压时的异步电机人为特性（3）转子电路串对称电阻时的人为特性这种情况只对绕线式异步电动机才有意义。由于 ，与转子电阻pfn160无关，当转子串电阻时 不变。则最大转矩 亦不变；而临界转差率 与转1nmMms子电阻成比例变化。因此，转子电路串对称电阻的人为特性是一组过同步转速点、最大转矩 不变、临界转差率随转子电阻增加而成比例增大的线簇，如mM下图所示：
26、图 2-3 转子电路串对称电阻时的人为特性从图 2-3 所示曲线可见，当转子电阻刚开始增加时，启动转矩 随转子电stM本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 33 页阻增加而增加；当 时， ，即有最大启动转矩。这是令 计算，得：Mst 0mS本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 33 页1212 xrRscm当转子电路所串电阻大于 0 时，启动转矩 反而减小了。由此可见，对于stM绕线式异步电动机，在一定范围内增加转子电阻，可以增加启动转矩，改善启动性能。2.3 基于 MATLAB 的异步电机机械特性仿真机械特性是指在定子电压、频率和其
27、他参数固定，而负载不断变化时，电磁转矩与转速（或转差率）之间的函数关系。根据电机学有关知识，两者的关系，即 ，上述数学关系 T=f(s)即是异212123xsrfUT步电机的机械特性。MATLAB 程序如下：% 三相异步电动机的机械特性clcclear% 下面输入电动机参数U1=220/sqrt(3);Nphase=3;P=2;fN=50;R1=0.095;X1=0.680;X2=0.672;Xm=18.7;%下面计算电机同步速度omegas=2*pi*fN/P;nS=60*fN/P;本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 33 页%下面是转子电阻的循环数值for
28、m=1:5if m=1R2=0.1;elseif m=2R2=0.2;elseif m=3R2=0.5;elseif m=4R2=1.0;else R2=1.5;end%下面是转差率计算for n=1:2000s(n)=n/2000;Tmech=Nphase*P*U1*2*R2/s(n)/omegas/(R1+R2/s(n)2+(X1+X2)2;%绘图plot(s(n),Tmech)endif m=1holdendendholdxlabel(转差率)ylabel(电磁转矩)异步电机机械特性仿真结果如图 2-4 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 33 页
29、图 2-4 异步电机机械特性仿真结果结论:以电动经济额定电气参数为依据，分析得出了任一转速时，计算电动机机械功率的普遍公式，作为对现有公式 的补0)1(620nSNTnPNN充和完善。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 33 页3 异步电机起动特性仿真3.1 三相异步电机直接起动仿真一台三相异步电机，直接施加三相交流电源，观察起动电流、起动转矩的变化规律。三相异步电机直接起动转矩较大，但起动电流也大。通常用于小功率电机。异步电机参数设置如图 3-1 所示： 图 3-1 异步电机参数设置仿真模型如图 3-2 所示：图 3-2 直接起动仿真模型三相电源的 3 路输
30、入信号的初始相位分别设置为 0，-120，120。相电压设为 220V，频率为 60Hz。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 33 页运行上述仿真模型，可以得到起动过程中电机的转矩、电流、转速变化规律曲线，如图 3-3 所示：ABCD(A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩图 3-3 直接起动仿真结果结论：直接起动速度较快，只有约 0.3 秒，由于负载较小，所以转速也上升得很快，最终接近于同步转速。定子电流和转子电流在起动过程中振荡较大，且最大电流很大。3.2 三相异步电机串电抗器起动仿真一台三相异步电机串电抗器起动，观察起动电流，起动转矩的变化
31、规律。在直接起动的基础上稍加修改，在交流电源和电机每相定子绕组之间串接电抗元件。电机起动过程中，电抗元件产生分压，从而起到限制起动电流的目的。随着起动过程的进行，电抗电压越来越小，直至起动过程结束。串电抗器起动仿真模型如图 3-4 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 33 页图 3-4 定子串电抗器起动仿真模型每个串联的电抗器两端都并联一个电阻，实际上该电阻起到缓冲作用，当电路状态发生突变时，该电阻可以保证电路继续导通。运行上述仿真模型，可以得到起动过程中电机的转矩、电流、转速变化规律曲线，如图 3-5 所示：(A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速
32、（D）转矩图 3-5 定子串电抗器起动仿真结果结论：定子串电抗器可以起到分压的作用，从而减小加载电动机两端的电压，因此于直接起动相比，起动电流明显减小。起动时间比直接起动略长，约为 1 秒。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 33 页3.3 三相异步电机变压器起动仿真本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 33 页一台三相异步电机串变压器起动，起动过程结束后切除变压器，观察起动电流，起动转矩的变化规律。在变压器起动中，通常串接的是自耦变压器，开始起动时，变压器输出电压最小，随着起动过程的进行，输出电压逐渐增加，直到最后完全输出额定
33、电压。由于在 SIMULINK 仿真模型运行过程中，变压器的参数不能人工动态地改变，因此在设计此仿真模型时，通过开关来控制变压器的输出；为简单计算，变压器的输出只改变一次，即在供电主电路中设置两组开关，一组串联在变压器三相输出和异步电机的定子三相绕组之间，一组并联在变压器输入/输出之间，起动初期，串联开关闭合，并联开关断开，则变压器工作，输出低电压到电机；起动到一定程度，串联开关断开，并联开关闭合，则变压器停止工作，电源电压直接输出到电机 1。两组开关的参数设置如图所示：图 3-6 开关参数设置图 3-7 变压器起动仿真模型本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共
34、33 页(A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩图 3-8 变压器起动仿真结果结论：原理上定子串自耦变压器起动与定子串电抗器起动没什么区别，减小了变压器二次侧加在定子两端的电压，因此起动电流减小。但由于自耦电压器的切除，系统参数发生了变化，电流波形出现了 2 次冲击电流，而串电抗器起动则没有这种情况。3.4 三相异步电机转子绕组串电阻起动仿真对绕线式电机来说，除了可以采用上述起动方法外，还可以采用绕组串电阻起动，即在电机的转子绕组上串接移动的电阻，这样既可以降低起动电流，还可以增加起动转矩。当起动过程结束时，这些电阻及时切除，使电机工作在正常状态 1。起动电阻器的基本结构如下（右
35、图是封装后的效果）：图 3-9 起动电阻器基本结构图起动电阻器与模型的其他部分合理组合后，得到该起动模式的仿真模型如图所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 33 页图 3-10 转子绕组串电阻起动仿真模型(A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩图 3-11 转子绕组串电阻起动仿真结果结论：转子绕组串电阻起动时，串联电阻可以增加起动转矩，减小起动电流，从而提高起动的速度。从途中可看出定子电流有所减小，起动速度提高到约为 0.3 秒。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 33 页4 三相异步电机调速特性仿真4.1
36、三相异步电机调压调速仿真三相异步电机调压调速属于改变转差率调速，由于此时电机内部旋转磁场转速不变，因此电机的转速变化范围很小。而且电机通常额定工作电压一定，因此三相异步电机调压调速的变压范围也会受到限制。仿真模型和直接起动相同：图 4-1 调压调速仿真模型首先将电机的工作电压设置为 220V，仿真参数设置:图 4-2 电机仿真参数设置运行仿真模型。待运行结束后，将仿真参数设置为如图所示的内容。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 33 页图 4-3 电机仿真参数设置然后在指令窗口运行如下指令：xInitial=xFinalxInitial=1.0e+002*-0.01155604448671 0.00267230527579 -0.01185555103566 0.00289624717602 1.81988939024069 0.00993222435709将电机工作电压修改为 180V，重新运行模型的仿真结果如图所示：
