基于MATLAB的異步電機特性仿真

1、*大學畢業(yè)設計（論文）說明書摘要 異步電動機以其結構簡單、運行可靠、效率較高、成本較低等特點，在日常生活中得到廣泛的使用。目前，電動機控制系統(tǒng)在追求更高的控制精度的基礎上變得越來越復雜，而仿真是對其進行研究的一個重要手段。MATLAB是一個高級的數(shù)學分析和運算軟件 ，可用動作系統(tǒng)的建模和仿真。在分析三相異步電動機物理和數(shù)學模型的基礎上，應用MATLAB軟件簡歷了相對應的仿真模型；在加入相同的三相電壓和轉矩的條件下，使用實際電機參數(shù)，與MALAB給定的電機模型進行了對比仿真。全論文分為六個部分，第一章對異步電機的應用發(fā)展做出了相關的描述，第二章對MATLAB仿真軟件做了一定的介紹，從第三章到第六

2、章則是對異步電動機的機械特性、啟動、調速、制動進行理論分析和仿真模擬以及仿真結果的分析。經分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本設計將結合MATLAB的特點，對三相異步電機進行建模和仿真，并通過實際的電動機參數(shù)，對建立的模型進行了驗證。關鍵詞：異步電機 數(shù)學模型 MATLAB仿真AbstractAsynchronous motor with its simple structure, reliable operation, high efficiency, low cost, in everyday life are widely used. At present, the motor co

3、ntrol 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 th

4、e 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 s

5、imulation.The whole thesis is divided into six parts, the first chapter of the asynchronous motor application development of the corresponding description, the second chapter of the MATLAB simulation software to be introduced, from the third chapter to the sixth chapter is on the mechanical characte

6、ristics of asynchronous motors, speed control, brake, start by theory analysis and simulation and the simulation results analysis of.After analysis, show that the model built is reasonable. Therefore, the design will be based on the characteristics of MATLAB, the three-phase asynchronous motor model

7、ing and simulation, and through the actual parameters of the motor, the model is validated.Key words: asynchronous motor. mathematical model. simulation of MATLAB目錄摘要引言11 異步電動機的概述21.1 異步電動機的用途及分類21.2 異步電動機的主要性能指標21.3 異步動電機的基本工作原理和運行特性31.3.1 基本工作原理31.3.2 三相異步電動機的工作特性32 軟件介紹及模型實現(xiàn)52.1 MATLAB簡介52.2 MATL

8、AB中的SIMULINK仿真模塊的使用62.3 模型實現(xiàn)73 三相異步電機機械特性的仿真83.1 機械特性的表達式83.1.1 物理表達式83.1.2 參數(shù)表達式93.2 固有機械特性與人為機械特性93.3 基于MATLAB的異步電機機械特性仿真123.3.1 模型設計123.3.2 參數(shù)設置143.3.3 仿真結果164 異步電機啟動特性仿真174.1 起動理論分析174.2 起動的基本要求174.3 籠型異步電動機的起動方式184.3.1 直接起動184.3.2 降壓起動194.3.3 定子繞組串電阻或串電抗降壓起動194.3.4 自耦變壓器降壓起動224.3.5 星形-三角形（-）降壓起

9、動234.3.6 延邊三角形降壓起動244.4 籠型異步電動機的MATLAB仿真254.4.1 異步電動機直接起動仿真254.4.2 異步電動機定子串電抗起動仿真274.4.3 異步電動機自耦變壓器降壓起動仿真314.4.4 異步電動機變頻起動仿真325 異步電機調速特性仿真355.1 變極調速355.1.1 變極原理355.1.2 變極調速仿真365.2 變頻調速375.2.1 變頻調速原理及其機械特性375.2.2 基頻以下變頻調速375.2.3 基頻以上變頻調速385.2.4 變頻調速仿真395.3 調壓調速416 三相異步電動機的制動特性仿真436.1 三相異步電動機的能耗制動436.

10、1.1 三相異步電動機的能耗制動特性436.1.2 三相異步電動機能耗制動仿真模型446.2 三相異步電動機的反接制動和回饋制動456.2.1 反接制動456.2.2 回饋制動476.2.3 反接制動和回饋制動仿真477 結論49致 謝50參 考 文 獻51河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書引言1985年，由Depenbrock教授提出的直接轉距控制理論將運動控制的發(fā)展向前推進了一大步。接著1987年把它又推廣到弱磁調速范圍。不同于矢量控制技術，它無需將交流電動機與直流電動機作比較、等效和轉化，不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。它只是在定子坐標系下分析交流電

11、機的數(shù)學模型，強調對電機的轉距進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。直接轉距控制從一誕生，就以新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到人們的普遍關注。系統(tǒng)建模與仿真一直是各領域研究、分析和設計各種復雜系統(tǒng)的有力工具。建模可以超越理想的去模擬復雜的現(xiàn)實物理系統(tǒng)；而仿真則可以對照比較各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定系統(tǒng)參數(shù)。長期以來，仿真領域的研究重點是放在仿真模型建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后，設計一種算法，以使系統(tǒng)模型為計算機所接受，然后再將其編制成計算機程序，并在計算機上運行。顯然，為達到理想的目的，在這一過程中編制與修改仿真程序十分耗費時間和精力，這也大

12、大阻礙了仿真技術的發(fā)展和應用。近年來逐漸被大家認識的Matlab語言則很好的解決了這個問題。1 異步電動機的概述1.1異步電動機的用途及分類根據(jù)電機的可逆原理，異步電機既可以作為電動機，也可以用作發(fā)電機。但其作發(fā)電機運行時性能較差，故很少采用。而用作電動機時具有較好的工作特性，故其主要用作電動機。異步電機結構簡單，價格低廉，運行可靠，堅固耐用，易于控制，因而是電動機中應用的最為廣泛的一種。異步電動機是一種交流電機，主要用作電動機，拖動各種生產機械，廣泛應用于交通運輸、農業(yè)生產及國防、文教、醫(yī)療和日常生活中。異步電動機具有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多

13、數(shù)工農業(yè)生產機械的傳動要求。異步電動機還便于派生成各種防護形式，以適應不同環(huán)境條件的需求。隨著電力電子器件以及交流變頻調速技術的發(fā)展，由異步電動機和變頻調速器組成的交流調速系統(tǒng)的調速性能以及經濟性以可與直流調速系統(tǒng)相媲美，而且維護簡便，因而應用愈來愈廣泛。由于異步電動機在運行過程中必須從電網中吸收感性無功功率，因此其功率因素較差，總是小于1，此外，異步電動機空載電流大，啟動和調速性能都不夠理想，是異步電機的主要缺點。異步電動機的種類很多，從不同的角度考慮，有不同的分類方法按照相數(shù)來分，有單相異步電動機，三相異步電動機。大功率機械拖動時，一般都用三相異步電動機，日常生活中和工業(yè)控制裝置則多用單相

14、異步電動機。按轉子結構分，有鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機，其中，鼠籠式異步電動機又包括單鼠籠式異步電動機、雙鼠籠式異步電動機和深槽式異步電動機。按機殼的保護方式分，有防護式異步電動機、封閉式異步電動機，以及防爆式異步電動機。1.2異步電動機的主要性能指標異步電動機的主要性能指標有：（1） 效率：電動機輸出機械功率與輸入電功率之比，通常用百分數(shù)表示。（2） 功率因數(shù)：電動機輸入有效功率與實際功率之比。（3） 啟動電流：電動機在額定電壓、額定頻率和轉子啟動時從供電回路輸入的最大穩(wěn)態(tài)方均根電流（4） 啟動轉矩：電動機在額定電壓、額定頻率和轉子啟動時所產生的轉矩的最小測得值。（5） 最小轉矩：電

15、動機在額定電壓、額定頻率下，在零轉速與對應于最大轉矩的轉速之間所產生的穩(wěn)態(tài)異步轉矩的最小值。（6） 最大轉矩：電動機在額定電壓、額定頻率下所能產生的最大穩(wěn)態(tài)異步轉矩。（7） 噪聲：電動機在空載運行時的噪聲功率級，以及在額定負載運行時超過空載運行的噪聲功率級增量。（8） 振動：電動機在空載穩(wěn)態(tài)運行時振動速率有效值。1.3異步動電機的基本工作原理和運行特性1.3.1 基本工作原理電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。如下圖是三相交流異步電動機轉子轉動的原理圖（圖中只示出兩根導線），當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出電動勢。電

16、動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。異步電機的工作原理用箭頭簡單的表示如下：定子繞組通入三相交流電流產生旋轉磁場切割轉子繞組轉子繞組產生感應電勢轉子中產生感應電流轉子電流與磁場作用產生電磁轉矩運行。1.3.2 三相異步電動機的工作特性異步電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量轉差率，轉矩電流，效率，功率因數(shù)等隨輸出功率變

17、化的關系曲線。（1） 轉差率特性通常把同步轉速和電動機轉子轉速n二者之差與同步轉速的比值叫做轉差率，用s表示。關于轉差率的定義如下：當電機的定子繞組接電源時，站在定子邊看，如果氣隙旋轉磁通密度與轉子的轉向一致，則轉差率s為：；如果兩者轉向相反，則：。式中的、n都理解為轉速的絕對值，s是一個沒有單位的數(shù)，它的大小能反映電動機轉子的轉速。隨著負載功率的增加，轉子電流增大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。（2） 轉矩特性異步電動機的輸出轉矩：轉速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉速略有下降，轉矩曲線為一個上翹的曲線。（3） 電流特性空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大。（4） 效率特性其

18、中銅耗隨著負載的變化而變化；鐵耗和機械損耗金絲不變；效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗，點擊達到最大效率。異步電動機額定效率在74-94%之間；最大效率發(fā)生在（0.7-1.0）倍額定效率處。（5） 功率因數(shù)特性空載時，定子電流基本上用來產生主磁通，有功功率很小，功率因數(shù)也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數(shù)逐漸升高；在額定功率附近，功率因數(shù)達到最大值。如果負載繼續(xù)增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數(shù)下降。2軟件介紹及模型實現(xiàn)2.1 MATLAB簡介八十年代以來，計算機仿真成為交流電機及其調速系統(tǒng)分析，研究和設計的有利工具。應用計算機的仿真

19、技術，我們可以用軟件建立起電機及其傳動、控制的仿真模型，再以這個模型在計算機內人為模擬的環(huán)境或條件下的運行研究， 替代真實電機在實際場合下的運行實驗，既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時間及費用。MATLAB是美國Mathworks公司自1984年推出的一種使用簡便的工程計算語言，它以矩陣運算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到了一個交互的工作環(huán)境中，在這里可以實現(xiàn)工程 計算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學和工程繪圖、應用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設定）等等功能，而且，MATLAB 提供的工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富而實用的資源。MATLAB 語言具有以下特點： (1) 功

20、能強大 MATLAB不但在數(shù)值計算和符號計算方面具有強大的功能，而且在計算結果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面也有著其他類似軟件難以匹敵的優(yōu)勢。 此外， MATLAB的Notebook為用戶提供了把數(shù)學和文字進行統(tǒng)一處理的功能， MATLAB的SIMULINK功能則將而其應用擴展到各行各業(yè)的仿真領域。不僅如此，公司更推出了針對各專業(yè)應用的MATLAB工具箱。(2) 界面友好、編程效率高 MATLAB是一種以矩陣計算為基礎的程序設計語一言，其指令表達方式與標準教 科書的數(shù)學表達式非常接近 。用戶不需要有較高的計算機編程基礎，只要按照計算要求輸入表達式，MATLAB將為用戶計算出結果。此外，使用語言設計的程

21、序，其編譯和執(zhí)行速度遠遠超過了傳統(tǒng)的C語言設計的程序，可以說，MATLAB在工程計算方面的編譯效率遠遠高于其它編程語言。 (3) 擴展性強MATLAB的重要特點之一就是其可擴展性，這個特點使得用戶能夠自由地開發(fā)自己的應用程序，這些年來，許多使用MATLAB的數(shù)學家、工程師和科學家已經開發(fā)出相當多的不同應用領域的應用程序。MATLAB的這些特點使它獲得了對應用學科，特別是對邊緣學科和交叉學科的極強的適應能力，并很快成為應用學科計算機輔助分析、設計、仿真以及教學等不可缺少的基礎軟件。MATLAB提供的SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)

22、、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的，它具有相對獨立的功能和使用方法。SIMULINK 的出現(xiàn)使得仿真工作以結構圖的形式加以進行。它提供各種功能模塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)(Continues)、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線性系統(tǒng)(Nonlinear)幾類基本系統(tǒng)構成模塊，還包括連接、運算類模塊:函數(shù)與表(Functions&Tables)、數(shù)學運算模塊(Math)、信號與系統(tǒng)(Signals&System)。而輸入源模塊(sources)和接收模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號源和結果輸出設備。 便于用戶對模型進行仿真和分析。用戶只要從模塊庫中拖放合

23、適的模塊組合在一起（也可以是自己的系統(tǒng)） ，就可以直接對它進行仿真?？梢赃x擇合適的輸入源模塊作信號輸入，用適當?shù)慕邮漳K觀察系統(tǒng)響應、分析系統(tǒng)特性。各種數(shù)值算法，仿真步長等重要參數(shù)可通過方便易用的對話框確定，十分簡捷，同時可以借助模擬示波器將仿真動態(tài)結 果加以顯示，省去了以往仿真研究中的大量手工編程過程，避免了編程錯誤造成的數(shù)值 不穩(wěn)定，計算結果錯誤等不該發(fā)生的意外事件出現(xiàn)，大大提高了算法研究與實際應用的效率和可靠性。2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用 啟動SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，此時出現(xiàn)一個SIMULINK窗口。這個窗口包

24、含7個模塊庫，它們分別是信號源模塊庫(sources)、輸出模塊庫(Sinks)、離散模塊庫(Diserete)、線性模塊庫(Linear)、非線性模塊庫(Nonlinear)、連接與接口模塊庫(Connections)和擴展模塊庫(Extrax)。 建立一個控制系統(tǒng)結構框圖,則應選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項，這樣SIMULINK就會自動打開一個空白的模塊編輯窗口，允許用戶輸人自己的模塊框圖。只要從各 模塊庫中取出模塊，定義好模塊參數(shù)。將各模塊連接起來，然后設置系統(tǒng)參數(shù)， 如仿真時間、仿真步長和計算方法等。模塊的取出可以采用在模塊庫中選中模塊后拖動 到編輯窗口的復制方法。連接

25、兩個模塊是相當容易，簡單地用鼠標左鍵先點一下起點模塊的輸出端（三角符號），然后拖動鼠標器。這時就會出現(xiàn)一條帶箭頭的直線，將它的 箭頭拉到終點模塊的輸入端再釋放鼠標左鍵，則SIMULNIK會自動產生一條帶箭頭的 連線，將兩個模塊連接起來。如果連線出現(xiàn)錯誤，可以使用鼠標左鍵選中該線，然后再 使用Edit中cut命令將該線刪除掉。 定義模塊參數(shù)采取用鼠標左鍵雙擊模塊圖標的辦法，即可得到模塊參數(shù)設置對話框。 選擇Start命令可以啟動仿真程序，在仿真結束時，計算機會用聲音給予提示，可以通過虛擬示波器Scope觀察系統(tǒng)仿真結果輸出。把Scope連接到任何你想觀測的點，調整好Scope的掃描量程與顯示幅值

26、量程，同時調整 Scope的窗口大小及位置，觀察系統(tǒng)的仿真過程。眾所周知，現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中的交流異步電動機本身就是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。這里從靜止兩相坐標系下的鼠籠異步電動機模型出發(fā)，推導出基于定子磁鏈磁場定向的電動機模型，并采用MATLAB/ SIMULNIK實現(xiàn)之。2.3模型實現(xiàn)模型建立以后，所要做的就是從Simulink豐富的模型庫中調用合適的模塊來表示該模型。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜性的增加，模型也在不斷增大，這就使得模型窗中由于過多的模塊而凌亂不堪。為了避免這種情況，采用自上而下或自下而上的分級方法建立模型，即把功能相同或者相近的模塊分組封裝成子系統(tǒng)Subsyste

27、m，建立遞階結構框圖。3三相異步電機機械特性的仿真3.1機械特性的表達式3.1.1物理表達式由電機學知三相異步電動機的電磁轉矩M與直流電動機的電磁轉矩有相似的表達形式。它們都與電機結構（表現(xiàn)為轉矩常數(shù)）和每級下磁通有關，只不過在三相異步電動機中不再是通過電樞的全部電流，而是點數(shù)電流的有功分量。三相異步電機電磁轉矩的表達式為： （3-1）式中轉矩常數(shù)每級下磁通轉子功率因數(shù)式(3-1)表明，轉子通入電流后，與氣隙磁場相互作用產生電磁力，因此，反映了電機中電流、磁場和作用力之間符合左手定則的物理關系，故稱為機械特性的物理表達式。該表達式在分析電磁轉矩與磁通、電流之間的關系時非常方便。從三相異步電動機

28、的轉子等值電路可知， （3-2） （3-3）將式(3-2)、(3-3)代入(3-1)得： （3-4）對于(3-4)，我們做如下分析：1. 當s=0時，M=0，說明電動機的理想空載轉速為同步轉速。2. 當s很小時，有，說明電磁轉矩T近似與s呈線性關系，即隨著M的增加，略有下降。因而，類似直流電動機的機械特性，是一條下傾的直線。M0n圖 3-1 三相異步電動機機械特性3. 當s很大時，有，說明電磁轉矩M近似與s成反比，即M增加時n反而升高。4. 當s=1時，n=0，=常數(shù)，此即三相異步電機的啟動轉矩。從上述可見，三相異步電動機的機械特性由兩段組成：當s較?。╪較高）時，n與M近似呈線性關系；當s較

29、大（n較低）時，n隨M增大而升高。將兩部分機械特性圓滑連接，既得三相異步電動機機械特性，如圖3-1所示。3.1.2 參數(shù)表達式由電機學知，三相異步電動機的電磁功率為 （3-5）所以，電磁轉矩為 （3-6）由三相異步電動機近似等值電路知 （3-7）而 （3-8）將式(3-7)、(3-8)代入式(3-6)得 （3-9）式(3-9)即為三相異步電動機機械特性的參數(shù)表達式。3.2固有機械特性與人為機械特性三相異步電動機的固有機械特性是指在額定電壓、額定頻率下，按規(guī)定的接線方式接線，定、轉子無外接電阻（電感或電容）時，電動機轉速與電磁轉矩的關系，如圖3-2所示，其中曲線1為電動機正向旋轉時固有機械特性；

30、曲線2為反向旋轉時固有特性。圖3-2 三相異步電動機固有機械特性人為機械特性是人為的改變異步電動機的一個參數(shù)或電源參數(shù)，保持其他參數(shù)不變而得到的機械特性。由式3-9可見，可供改變的量有：電源電壓、電源頻率、極對數(shù)p、定子電路電阻或電抗和轉子電路電流或電抗。（1）降低定子電壓時的人為機械特性當電源電壓降低時，由于，與電壓無關，不變。得，與成正比例，當下降時，與成正比例降低，而與無關，不變。同理，啟動轉矩亦與成比例降低。因此，電源電壓降低時的人為機械特性是一組過同步轉速、臨界轉差率不變、最大轉矩和啟動轉矩均與成比例下降的曲線簇。時的機械特性曲線如圖所示：圖3-3 降壓時的異步電機人為特性（2）轉子

31、電路串對稱電阻時的人為特性 這種情況只對繞線式異步電動機才有意義。由于 ，與轉子電阻無關，當轉子串電阻時不變。則最大轉矩亦不變；而臨界轉差率與轉子電阻成比例變化。因此，轉子電路串對稱電阻的人為特性是一組過同步轉速點、最大轉矩不變、臨界轉差率隨轉子電阻增加而成比例增大的線簇，如下圖所示：圖 3-4 轉子電路串對稱電阻時的人為特性從圖3-4所示曲線可見，當轉子電阻剛開始增加時，啟動轉矩隨轉子電阻增加而增加；當時，即有最大啟動轉矩。這是令計算，得：當轉子電路所串電阻大于（）時，啟動轉矩反而減小了。由此可見，對于繞線式異步電動機，在一定范圍內增加轉子電阻，可以增加啟動轉矩，改善啟動性能。3.3基于MA

32、TLAB的異步電機機械特性仿真3.3.1模型設計本仿真采用仿真模型如下圖所示：圖 3-5 異步電機人為機械特性仿真3.3.2 參數(shù)設置各元件參數(shù)設置如下：圖 3-6 Ramp參數(shù)設置圖 3-7 Saturation參數(shù)設置圖 3-8 Fcn2參數(shù)設置圖 3-9 XY Graph1參數(shù)設置3.3.3仿真結果圖 3-10電壓變化時的不同特性曲線圖 3-11電壓分別為時機械特性對比4 異步電機啟動特性仿真4.1起動理論分析異步電動機的起動性能和直流電動機一樣，包括以下幾項：起動電流倍數(shù)、起動轉矩倍數(shù)、起動時間、起動時繞組中消耗的能量和繞組發(fā)熱、起動設備的簡單性和可靠性、起動時的過渡過程。其中最重要的

33、是起動電流和起動轉矩大小。為使電機能夠轉動起來，并很快達到額定轉速而正常工作，要求電機具有足夠大的起動轉矩；但又希望起動電流不要太大，以免電網產生過大的電壓降落而影響接在電網上的其他電機和電氣設備的正常運行。此外，起動電流過大時，將使電機本身受到過大電磁力的沖擊，如果經常起動，還有使繞組過熱的危險。因此，我們總是希望在起動電流比較小的情況下，能獲得較大的起動轉矩。普通結構的鼠籠式異步電動機不采取任何措施而直接接入電網起動時，往往不能滿足上述要求。因為它的起動電流很大而起動轉矩并不大。起動電流很大的原因，從物理現(xiàn)象看，起動時，n=0、s=1，旋轉磁場以同步轉切割轉子，在短路的轉子繞組中感應很大的

34、電勢和電流，引起與它平衡的定子電流的負載分量也跟著急劇增加，以致定子電流很大。而起動轉矩不大是由于起動時轉子漏抗遠大于轉子電阻使轉子功率因數(shù)接近90度，所以盡管電流很大但其有功分量卻不大。其次，由于起動電流很大，定子繞組的漏阻抗壓降增大，使感應電勢減小，磁通也將成比例減小。在選擇異步電動機的起動方法時，必須根據(jù)電網容量和機械負載對起動轉矩的要求等具體情況進行具體分析。如果電網容量很大，電動機的起動電流不會引起顯著的電壓降落，則起動電流大小不是主要問題。如果機械負載要求的起動轉矩不大，而電網容量相對于電動機來說又不很大，則主要考慮如何減小起動電流。至于即要求起動轉矩大，又希望限制起動電流的場合，

35、則需要采取措施來改進起動性能。4.2起動的基本要求拖動生產機械的異步電動機在起動過程中，要求起動轉矩大于負載轉矩并且起動轉矩越大越好，保證起動過程很快結束，使生產機械能夠較快的達到正常運行。同時，在滿足起動轉矩要求的前提下，希望起動電流越小越好。不同負載和不同供電容量電網，對電動機起動性能的要求是不一樣的。而異步電動機的起動性能的基本要求是相同的，這些基本要求有：（1）足夠大的起動轉矩倍數(shù)； （2）盡可能小的起動電流倍數(shù)； （3）起動時間短，能夠符合生產技術的要求；（4）起動平滑，即要求時加速平滑，以減小對生產機械的沖擊；（5）起動設備簡單，經濟，操作方便等。4.3籠型異步電動機的起動方式4.

36、3.1直接起動直接起動，也就是全壓起動，是一種最簡單的起動方法也是三相異步電動機應用最多的一種起動方法。小功率電機常常采用這種起動方式然而對較大功率的電機而言，這種起停方式的缺點也是顯而易見的。在這種起動方式下，起動電流約為標稱電流的4-7倍;起動轉矩約為標稱轉矩的倍。其特點是:電機端子少(一般為三端子電機)，可帶載起動、高電流峰值和大壓降起動，設備簡易。直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過空開或接觸器將電機直接接到電網上。具有起動設備簡單，起動速度快的優(yōu)點, 而且起動轉矩比采用降壓起動時大。在電網和負載兩方面都允許全壓直接起動的情況下，鼠籠式異步電動機仍以直接起動為宜因為操縱控制方便，而且

37、比較經濟。其危害很大電網沖擊大。過大的起動電流，會造成電網壓降，影響其他用電設備的正常進行。還可能使欠壓保護動作，造成用電設備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命；機械沖擊嚴重，過大的沖擊力矩容量造成電機轉子籠條、端環(huán)斷裂和定于端部繞組絕緣磨損，導致絕緣擊穿燒毀電機，轉軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。因此盡管直接起動方法簡單起動設備也簡單，價格便宜，但為了限制電和機械的沖擊，以及保證電網的供電質量，在某種場合，就得采取減壓起動方式，或者在繞線式異步電動機的轉子電路中串入阻抗進行起動。圖4-1為三相交流異步電動機直接起動的電路圖。三相交流電源經

38、由組合開關K，熔斷器交流接觸器KM的主觸點到電動機定子繞組，構成了主電路。圖 4-1三相交流異步電動機直接起動的電路圖4.3.2降壓起動降壓起動通過降低起動時加在定子繞組上的電壓來減小起動電流，起動結束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復到額定值。降壓起動雖然能減小起動電流，但是起動轉矩也大大減小了，所以降壓起動一般適用于中、大容量的異步電動機輕載貨空載起動。降壓起動適用于容量大于或等于20并帶輕載的工況。由于輕載，故電動機起動時電磁轉矩很容易滿足負載要求。主要問題是起動電流大，電網難以承受過大的沖擊電流，因此必須降低起動電流。在研究起動時，可以用短路阻抗來等效異步電動機。電機的起動電流（即流過上的

39、電流）與端電壓成正比，而起動轉矩與電機端電壓的平方成正比，這就是說起動轉矩比起動電流降得更快。降壓之后在起動電流滿足要求的情況下，還要校核起動轉矩是否滿足要求。常用的降壓起動方法有三種：定子串電抗（或電阻）降壓起動；Y-啟動器起動；自耦變壓器起動。4.3.3定子繞組串電阻或串電抗降壓起動從減小起動電流和改善電網電壓品質的角度來看，定子回路串電阻和定子回路串電抗都能減小起動電流，使得電網承受的沖擊電流減少，對改善電網的穩(wěn)定性是有利的，即定子回路串電阻或串電抗的效果是一樣的。這兩種起動方法都具有起動平穩(wěn)，運行可靠，構造簡單等優(yōu)點。但是，定子回路串電阻將增加起動損耗，浪費電能，只有在電動機的容量較小

40、時才允許使用，大中型電機則采用串電抗起動。圖 4-2異步電動機起動時的等值電路圖4-2是異步電動機起動時的等值電路，由于起動電流較大，所以略去形等值電路中的激磁電流分量。起動時s=1，故起動時異步機可以用短路阻抗Z=R+X代替。圖4-3中代表串入定子回路的起動電阻或者起動電抗。令代表直接起動時的起動電流，則： （4-1）如果采用串電阻起動，起動電阻為，則串電阻后的起動電流為： （4-2）如果采用串電抗起動，起動電抗為，則串電抗后的起動電流為： (4-3)如果令： （4-4）亦即通過定子回路串電阻或者電抗使起動電流從下降為或者，從而滿足電網穩(wěn)定要求的數(shù)值。這里、和是給定的電機參數(shù)，是電網穩(wěn)定規(guī)定

41、的數(shù)值，都是已知量，故利用上面的式子可以求出需要串入的起動電阻或起動電抗為： （4-5） （4-6）起動運行圖 4-3鼠籠型異步電動機定子回路串電阻起動原理圖起動運行圖 4-4鼠籠型異步電動機定子回路串電抗起動原理圖圖4-3、4-4所示分別為鼠籠型異步電動機串電阻及串電抗減壓起動時的原理圖。圖中是主開關，起到隔離電源的作用。起動時，把換接開關投向“起動”的位置，此時，起動電阻或起動電抗接入定子回路；然后，閉合主開關，電動機開始旋轉，待轉速接近穩(wěn)定轉速時，把開關換接到“運行”的位置，電源電壓直接加到定子繞組上，電動機起動結束。鼠籠型異步電動機定子回路串電阻或串電抗起動，由于起動時定子繞組串入的電

42、阻或電抗器起到了分壓作用，使加在電機上的端電壓降低，因此減小了起動電流。由于起動電流正比于定子端電壓，而起動轉矩正比于定子端電壓的平方。如果起動時電機端電壓降低到額定電壓的倍，則起動電流降低到額定電壓時起動電流的，而起動轉矩則降到原來的，因此該起動方式只能用于空載或輕載的情況。4.3.4自耦變壓器降壓起動在定子回路中串阻抗雖然能夠滿足電網減小起動電流的要求，但往往因為起動轉矩過小而滿足不了生產工藝的要求，為了解決這個矛盾人們采用自耦變壓器降壓起動。自耦變壓器降壓起動是利用一臺自耦變壓器（又稱為起動補償器）降低加到電動機定子繞組的電壓以起動電動機，待電動機起動完成后，再把電動機直接接到電源上去。

43、圖4-5為三相異步電動機自耦變壓器起動的原理線路圖。起動時，把開關投向起動邊，即端，電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上，這時自耦變壓器一次繞組加全壓，而電動機定子電壓僅為抽頭部分的電壓值，電動機減壓起動；當轉速上升到穩(wěn)定值后，開關投向運行邊，即端，這樣自耦變壓器被短接，電動機的定子繞組被接上全壓，進入正常運行。圖 4-5三相異步電動機自耦變壓器起動的原理線路圖圖 4-6自耦變壓器降壓原理圖圖4-6為自耦變壓器降壓原理圖。圖中只繪出單相，和分別表示自耦變壓器一次電壓和一次電流，亦即電網電壓和電流；和分別表示變壓器的二次電壓和二次電流，亦即電動機定子的電壓和電流，和分別表示變壓器的一次繞

44、組及二次繞組匝數(shù)（即抽頭部分的匝數(shù)）。略去自耦變壓器的微小空載電流，并取其變比為，則： （4-7）略去自耦變壓器的內阻抗，認為起動時的端電壓為，故電動機的定子繞組的起動電流為： （4-8）其中代表電動機端電壓為時的直接起動電流。自耦變壓器降壓起動具有較大的起動能力和承受機械負載波動的能力，且自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭可供不同負載起動時選擇，應用很廣泛，適用于容量較大的低壓電動機。它的缺點是體積大，質量大，價格高，起動線路較復雜，滑塊觸點氧化，需維護檢修。4.3.5星形-三角形（-）降壓起動星形-三角形降壓起動是通過改變電動機的繞組接法去完成降壓起動過程，屬于電機繞組設計上的問題，只能用

45、于正常運轉時定子繞組連接成三角形的電動機。起動時，將異步電動機三相定子繞組接成星形，等起動完成后，再接成三角形，從而異步電動機需要六個出線端。圖4-7為星形-三角形（-）降壓起動原理線路圖。起動時，先接通電源開關，將開關投向“Y”位置，定子繞組連接成星形，電動機減壓起動；當電動機轉速接近穩(wěn)定值時，可將開關迅速投向側，使定子繞組連接成三角形運行，起動過程結束。圖 4-7星形-三角形（-）降壓起動原理線路圖WUWVUZZZV 圖 4-8定子繞組作三角形聯(lián)結和星形聯(lián)結的原理圖現(xiàn)在來比較電動機作三角形聯(lián)結和星形聯(lián)結直接起動時線路電流和的大小。這兩種聯(lián)結方式的原理圖如圖4-8所示。星形-三角形降壓起動的

46、優(yōu)點是體積小，重量輕，對使用者來說，減少了設備投資，節(jié)約銅與硅鋼片，物美價廉，運行可靠，檢修方便。此外，起動電流只有全壓起動的，對供電網絡的影響很小。但它的缺點就是起動電壓只能降到，不能像自耦補償起動那樣，可以按不同的負載選擇不同的起動電壓。4.3.6延邊三角形降壓起動延邊三角形降壓起動是在星形-三角形減壓起動方法基礎上加以改進的一種起動方法，也是通過改變電動機的繞組接法去完成降壓起動的過程，屬于電機繞組設計上的問題。延邊三角形降壓起動是利用電動機引出九個出線端（即每相定子繞組多引出一個出線端）來達到減壓起動的目的的一種聯(lián)結法。電動機起動時，定子繞組的一部分接成三角形，從圖形上看，就是一個三角

47、形的三條邊延長，因此稱為延邊三角形。當起動結束后，把繞組改接成三角形，電動機就進入正常運轉狀態(tài)。(a)V499887766554332211UUVWW圖 4-9延邊三角形起動原理圖采用延邊三角形起動的電動機每相繞組有三個出線端，如圖4-9（左）所示，其中端子1、2、3為首端，端子4、5、6為尾端，端子7、8、9為中間抽頭。起動時，電源電壓為額定值，三相繞組的1-7、2-8、3-9部分為星形聯(lián)結，7-4、8-5、9-6為三角形聯(lián)結，如圖4-9（右）所示。當轉速上升到一定值后，三相繞組又接成如圖4-9（右）的三角形聯(lián)結。延邊三角形聯(lián)結與三角形聯(lián)結相比較，它們的電阻和感抗的比值并沒有改變，因此起動時

48、定子功率因數(shù)不變。而起動轉矩與起動電流和功率因數(shù)的乘積成正比，功率因數(shù)不變，故認為起動轉矩與起動電流成正比。所以延邊三角形聯(lián)結時的起動轉矩與三角形聯(lián)結時的起動轉矩之比和它們的起動電流之比，可以認為是相同的，取決于中間抽頭的位置。采用不同的抽頭比例，可以改變延邊三角形接法的相電壓。其值比星形-三角形起動時的星形接法高，因此起動轉矩較星形-三角形起動時大，能用于重載起動。延邊三角形起動的優(yōu)點是只要調節(jié)定子繞組的抽頭變比，就可以得到不同數(shù)值的起動電流和起動轉矩，可以適應不同的使用要求。延邊三角形降壓起動還具有體積小，質量輕，允許經常起動。其缺點就是采用延邊三角形起動的電動機需要有九個出線頭，電動機的

49、內部接線較為復雜。4.4籠型異步電動機的MATLAB仿真4.4.1異步電動機直接起動仿真圖 4-10異步電動機直接起動仿真模型上圖為異步電動機直接起動仿真模型。起動過程中，把全部的電源電壓直接加到電機的定子繞組。其中，三相電源的3路輸入信號的初始相位分別設置為0，-120，120。相電壓設為220V，頻率為50Hz。電機模塊繞組類型選擇鼠籠式（Squirrel-cage）。仿真算法為ode23tb。對各元件的參數(shù)配置完成后就可以進行仿真。DCABA圖 4-11直接起動仿真波形(A)轉子電流 （B）定子電流 （C）轉速 （D）轉矩從上圖可以看出，直接起動時，起動過程在0.22秒左右結束，起動速度

50、較快。因為負載很小，所以轉速非常接近同步轉速1500，轉速上升速度快。定子電流波形和轉子電流波形呈現(xiàn)較大的振蕩，起動后電流降至正常工作電流。異步電機在直接起動過程中的起動電流較大為138A，為額定電流的9倍，這與實際情況相符。電機最初起動轉矩為260，但轉矩在起動過程的0.05至0.15秒內迅速減小，這不利于電機的起動，電機在完全起動后轉矩接近于0，這是因為負載轉矩很小的緣故。4.4.2異步電動機定子串電抗起動仿真圖 4-12異步電動機定子串電抗起動仿真模型上圖為異步電動機定子串電抗的仿真模型，由于起動時定子繞組串入的電抗器起到了分壓作用，使加在電機上的端電壓降低，因此可以起到減小起動電流的作

51、用。CDBA圖 4-13定子串電抗起動仿真波形 (A)轉子電流 （B）定子電流 （C）轉速 （D）轉矩從上圖可以看出，異步電動機通過定子串電抗器起動的方法，可以使電抗器起到一定的分壓作用，從而達到減小加在機端的電壓的目的，這樣可以減小起動電流（從定子電流波形可知起動電流為91A），相比于直接起動，起動電流顯著減小。同時，起動過程中定子電流和轉子電流的波形也相當理想，在最初起動時的振蕩過后能平穩(wěn)的衰減至正常工作電流。起動時間越位0.3秒，略長于直接起動的起動時間。從轉矩波形我們可以看出，異步電動機定子串電抗起動時的起動轉矩僅為115，遠遠小于直接起動時的起動轉矩，這是因為起動電流正比于定子端電壓

52、，而起動轉矩正比于定子端電壓的平方。如果起動時電機端電壓降低到額定電壓的倍，則起動電流降低到額定電壓時起動電流的，而起動轉矩則降到原來的，此種起動方法，起動轉矩比起動電流降低得更加厲害，并且轉矩在最初的振蕩過后迅速下降，這不利于電動機的起動，因此該起動方式只能用于空載或輕載的情況。此種起動方法最大的缺點是定子回路串電抗器將增加起動損耗，浪費電能。因此我對定子串電抗起動做了如下改進：圖 4-14異步電動機定子串電抗起動仿真模型（2）此種起動方式的優(yōu)點在于：電機起動過程中，三組breaker開關分別控制三組電抗器的投切。起動初期，三組電抗器全部串入定子繞組，起動過程中通過關閉breaker開關依次

53、退出各組電抗器，這樣起到了逐步增加機端電壓的效果，直到加到全壓，這樣有利于電機的平滑起動，由于起動后三組電抗器均退出，可以減少損耗。ABCD圖 4-15定子串電抗起動仿真波形（2） (A)轉子電流 （B）定子電流 （C）轉速 （D）轉矩從上圖可以看出，在這種起動過程中，最初起動電流進一步減小，約為60A。但是，異步電動機的定子電流和轉子電流波形，隨著電抗器組的退出，電流波形有明顯的跳躍現(xiàn)象，波形較差，起動過程不是很穩(wěn)定。從轉速波形我們可以看出，電動機轉速上升速度較慢，整個起動過程約為0.36秒，起動速度較慢。但是，在啟動過程中，起動轉矩在最初的振蕩過后，一直能保持一個較大的轉矩，直到整個起動過

54、程結束，這點有利于電動機帶負載起動。4.4.3異步電動機自耦變壓器降壓起動仿真圖 4-16異步電動機自耦變壓器降壓起動仿真模型圖中為異步電動機自耦變壓器降壓起動仿真模型。起動時，串聯(lián)的一組breaker開關合上，并聯(lián)在變壓器兩端的一組breaker開關打開，這樣使得變壓器接入電源，其二次側抽頭接電動機，使電動機降壓起動。當轉速接近正常運行轉速時，將串聯(lián)的一組開關打開，并聯(lián)在變壓器兩端的開關閉合，則電動機接入全電壓（此時自耦變壓器已經脫離電源），繼續(xù)起動，但此時的電流沖擊已經很小。再過一段時間，電機進入正常運行狀態(tài)。ABCD圖 4-17自耦變壓器起動仿真波形 (A)轉子電流 （B）定子電流 （C

55、）轉速 （D）轉矩從上圖可以看出，異步電動機通過自耦變壓器降壓起動，可以減小變壓器二次側加在定子兩端的機端電壓，從而達到減小起動電流的目的。從定子電流波形可知，定子電流為96A，比直接起動的定子電流小。但是在起動的過程中，由于自耦變壓器的退出，電流波形出現(xiàn)了高電流峰值，存在2次大的沖擊電流。整個起動過程用時0.2秒，起動速度快，并且轉速上升的很快，能迅速達到額定轉速。此種起動方法，在起動電流減小的同時，起動轉矩也減小了，為132,這是因為采用自耦變壓器降壓起動，如果自耦變壓器的變比為，則起動電流變化的比值和轉矩變化的比值是相等的，都是直接起動時的。但是起動過程中，轉矩下降的較慢，因此，自耦變壓器降壓起動具有較大的起動能力和承受機械負載波動的能力，且自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭可供不同負載起動時選擇，應用很廣泛，適用