異步電動機機械特性的MATLAB仿真

1、 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學實驗室開放課題設計（論文）實驗室開放課題設計（論文）題目：題目： 異步電動機機械特性的異步電動機機械特性的MATLABMATLAB仿真仿真 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動化自動化 131131 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間： 2016.4.52016.4.22 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

2、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。第一章對異步電機的實驗要求做出了相關的描述，第二章對MATLAB仿真軟件做了一定的介紹，第三章是對異步電動機的機械特性、啟動、制動和正反轉進行理論分析和仿真模擬以及仿真結果的分析。經(jīng)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、

3、MATLAB 仿真、三相異步電動機目 錄第 1 章 實驗任務及要求 .1第 2 章 MATLAB 及 SIMULINK 的介紹.22.1 MATLAB 介紹 .22.2 SIMULINK模塊的介紹.3第 3 章 仿真實驗 .43.1 三相異步電動機的機械特性 .43.2 三相異步電動機起動的仿真 .63.3 三相異步電動機制動仿真 .83.4 三相異步電動機正反轉仿真 .10第 4 章 總結 .12參考文獻 .13附錄 .14第 1 章 實驗任務及要求異步電動機機械特性的 MATLAB 仿真即電機拖動仿真實驗平臺的設計，包含的設計內容：異步電動機的固有特性和人為特性的仿真；異步電動機起動、制動

4、、調速的仿真。實驗數(shù)據(jù)及實驗內容：1、一臺三相異步電動機定子繞組為 Y 聯(lián)結，額定電壓為，額定轉VUN380速為，電源頻率為工頻 50HZ，定子繞組，定子漏電抗min/975rnN08. 21r，轉子電阻折算值，轉子漏電抗折算值為。12. 31x53. 12r25. 42x2、三相異步電動機仿真實驗項目，包含固有機械特性、人為特性曲線的繪制、電動機起動模型的建立、電動機制動仿真模型的建立、異步電動機正反轉及調速模型的建立等方面。設計任務及要求： 完成三相異步電動機固有機械特性的繪制，改變定子電壓和改變轉子電阻時的人為特性曲線的繪制，要求電壓從額定電壓開始下降每次降低 25%，共兩次，轉子串電阻

5、每次串 0.75，共 4 次。要求編寫 M 文件程序，分別得出兩種人為特性曲線，每個特性曲線中均要包括固有機械特性的繪制。 三相異步電動機起動的仿真，建立三相異步電動機直接起動和轉子串聯(lián)電阻起動的仿真模型，給出電動機轉速、電磁轉矩和定、轉子電流隨時間變化的曲線。 三相異步電動機制動的仿真，建立能耗制動模型，給出電動機轉速、電磁轉矩和定、轉子電流隨時間變化的曲線。 建立三相異步電動機正反轉的仿真模型，給出轉速、電磁轉矩和定、轉子電流的變化曲線。 第 2 章 MATLAB 及 Simulink 的介紹2.1 MATLAB 介紹八十年代以來，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

6、具。應用計算機的仿真技術，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

7、下特點： 功能強大 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。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

8、的程序，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。 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(jīng)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。2.2 Simulink 模塊的介紹Simulink 是 MATLAB 下的面向結構圖方式的仿真，對于結構復雜的控制系統(tǒng)

9、，要快速地建立系統(tǒng)模型是較為困難的，Mathworks 公司所提供的這種圖形化方式的對系統(tǒng)建模和仿真的工具用戶帶來了極大的方便。Simulink 與用戶交互接口是基于 Windows 的圖形編輯方法，因此非常易于接受，使用十分靈活方便。目前Simulink 作為 MATLAB 的重要組成部分，已經(jīng)成為了仿真研究的重要工具。Simulink 是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境，其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，從而可以在實際系統(tǒng)作出之前，預先對系統(tǒng)進行仿真仿真與分析，并可以對系統(tǒng)作適當?shù)膶崟r修改或者按照仿真的最佳效果來調試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能，減少設計系統(tǒng)過程中反復修改

10、的時間，實現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標。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，

11、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(chǎn)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

12、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)。 第 3 章 仿真實驗3.1 三相異步電動機的機械特性本章主要研究三相異步電動機的機械特性。三相異步電動機的機械特性分為固有機械特性和人為機械特性，與直流電

13、動相同，三相異步電動機的機械特性也是指其轉速與轉矩間的關系。其表達式可以分為三種，分別是物理表達)(Tfn 式、參數(shù)表達式、實用表達式。在本次三相異步電動機機械特性的繪制仿真試驗中，采用異步電動機的機械特性參數(shù)表達式（3-1-2） 。根據(jù)仿真實驗要求：完成三相異步電動機固有機械特性的繪制，改變定子電壓和改變轉子電阻時的人為特性曲線的繪制，要求電壓從額定電壓開始下降每次降低 20%，共兩次，轉子串電阻每次串 0.7，共 4 次。要求編寫 M 文件程序，分別得出兩種人為特性曲線，每個特性曲線中均要包括固有機械特性的繪制。根據(jù)實驗參數(shù)：額定電壓為，額定轉速為，電源頻率為工頻VUN380min/975

14、rnN50HZ，定子繞組，定子漏電抗，轉子電阻折算值08. 21R12. 31X，轉子漏電抗折算值為。53. 12R25. 42X在 M 文件中寫出程序及相應的參數(shù)。改變定子電壓的人為機械及其固有機械特性曲線如下圖 3-1，M 文件程序見附錄。nsnnnS（3-1-1）221221221)()(XXSRRSRUmTs（3-1-2）圖 3-1 異步電動機的固有及改變定子電壓曲線圖如圖所示，當供電電網(wǎng)電壓降低時，最大轉矩及其啟動轉矩與成maxTstT2U正比的降低；與的降低無關；由于同步轉速，因此也保持不mSUPfns/601sn變。改變轉子電阻時的人為機械特性及其固有機械特性曲線如下圖 3-2，

15、M 文件程序見附錄。圖 3-2 異步電動機固有及其轉子串電阻曲線圖如圖所示，當轉子電阻增加時，最大轉矩不變；由于同步轉速maxT，因此也保持不變；隨的增大二增大， 先增大后減小。Pfns/601snmS2RstT3.2 三相異步電動機起動的仿真三相異步電動機起動的仿真，建立三相異步電動機直接起動和轉子串聯(lián)電阻起動的仿真模型，給出電動機轉速、電磁轉矩和轉子電流隨時間變化的曲線。用MATLAB/Simulink 對繞線式轉子異步電動機直接啟動和轉子串電阻啟動時的啟動過程建模并且仿真。其中三相異步電動機的參數(shù)為 380V、50Hz、1500r/min，三相電源的參數(shù)為 380V 50Hz，轉子串聯(lián)啟

16、動加的電阻值為 1。通過示波器 scope輸出的電動機轉速、電磁轉矩和轉子電流的時間變化曲線進行分析。啟動仿真模型如下：圖 3-3 繞線異步電動機直接啟動仿真模型圖 3-4 繞線異步電動機轉子串電阻啟動仿真模型在運行仿真之后，從示波器 Scope 中得到異步電動機啟動過程的 B 相轉子電流、轉速以及轉矩的變化曲線，如下圖 3-5，圖 3-6。圖 3-5 轉子不串電阻的電流、轉速及轉矩圖圖 3-6 轉子串電阻的電流、轉速及轉矩圖由圖 3-5 與圖 3-6 比較分析可以得出這樣的結論，三相異步電機在直接啟動轉子不串電阻的情況下，其轉子電流非常的大，可能會損壞電動機，發(fā)生事故，帶來不必要的麻煩，當在

17、轉子一側串聯(lián) 1電阻的情況下，可以減小轉子側的電流，降低危險。直接啟動達到穩(wěn)定時間大約為 0.6s,轉子串電阻啟動達到穩(wěn)定的時間大約為 5s，可以得出轉子串電阻啟動時間比直接啟動用時要長一些，但轉子串電阻啟動，異步電動機啟動的穩(wěn)定性相對直接啟動的穩(wěn)定性要高，安全性能好。3.3 三相異步電動機制動仿真三相異步電動機制動的仿真，建立能耗制動模型。三相異步電動機能耗制動的電路圖如圖 3-7。三相異步電動機在三相電的運行條件下，為了迅速停車，觸電進行換接，即當三相電源斷開，電動機脫離電網(wǎng)時，立即將直流電源接通，則在定子兩相繞組內通入直流電流，在定子內形成一個固定磁場。當轉子由于慣性而仍在旋轉時其導體即

18、切割此磁場，在轉子中產(chǎn)生感應電動勢及轉子電流。根據(jù)左手定則，可確定出轉矩方向與轉速方向相反，即為制動轉矩。用 MATLAB/Simulink 建立三相異步電動機能耗制動模型如圖 3-8，三相電源為 460V 60Hz，直流電源為 80V，串的電阻為 1其中電動機的參數(shù)設置如下圖 3-7。圖 3-7 三相異步電動機參數(shù)設置圖 3-8 三相異步電動機能耗制動的仿真模型雙擊示波器得到輸出的電流、轉速和轉矩的輸出波形圖，如圖 3-9 所示：圖 3-9 三相異步電動機轉子電流、轉速及轉矩圖三相異步電動機能耗制動仿真結果如上圖 3-9，從上圖 3-9 可以看出，在一秒前電動機正常啟動，在 1s 時三相電源

19、斷開，單向開關閉合，在 AB 兩相上加入直流電，三相異步電動機進入能耗制動狀態(tài)。這里的開關 Breaker 的閉合和斷開，c 入端為 1 時閉合，為 0 時斷開。由階躍型號 Step 來控制，三相交流電與直流電的換接時間為 1s 時，兩個階躍信號觸發(fā)器 Step 參數(shù)設置如下圖 3-10，左邊為三相電的 Breaker 控制關斷參數(shù)，右邊為直流電的 Breaker 控制關斷參數(shù)。圖 3-10 Step 參數(shù)設置轉速和電磁轉矩基本符合理論關系。如圖在 1s 前三相異步電動機啟動并達到穩(wěn)定運行的狀態(tài)，轉速達到 1750r/min，在達到 1s 時三相電源在階躍信號觸發(fā)器 Step 的作用下斷開，直

20、流電接入 AB 兩相，三相異步電動機如圖開始進入能耗制動狀態(tài)，在兩秒時，電動機幾乎停止轉動，完成制動。3.4 三相異步電動機正反轉仿真三相異步電動機的正反轉由輸入的三相交流電源有關，當規(guī)定好電動機的旋轉正反方向時，改變三相電源其中的 A 和 B 兩相電源位置就可以實現(xiàn)電動機的反轉。三相異步電動機正反轉仿真圖如圖 3-9 所示，C 相電壓方向不變，通過階躍函數(shù)觸發(fā)器 step 控制開關的接通與關斷從而實現(xiàn) AB 兩相電壓方向的改變，來實現(xiàn)三相異步電動機的正方轉。這里我還是運用階躍信號觸發(fā)器 Step 和可控制的Breaker 開關來改變 AB 兩相電的位置，也就是將 Breaker 的三相電 A

21、B 輸出換接三相異步電動機的 BA 兩相實現(xiàn)電動機的正反轉。用 MATLAB/Simulink 建立三相異步電動機正反轉仿真模型如圖 3-11，三相電源為 460V 60Hz，電動機的參數(shù)與能耗制動時的三相異步電動機的參數(shù)相同。圖 3-11 三相異步電動機正反轉仿真在 1s 之前，電動機正常啟動，如圖 3-12 在 0.1s 處達到額定轉速1750r/min，電流及轉矩都變?yōu)?0，在 1s 時三相電源輸出的 AB 兩相在階躍信號觸發(fā)器 Step 和 Breaker 的聯(lián)合作用下變?yōu)?BA，如圖 3-12，,在 1s 時 AB 兩相交換位置電動機開始反轉在運行仿真之后，從示波器 Scope 中得

22、到異步電動機啟動過程的 B 相轉子電流、轉速以及轉矩的變化曲線，如下圖 3-12。圖 3-12 異步電動機正反轉電流、轉速以及轉矩圖通過圖 3-12 可以很直觀的看出，轉速方向以及轉矩方向都發(fā)生了反相變化，更佳確切的驗證了，三相異步電動機要想使其反向旋轉，只需更改三相電源其中的兩相電源位置，就可以實現(xiàn)電動機的反轉。從圖 3-10 可知三相異步電動機在正反轉時轉矩方向也相應發(fā)生了變化。這里的三相交流 AB 兩相換接位置時間為 1s 時，兩個階躍信號觸發(fā)器 Step參數(shù)設置如下圖 3-13 所示：圖 3-13 正反轉 Step 參數(shù)設置開關 Breaker 的閉合和斷開，c 入端為 1 時閉合，為

23、 0 時斷開，由階躍型號Step 來控制。控制輸入電壓方向，從而實現(xiàn)三相異步電動機的正反轉。第 4 章 總結本次開放性實驗設計基本完成了預計的任務，對于三相異步電動機的相關知識有了很好的掌握與思考。經(jīng)過半個月多的努力，我在異步電動機的工作特性方面做了較深入的學習，并完成了相關系統(tǒng)的仿真圖?，F(xiàn)階段已完成的工作及取得的成果主要有：(1)、研究三相異步電動機的機械特性曲線，在MATLAB中編程，并對異步電動機的機械特性進行仿真。(2)、研究三相異步電動機的起動特性曲線，在MATLAB下的SIMULINK中繪制三相異步電動機起動仿真模型，并對其進行仿真。 (3)、研究三相異步電動機的制動特性曲線，在M

24、ATLAB下的SIMULINK中繪制三相異步電動機調速仿真模型，并對其進行仿真。(4)、研究三相異步電動機的正反轉特性曲線，在MATLAB下的SIMULINK中繪制三相異步電動機制動仿真模型，并對其進行仿真。 本人查閱了大量國內外關于電動機系統(tǒng)仿真的技術文獻，對當前MATLAB的仿真模擬在電動機（組）系統(tǒng)中運用的研究和發(fā)展狀況進行了綜述，本文在電動機系統(tǒng)的仿真上做了許多的工作，實現(xiàn)了對三相異步電動機各工作特性的分析與仿真。這種方法的優(yōu)點是速度快，實時性好，費用低。當然，大量的文獻還介紹了其他的仿真、分析的方法。論文在借鑒前人研究的經(jīng)驗和教訓的基礎上，對三相異步電動機各工作特性的進行了 MATL

25、AB 仿真。接下來還有許多工作要做，而且還要用 MATLAB 對更多的電動機工作特性進行仿真，把它們的仿真結果與實際的運行狀況作對比，研究出更貼合實際的仿真過程。整個異步電動機工作特性仿真的設計是一項非常復雜的工作，而且其中的程序設計、數(shù)學建摸等涉及知識面廣，由于本人水平有限，論文中存在缺陷和錯誤在所難免，敬請老師批評指正。參考文獻1 姜華, 伍小杰, 韓曉春. 基于 MATLAB/SIMULINK 的雙三相異步電機的仿真模型及性能研究J. 大電機技術, 2006(6):34-37.2 石欽中. 基于 MATLAB 的三相異步電動機的建模與仿真研究J. 中國科技縱橫, 2015(12):150

26、-150.3 張俊勇. 三相異步電動機直接轉矩控制的仿真研究J. 自動化與儀器儀表, 2015(8).4 惠所信, 鮑照環(huán). 正反轉電動機能耗制動優(yōu)缺點及改進J. 農(nóng)村電工, 2014(6):24-24.5 李祥陽, 陳萬強, 曹海泉,等. 三相異步電動機啟動方式的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 當代化工, 2013(3):349-350.6 王德卿, 張延杰. 三相異步電機啟動常見故障J. 企業(yè)文化旬刊, 2013(6).7 朱春鴦, 周政新. 三相異步電機制動方式瞬態(tài)過程仿真分析研究J. 計算機工程與設計, 2013, 34(6):2125-2131.8 湯仁彪. 基于 Simulink 的三相異步電

27、動機制動特性仿真J. 大眾科技, 2012(11):184-184.9 陳驚鴻. 三相異步電動機制動機械特性的研究J. 中國西部科技, 2014(2):35-36.11 鄧建國. 異步電動機轉子串電阻分級起動過程的 SIMULINK 仿真J. 防爆電機, 2011(4):3-6.12 吳海燕, 李錦全, 陳育中. 三相異步電機正反轉 PLC 控制電路設計J. 江蘇科技信息, 2013(3):66-68.13 吳玉香, 李艷, 劉華,等. 電機及拖動M. 化學工業(yè)出版社, 2013.14 呂愛華. 電機及拖動M. 北京師范大學出版社, 2011.附錄一異步電動機的固有及其改變定子電壓機械特性曲線程序m1=3;U=380;ns=1000;Os=2*pi*ns/60;R1=2.08;R2=1.53;X1=3.12;X2=4.25;n=0:0.5:1000;T=0:0.5:300;T=(m1./Os).*(U.2.*R2.*ns./(ns-n)./(R1+R2.*ns./(ns-n).2+(X1+X2).2);