畢業(yè)設計simulation research of motor based on matlab

1、<p>　　2013 屆 電氣與電子工程 學院</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　完成日期 2013年6月10日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　題 目基于MATLAB的電機仿真研究</p><p&

2、gt;　一、設計內容以Matlab進行直流電機、交流電機(異步電機和同步電機)的起動、調速及制動的仿真，說明建模過程及仿真結果的分析。二、基本要求(1)了解MATLAB軟件的基本功能及應用。(2)采用Simulink進行電機仿真建模。(3)能夠實現(xiàn)不同電機的起動、調速及制動。(4)系統(tǒng)設計要完善合理。三、主要研究方法(1)學習掌握電機的內部結構和工作原理(2)學會使用Matlab的simulink模塊搭建仿真模型及M語言的編寫(3)仿真

3、實驗，找到適合不同電機的仿真模型四、應收集的資料及參考文獻(1)電機相關資料(2)MATLAB及在電子信息類課程中的應用(3)電力拖動相關資料(4)MATLAB電機仿真舉例分析五、進度計劃(1)第1周——第3周：查資料，確定系統(tǒng)總體設計方案，開題報告；(2)第5周——第8周：系統(tǒng)各部分設備選擇；(3)第9周——第11周：完成控制系統(tǒng)設計；(4)第12周——第13周：完成設計說明書；(5)第14周——第16周：修改設計說明書，準備答辯。&

4、lt;/p><p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設計是基于MATLAB的電動機仿真實驗，要完成本畢業(yè)設計有幾項準備工作：首先需要學習解電動機的內部結構和工作原理，其次就是MATLAB軟件的學習。對仿真模型的搭建需要用到Simulink模塊，通過S

5、imulink模塊搭建出不同類型、不同容量電機的起動、調速和制動模型，然后仿真出各參數(shù)的曲線。</p><p>　　對電動機所做這些仿真對電機的研究發(fā)揮著重大意義。通過搭建模型來仿真電動機的起動、調速和制動過程曲線變化，第一、能夠大大提高實驗過程當中的安全性；第二、搭建仿真模型操作簡單，修改各參數(shù)方便快捷，在今后電動機的改良及系統(tǒng)的設計中可以大大縮短設計開發(fā)周期，有利于選擇最佳參數(shù)和設計最合理的系統(tǒng)方案；第三、仿

6、真結果通過Simulink模塊當中示波器顯示其曲線變化，這樣可以更為直觀的觀察到各參數(shù)對電動機性能的影響，對電動機的研究帶來了極大的方便。</p><p>　　關鍵詞：電動機 MATLAB Simulink 仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design is electric

7、machinery simulation experiment based on MATLAB. Firstly, we should learn to study the internal structure and principle of operation of the electric machinery. Secondly, it is the learning of the MATLAB software. To buil

8、d up a simulation model we need to use the Simulink module to build up different type and capacity motors’ starting, speed regulation and braking module by Simulink module, then simulate the curves of the parameters.<

9、/p><p>　　The simulation of the motor plays an important role in studying the electric machinery. By building up the models to simulate the variety of the motors’starting,speed regulation and braking curves. Fir

10、stly, we can greatly improve the safety during the process of the experiment. Secondly, it is easy to build up a simulation model and convenient to modify the parameters, so we can greatly shorten the design cycle in the

11、 future motor improvement and system design and it is propitious to select opti</p><p>　　Key words: electric motor MATLAB Simulink simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p>&l

12、t;p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 電機仿真的背景及意義1</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 論文研究的主要內容2</p><p>　　第2章 MATLAB概述3</p><p>　　2.1 M

13、ATLAB語言及特點3</p><p>　　2.2 Simulink的應用4</p><p>　　2.2.1 簡介4</p><p>　　2.2.2 功能4</p><p>　　2.2.3 特點5</p><p>　　2.2.4 啟用5</p><p>　　第3章 變壓器

14、7</p><p>　　3.1 變壓器的基本工作原理7</p><p>　　3.2 變壓器仿真9</p><p>　　3.2.1 變壓器空載運行狀態(tài)仿真9</p><p>　　3.2.2 變壓器負載運行狀態(tài)仿真12</p><p>　　第4章 三相異步電動機14</p><p&

15、gt;　　4.1 三相異步電動機工作原理14</p><p>　　4.2 三相異步電動機的起動17</p><p>　　4.2.1 三相異步電動機直接啟動17</p><p>　　4.2.2 三相異步電動機降壓啟動19</p><p>　　4.3 三相異步電動機制動23</p><p>　　4.3.

16、1 三相異步電動機自由制動仿真23</p><p>　　4.3.2 三相異步電動機能耗制動仿真25</p><p>　　4.3.3 三相異步電動機反接制動仿真26</p><p>　　4.4 三相異步電動機調速仿真27</p><p>　　4.4.1 三相異步電動機轉子串電阻仿真28</p><p>

17、;　　4.4.2 三相異步電動機定子調壓調速仿真29</p><p>　　4.4.3 三相異步電動機變頻調速仿真30</p><p>　　第5章 三相同步電動機仿真32</p><p>　　5.1 三相同步電動機的基本工作原理32</p><p>　　5.2 三相同步電動機起動仿真33</p><p&g

18、t;　　5.3 三相同步電動機能耗制動仿真34</p><p>　　5.4 三相同步電動機變頻調速仿真36</p><p>　　第6章 直流電機37</p><p>　　6.1 直流電機的工作原理37</p><p>　　6.2 直流電動機啟動仿真39</p><p>　　6.2.1 他勵直流電動

19、機直接啟動仿真39</p><p>　　6.2.2 他勵直流電動機分級啟動仿真40</p><p>　　6.3 直流電動機制動仿真42</p><p>　　6.3.1 直流電動機能耗制動仿真42</p><p>　　6.3.2 直流電動機反接制動仿真43</p><p>　　6.4 直流電動機調速仿

20、真45</p><p>　　6.4.1 直流電動機改變電樞電壓調速仿真45</p><p>　　6.4.2 直流電動機減弱磁通調速仿真46</p><p>　　第7章 結論48</p><p>　　7.1 結論48</p><p><b>　　參考文獻49</b></p&

21、gt;<p><b>　　致謝50</b></p><p>　　附錄A 外文資料翻譯51</p><p>　　A.1 英文51</p><p>　　A.2 譯文59</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1

22、電機仿真的背景及意義</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，電機已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中去，成為滿足人們日常生活衣、食、住、行不可或缺的重要設備。同時，電機在世界各國綜合國力的較量中起著決定性作用。如何生產出高性能的電機以及實現(xiàn)電機的合理控制正在逐漸成為重要的研究課題。經(jīng)歷了100多年的技術發(fā)展，電動機自身的理論基本成熟。隨著電工技術的發(fā)展，對電能的轉換、控制以及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工

23、電子技術的廣泛應用，為電動機的發(fā)展注入了新的活力。目前，電機研究的不斷深入并且電機控制系統(tǒng)越來越復雜，仿真是對其進行研究的一個重要的、不可或缺的手段，而值得考慮的是采用何種軟件才使得仿真方便、快速、準確和計算精確。 MATLAB軟件已經(jīng)成功在電機仿真研究中應用。電機仿真對電機研究有重大意義：</p><p>　　(1)能夠大大提高實驗過程當中的安全性；</p><p>　　(

24、2)搭建仿真模型操作簡單，修改各參數(shù)方便快捷，在今后電動機的改良及系統(tǒng)的設計中可以大大縮短設計開發(fā)周期，有利于選擇最佳參數(shù)和設計最合理的系統(tǒng)方案；</p><p>　　(3)仿真結果通過Simulink模塊當中示波器顯示其曲線變化，這樣可以更為直觀的觀察到各參數(shù)對電動機性能的影響，對電動機的研究帶來了極大的方便。</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀</p><

25、p>　　我國電機工業(yè)體系是從新中國成立后建立的。建國后，電機制造工業(yè)得到迅猛發(fā)展，從初期的仿制到自行設計再到研發(fā)創(chuàng)新，經(jīng)過60多年的發(fā)展，已建立了全國性的研究實驗基地，培養(yǎng)了一大批從事研究、制造電機的專家和工程技術人員，有了統(tǒng)一的國家標準和系列產品。然而，與國外相比，中國的電機發(fā)展還相對落后。國外電機發(fā)展起步早、發(fā)展迅速，我國抓住第二次工業(yè)革命的機遇正在趕超國外。</p><p>　　總體來講，電機的理論已

26、經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)在國內外正在電機系統(tǒng)設計與新型材料研制方面進行著新一輪的競爭。而電機仿真就是在這種背景下產生的。電機仿真在電機的研究中有著諸多優(yōu)點，仿真也在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。</p><p>　　1.3 論文研究的主要內容</p><p>　　本設計是基于MATLAB的電機仿真實驗，它所包含的主要內容有：</p><p>　　(1)需要學習了解電機的

27、內部結構和工作原理；</p><p>　　(2)對MATLAB軟件進行學習；</p><p>　　(3)對電機不同仿真模型進行搭建；</p><p>　　(4)對搭建模型進行說明并且對比分析仿真曲線的特性。</p><p>　　對仿真模型的搭建需要用到Simulink模塊，通過Simulink模塊搭建出不同類型、不同容量電機的起動、調速和制動

28、模型，然后仿真出各參數(shù)的曲線，并通過對各曲線的波形對比分析討論不同類型、不同容量電機的起動、調速和制動的優(yōu)缺點，從而找到適合于不同應用電機的起動、調速與制動方法，使電機工作在最佳的狀態(tài)。這樣在今后電動機的改良及系統(tǒng)的設計中可以大大縮短設計開發(fā)周期，有利于選擇最佳參數(shù)和設計最合理的系統(tǒng)方案。</p><p>　　第2章 MATLAB概述</p><p>　　2.1 MATLAB語言及特點

29、</p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)據(jù)分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言(如C、Fortran)的編輯模式，代表了當

30、今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB語言是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言。它集成度高，使用方便，輸入簡捷，運算高效，內容豐富，并且很容易由用戶自行擴展。與其他計算機語言相比，MATLAB有許多特點。</p><p>　　(1)MATLAB是一種解釋性語言</p><p>　　MATLAB以解釋方式工作，輸入算式立即得出結果，無

31、需編譯，對每條語句解釋后立即執(zhí)行。若有錯誤也立即做出反應，便于編程者馬上改正。這些都大大減輕了編程和調試的工作量。</p><p>　　(2)變量的“多功能性”</p><p>　?、倜總€變量代表一個矩陣，它可以有n×m個元素；</p><p>　?、诿總€元素都看成復數(shù)，這個特點在其他語言中也是不多見的；</p><p>　?、劬?/p>

32、陣的行數(shù)、列數(shù)無需定義，MATLAB會根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)形式，自動決定一個矩陣的階數(shù)，而在用其他語言編輯時必須定義矩陣的階數(shù)。</p><p>　　(3)運算符號的“多功能性”</p><p>　　所有的運算，包括加、減、乘、除、函數(shù)運算都對矩陣和復數(shù)有效。</p><p>　　(4)語言規(guī)則與筆算式相似</p><p>　　MATLAB的程

33、序與科技人員的書寫習慣相近，因此易寫易讀，易于在科技人員之間交流。</p><p>　　(5)強大而簡易的作圖功能</p><p>　?、倌芨鶕?jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖；</p><p>　?、谀芤?guī)定多種坐標(極坐標、對數(shù)坐標等)繪圖；</p><p>　　③能繪制三維坐標中的曲線和曲面；</p><p>　?、芸稍O置

34、不同顏色、線型、視角等。</p><p>　　如果數(shù)據(jù)齊全，往往只需一條命令即可給出相應的圖形。</p><p><b>　　(6)智能化程度高</b></p><p>　　①繪圖時自動選擇最佳坐標，以及按輸入和輸出變元數(shù)自動選擇算法等；</p><p>　?、谧鰯?shù)值分析時自動按精度選擇步長；</p>&l

35、t;p>　?、圩詣訖z測和顯示程序錯誤的能力強，易于調試。</p><p>　　(7)功能豐富，可擴展性強</p><p>　　MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴展部分?；静糠职ǎ壕仃嚨倪\算和各種變換，代數(shù)和超越方程的求解，數(shù)據(jù)處理和傅里葉變換及數(shù)據(jù)積分等，可以滿足大學理工科計算的需要。擴展部分稱為工具箱(toolbox)。它實際上是用MATLAB的基本語句編成的各種子程序集，用

36、于解決某一個方面的專門問題，或某一領域的新算法?，F(xiàn)在已經(jīng)有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡及小波分析等20余個工具箱，并且還在繼續(xù)發(fā)展中。</p><p>　　MATLAB由于其強大的功能，在歐美等國家的一些大學里，MATLAB已經(jīng)成為諸如數(shù)字信號處理、自動控制理論等課程的主要工具軟件，同時也是理工科本科生、研究生必須掌握的一項基本技能。近年來，隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展及與國外著名高

37、校的接軌，許多高校都開設了這門課程，MATLAB這一功能強大的軟件逐漸被越來越多的人了解和使用[1]。</p><p>　　2.2 Simulink的應用</p><p><b>　　2.2.1 簡介</b></p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無

38、需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink[1]。</p><p><b>　　2.2.2 功能</b></p>

39、<p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形

40、用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。</p><p>　　Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。.</p>&

41、lt;p>　　構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義[1]。</p><p><b>　　2.2.3 特點</b></p&

42、gt;<p>　　(1)豐富的可擴充的預定義模塊庫； </p><p>　　(2)交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖； </p><p>　　(3)以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理； </p><p>　　(4)通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼； </p&

43、gt;<p>　　(5)提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；</p><p>　　(6)使用Embedded MATLAB? 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法； </p><p>　　(7)使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以

44、編譯C代碼的形式來運行模型；</p><p>　　(8)圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為； </p><p>　　(9)可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)； </p><p>　　(10)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。</p><p>&l

45、t;b>　　2.2.4 啟用</b></p><p>　　(1)在MATLAB命令窗口中輸入simulink</p><p>　　結果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。</p><p>　　當然用戶也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開Simulink

46、Library Browser窗口。</p><p>　　(2)在MATLAB命令窗口中輸入simulink3</p><p>　　結果是在桌面上出現(xiàn)一個用圖標形式顯示的Library:simulink3的Simulink模塊庫窗口。</p><p>　　兩種模塊庫窗口界面只是不同的顯示形式，用戶可以根據(jù)各人喜好進行選用，一般說來第二種窗口直觀、形象，易于初學者，但

47、使用時會打開太多的子窗口[1]。</p><p><b>　　第3章 變壓器</b></p><p>　　3.1 變壓器的基本工作原理</p><p>　　單相變壓器的基本工作原理示意圖如圖3-1所示，在同一鐵心上分別繞有匝數(shù)為和的兩個高、低壓繞組，其中接電源的，從電網(wǎng)吸收電能的AX繞組稱為一次繞組，接負載的，向外電路輸出電能的ax繞組稱為

48、二次繞組。</p><p>　　圖3-1 單相變壓器工作原理示意圖</p><p>　　當一次繞組外加電壓時，二次側就有電流流過，并在鐵心中產生與同頻率的交變主磁Ø，主磁通同時鏈繞一、二次繞組，根據(jù)電磁感應定律，會在一、二次繞組中產生感應電動勢、，二次側在的作用下產生負載電流,向負載輸出電能[2]。</p><p><b>　　根據(jù)電磁感應定律

49、有</b></p><p><b>　　=-</b></p><p><b>　　=-</b></p><p><b>　　==k</b></p><p>　　式中，——一次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——一次側線圈匝數(shù)(匝)；

50、</p><p>　　Ø——主磁通強度(Wb)；</p><p>　　t——磁通變化時間(S)；</p><p>　　——二次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——一次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——二次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——二次側線圈匝數(shù)

51、(匝)；</p><p>　　k——變壓器電壓比；</p><p>　　如果忽略變壓器一、二次繞組內阻和漏磁通，一、二次繞組端電壓可近似為：</p><p><b>　　≈</b></p><p><b>　　≈</b></p><p><b>　　≈==k<

52、/b></p><p>　　式中，——一次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——一次側線圈匝數(shù)(匝)；</p><p>　　——一次側端電壓(V)；</p><p>　　——二次側端電壓(V)；</p><p>　　——二次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——一次側感應電

53、動勢(V)；</p><p>　　——二次側感應電動勢(V)；</p><p>　　——二次側線圈匝數(shù)(匝)；</p><p>　　k——變壓器電壓比；</p><p>　　可見，只要改變一、二次繞組匝數(shù)之比，就可變換電壓，滿足不同用戶的需求，這就是變壓器的基本工作原理。</p><p>　　變壓器的參數(shù)有勵磁參數(shù)和短

54、路參數(shù)，只有這些參數(shù)已知，才能運用基本方程、等效電路或向量圖求解各量。對制造好的變壓器，其參數(shù)可通過試驗測得。</p><p>　　3.2 變壓器仿真</p><p>　　3.2.1 變壓器空載運行狀態(tài)仿真</p><p>　　通過空載試驗可得勵磁參數(shù)、電壓比和鐵損等數(shù)據(jù)。變壓器空載試驗接線圖如圖3-2所示。</p><p>　　a

55、 b </p><p>　　圖3-2 變壓器空載試驗接線圖</p><p>　　a 單相變壓器 b 三相變壓器</p><p>　　為了便于測量和安全，空載試驗一般在二次側做，即在低壓繞組ax上加電壓U,高壓繞組AX開路，測量電壓U、空載電流I

56、、輸入功率P和開路電壓U。因變壓器空載時無功率輸出，所以輸入的功率全部消耗在變壓器的內部，為鐵芯損耗P和空載銅耗r之和，但空載電流I很小，P>>r，故可忽略空載銅耗，認為P≈P=r。根據(jù)測得的空載試驗數(shù)據(jù)可計算三相變壓器的參數(shù)[3]。</p><p><b>　　變壓器變比為</b></p><p><b>　　k==</b><

57、/p><p>　　式中，——一次側線圈匝數(shù)(匝)；</p><p>　　——一次側空載電壓(V)；</p><p>　　——二次側額定電壓(V)；</p><p>　　——二次側線圈匝數(shù)(匝)；</p><p>　　k——變壓器電壓比；</p><p><b>　　空載阻抗為</b&

58、gt;</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中，——空載阻抗(?)；</p><p>　　——二次側額定電壓(V)；</p><p>　　——二次側空載電流(A)；</p><p><b>　　空載電阻為</b></p><p&g

59、t;　　r= (3-9)</p><p>　　式中，——空載電阻(?)；</p><p>　　——空載功率(W)；</p><p>　　——二次側空載電流(A)；</p><p>　　其中，z=z+z；r=r+r。因z>>z，r>>,可認為</p>&l

60、t;p><b>　　勵磁阻抗為</b></p><p><b>　　z≈=</b></p><p>　　式中，——勵磁阻抗(?)；</p><p>　　——空載阻抗(?)；</p><p>　　——二次側額定電壓(V)；</p><p>　　——二次側空載電流(A)；&

61、lt;/p><p><b>　　勵磁電阻為</b></p><p>　　≈r= (3-11)</p><p>　　式中，——勵磁電阻(?)；</p><p>　　——空載電阻(?)；</p><p>　　——空載功率(W)；</p><

62、;p>　　——二次側空載電流(A)；</p><p><b>　　勵磁電抗為</b></p><p>　　=() (3-12) </p><p>　　式中，——勵磁電阻(?)；</p><p>　　——勵磁阻抗(?)；<

63、;/p><p>　　——勵磁電抗(?)； </p><p>　　由于空載試驗在低壓側做，計算所得的勵磁參數(shù)是低壓側的值，如需折算到高壓側各計算值應乘以k，還應注意，勵磁參數(shù)隨電壓的大小而變化，計算時要取額定電壓下的數(shù)據(jù)。對于三相變壓器，測得的功率是三相的，而勵磁參數(shù)是指每一相的，故在計算時應將三相功率除以3，即取一相功率計算，同時應將測得的線值數(shù)據(jù)轉換成相值數(shù)據(jù)。 &

64、lt;/p><p>　　實例：某單相變壓器U/U=220V/110V, S=1KVA,建立該變壓器仿真模型，仿真顯示該變壓器空載運行時一、二次電壓和電流波形[4]。</p><p>　　建模：此模型一次側電源選取AC Voltage Source，額定值設為220V；單相變壓器選取Saturable Transformer；二次側空載；示波器顯示波形依次為一次側電壓、一次側電流、二次側電壓、二

65、次側電流如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 變壓器空載仿真模型</p><p>　　單相變壓器空載運行仿真結果如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 變壓器空載仿真結果</p><p>　　結果分析：一次側電壓為電源電壓波形：正弦波、峰值為220、頻率為50Hz；一次側電流由/R計算所得：正弦波、頻率為50Hz；二次側

66、電壓由式(3-7)計算所得：正弦波、頻率50Hz；由于為空載試驗，二次側沒有閉合回路，電流為0。</p><p>　　3.2.2 變壓器負載運行狀態(tài)仿真</p><p>　　實例：某單相變壓器，其額定參數(shù)為額定容量S=10kVA，額定頻率f=50Hz,額定電壓/=380V/220V,一次繞組漏阻抗=(0.14+j0.22)?,二次繞組漏阻抗=(0.035+j0.055) ?，勵磁阻抗=(

67、30+j310)?，負載阻抗=(4+j3) ?，試用Simulink建立仿真模型，計算當一次側加額定電壓時，一、二次側的實際電流、勵磁電流及二次側的電壓[4]。</p><p>　　建模：一次側電源選取AC Voltage Source，額定值設為220V；變壓器選擇Liner Transformer；由Display模塊顯示仿真結果：Display1顯示二次側電流有效值、Display2顯示一次側電流有效值、D

68、isplay顯示二次側電壓有效值、Display3顯示勵磁電流有效值，模塊前串入RMS模塊以輸出有效值，如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 變壓器負載仿真結果</p><p>　　結果分析：用“T”形等效電路計算 </p><p><b>　　k===1.73</b></p><p>　　一次額定電流為:

69、 ==A=26.32A</p><p>　　二次側額定電流為: ==A=45.45A</p><p>　　用“T”形等效電路求解，二次側折算到一次側的參數(shù)為:</p><p>　　z=+=(11.51+j9.4665)?=14.90∠39.436°?</p><p>　　取參考向量為380∠0°V，則所求各電流為:

70、</p><p>　　===25.50∠-39.436°A</p><p>　　-=-=373.68∠-0.317°V</p><p>　　==1.20∠-84.789°A</p><p>　　即一次電流=25.50A,二次電流42.68A,勵磁電流=1.20A，二次電壓=∣∣=213.40V。</p>

71、;<p>　　第4章 三相異步電動機</p><p>　　4.1 三相異步電動機工作原理</p><p>　　異步電動機定子相數(shù)有單相、三相兩類。三相異步電動機轉子結構有籠型和繞線式兩種，單相異步電機轉子都是籠型。異步電機主要由固定不動的定子和旋轉的轉子兩部分組成，定、轉子之間有氣隙，在定子兩端有端蓋支撐轉子。</p><p>　　當異步電機定子繞

72、組接到三相電源上時，定子繞組中將流過三相對稱電流，氣隙中將建立基波旋轉磁動勢，從而產生基波旋轉磁場，其同步轉速取決于電網(wǎng)頻率和繞組的極對數(shù)，即:</p><p>　　n= (4-1)</p><p>　　式中，n——轉子轉速(r/min)；</p><p>　　——電網(wǎng)頻率(Hz)； </p>&l

73、t;p><b>　　——繞組極對數(shù)；</b></p><p>　　這個基波旋轉磁場在短路的轉子繞組(若是籠型繞組則其本身就是短路的，若是繞線式轉子則通過電刷短路)中感應電動勢并在轉子繞組中產生相應的電流，該電流與氣隙中的旋轉磁場相互作用而產生電磁轉矩。由于這種電磁轉矩的性質與轉速大小相關，下面將分三個不同的轉速范圍來進行討論[5]。</p><p>　　轉差率為

74、同步轉速n與轉子轉速n之差(n-n)對同步轉速n之比值，以S表示，即</p><p>　　S= (4-2)</p><p>　　式中，S——轉差率；</p><p>　　——同步轉速(r/min)；</p><p>　　n——轉子轉速(r/min)；</p><p>　

75、　當異步電動機的負載發(fā)生變化時，轉子的轉差率隨之變化，使得轉子導體的電勢、電流和電磁轉矩發(fā)生相應的變化，因此異步電機轉速隨負載的變化而變動。按轉差率的正負、大小，異步電機可分為電動機、發(fā)電機、電磁制動三種運行狀態(tài)，如圖4-1所示。</p><p>　　a b c </p&

76、gt;<p>　　圖4-1 異步電機的三種運行狀態(tài)</p><p>　　a 電動機狀態(tài) b 發(fā)電機狀態(tài) c 電磁制動狀態(tài)</p><p><b>　　(1)電動機狀態(tài)</b></p><p>　　當0<n<,即0<S<1時，轉子中導體以與n相反的方向切割旋轉磁場，導體中將產生感應電動勢和感應電流

77、。由右手定則，該電流在N極下的方向為⊕；由左手定則，該電流與氣隙磁場相互作用將產生一個與轉子轉向同方向的拖動力矩。該力矩能克服負載制動力矩而拖動轉子旋轉，從軸上輸出機械功率。根據(jù)功率平衡，該電機一定從電網(wǎng)吸收有功電功率。</p><p>　　如果轉子被加速到，此時轉子導體與旋轉磁場同步旋轉，它們之間無相對切割，因而導體中無感應電動勢，也沒有電流，電磁轉矩為0。因此在電動機狀態(tài)，轉速n不可能達到同步轉速。</

78、p><p><b>　　(2)發(fā)電機狀態(tài)</b></p><p>　　用原動機拖動異步電機，使其轉速高于旋轉磁場的同步轉速，即n>、S<0。轉子上導體切割旋轉磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反，從而導體上感應電動勢，電流的方向與電動機狀態(tài)相反，N極下導體電流方向為⊙；電磁轉矩的方向與轉子轉向相反，電磁轉矩為制動性質。此時異步電機由轉軸從原動機輸入機械功率，克服電磁轉

79、矩，通過電磁感應由定子向電網(wǎng)輸出電功率(因導體中電流方向與電動機狀態(tài)相反)，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。</p><p><b>　　(3)電磁制動狀態(tài)</b></p><p>　　由于機械負載或其他外因，轉子逆著旋轉磁場的方向旋轉，即n<0、S>1。此時轉子導體中的感應電動勢、電流與在電動機狀態(tài)下的相同，N極下導體電流方向為⊕；轉子轉向與旋轉磁場方向相反，電磁轉

80、矩表現(xiàn)為制動轉矩。此時電機運行于電磁制動狀態(tài)，即由轉軸從原動機輸入機械功率的同時又從電網(wǎng)吸收電功率(因導體中電流方向與電動機狀態(tài)相同)，兩者都變成了電機內部的損耗。</p><p>　　當涉及到計算時，常常會用到等效電路來簡化計算</p><p>　　空載等效電路如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 異步電機空載等效電路</p><p

81、>　　異步電機的T型等效電路如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 異步電機T型等效電路</p><p>　　異步電機的Γ型等效電路如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 異步電機Γ型等效電路</p><p>　　4.2 三相異步電動機的起動</p><p>　　當異步電動機直接投入電網(wǎng)啟動

82、時，在t=0，S=1。異步電動機對電網(wǎng)呈現(xiàn)短路阻抗，流過它的穩(wěn)態(tài)電流稱為啟動電流。</p><p>　　一般籠型異步電動機=0.14~0.25,在額定電壓(=1)下直接啟動，=4~7，則啟動電流倍數(shù)為:</p><p>　　==4~7 (4-3)</p><p>　　式中，——起動電流倍數(shù)；</p>&

83、lt;p>　　——起動電流(A)；</p><p>　　——額定電流(A)；</p><p>　　而啟動轉矩倍數(shù)=0.9~1.3。雖然啟動電流很大，而啟動轉矩并不大。啟動電流大還會造成如下影響：一方面使電源電壓在電動機啟動時下降，特別是電源容量較小時電壓下降更大；另一方面大的啟動電流會在線路和電機內部產生損耗而引起發(fā)熱。起動轉矩必須大于負載轉矩才可能啟動，啟動轉矩越大，加速越快，啟動

84、時間越短。</p><p>　　異步電動機在啟動時，電網(wǎng)對異步電動機的要求與負載對它的要求往往是矛盾的。電網(wǎng)從減少它所承受的沖擊電流出發(fā)，要求異步電動機啟動電流盡可能小，但太小的啟動電流所產生的啟動轉矩又不足以啟動負載；而負載要求啟動轉矩盡可能大，以縮短啟動時間，但大的啟動轉矩伴隨著大的啟動電流又可能不為電網(wǎng)所接受。下面討論適合于不同電機容量、負載性質而采用的啟動方法[6]。</p><p&g

85、t;　　4.2.1 三相異步電動機直接啟動</p><p>　　直接啟動適用于小容量電機帶輕載的情況，啟動時，將定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。對于額定電壓為380V的電機而言，當≤7.5kW時，可以直接啟動。</p><p>　　實例：某臺三相四極籠型異步電動機技術參數(shù)：額定功率=10kW，額定電壓=380V(△連接)，定子每相電阻=1.33Ω，每項漏抗=2.45Ω，轉子每相電阻折算

86、值=1.12Ω，每相漏抗折算值=4.4Ω，勵磁電阻=7Ω，勵磁漏抗=90Ω，電動機的轉動慣量J=0.0747kg?，電動機帶載啟動，負載轉矩為30N?m。用Simulink仿真定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[7]。</p><p>　　建模：模型中采用了三個獨立的單相交流電壓模塊組成三相交流電源；用三相交流電壓和電流測量模塊測量三相交流電路的電壓和電流；用電動機測量模塊接示波器顯示直接啟動過程的定子電流

87、、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線；用三相斷路器控制三相電源的投入時間；異步電機采用位于[Power System]庫中的異步電動機模塊。</p><p>　　仿真模型如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 異步電機直接啟動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-6所示：</p><p>　　圖4-6 異步電機直接啟動仿真結果

88、</p><p>　　結果分析：從上面波形圖可以看出，直接起動時，起動過程在1.8秒左右結束，起動速度較快。因為負載很小，所以轉速非常接近同步轉速1500min/r，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。啟動負載較小，異步電機在直接起動過程中的起動定子電流最大約為25A。</p><p>　　三相異步電動機降壓啟動</p>&l

89、t;p>　　如表4-1所示為不同降壓啟動方法的比較。</p><p>　　表4-1 各種降壓啟動方法的比較</p><p>　　(1)三相異步電動機定子串電阻啟動仿真</p><p>　　實例：異步電動機模塊選用預設模型20，觀察整個啟動過程，示波器顯示啟動過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[7]。</p><p>　　建

90、模：定子側增加了與斷路器并聯(lián)的外串三相對稱啟動電阻，起動時串入啟動電阻，設其值為0.3?，待異步電動機啟動完畢后切除外串的起動電阻，即將斷路器接通。可設斷路器在0.8S時刻投入，設電動機帶載啟動，負載轉矩為30N?m。</p><p>　　仿真模型如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7 異步電機定子串電阻啟動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-8

91、所示：</p><p>　　圖4-8 異步電機定子串電阻啟動仿真結果</p><p>　　結果分析：0.8S以前電機定子串入電阻，由于電阻的分壓，施加到電機的電壓未達到全壓，定子電流與轉子電流呈現(xiàn)較大波動，轉速持續(xù)上升，轉矩波動較小；0.8S之后，斷路器閉合，電機投入全壓運行，各參數(shù)波形呈現(xiàn)波動，大約1.3S之后電機達到穩(wěn)定運行，轉速達到額定轉速1500r/min，轉矩達到30N

92、3;m。與直接起動相比，定子串電阻啟動降低了啟動電流，減小了對電機的沖擊，但啟動時間有所延長。</p><p>　　(2)三相異步電動機定子串電抗起動仿真</p><p>　　實例：異步電動機模塊選用預設模型20，設串入的每項電抗值L=0.001H，電動機帶載起動，負載轉矩為30N?m，觀察整個起動過程，示波器顯示起動過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[7]。</p>

93、;<p>　　建模：此模型與定子串電阻啟動相似，可設斷路器在1.8S時刻投入，在1.8S之前，電機未投入到全壓運行，待異步電動機起動完畢后切除外串的起動電抗，即將斷路器接通，電機投入到全壓運行。 </p><p>　　仿真模型如圖4-9所示：</p><p>　　圖4-9 異步電機定子串電抗啟動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-10所示：

94、</p><p>　　圖4-10 異步電機定子串電抗啟動仿真結果</p><p>　　結果分析：0.8S以前電機定子串入電抗，由于電抗的分壓，施加到電機的電壓未達到全壓，定子電流與轉子電流呈現(xiàn)較大波動，轉速持續(xù)上升，轉矩波動較?。?.8S之后，斷路器閉合，電機投入全壓運行，各參數(shù)波形呈現(xiàn)波動，大約1.5S之后電機達到穩(wěn)定運行，轉速達到額定轉速1500r/min，轉矩達到30N·

95、m。與直接起動相比，定子串電抗啟動降低了啟動電流，減小了對電機的沖擊，但啟動時間有所延長。</p><p>　　(3)三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻起動仿真</p><p>　　實例：已知某臺三相四極繞線轉子異步電動機技術參數(shù)：額定功率P=11kW,額定電壓=380V(?聯(lián)結)，定子每相電阻=0.4?，每相漏抗=1?，轉子每相電阻折算值=0.4?，每相漏抗折算值=1?，勵磁電阻忽略，勵磁

96、漏抗=40 ?，電動機的轉動慣量J=0.089kg?,設摩擦系數(shù)F=0，電動機帶載啟動，負載轉矩為72N?m。用matlab仿真觀察整個起動過程，示波器顯示起動過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[7]。</p><p>　　建模：模型選取相應的電機模型，設置好參數(shù)；轉子通過起動電阻閉合，起動時串入啟動電阻參數(shù)設定為0.5 ?，待異步電動機起動完畢后切除外串的起動電阻，即將斷路器接通，可設斷路器在0.6

97、S時刻投入。</p><p>　　仿真模型如圖4-11所示：</p><p>　　圖4-11 異步電機轉子串電阻啟動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-12 異步電機轉子串電阻啟動仿真結果</p><p>　　結果分析：由波形可見，轉子串入電阻啟動時，轉速持續(xù)上升，定

98、子電流、轉子電流與轉矩均有較大幅度波動，約在0.25S時刻達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于未投入全壓運行，轉速未達到額定轉速1500r/min，轉矩達到負載轉矩；到0.6S時，斷路器接通，電機投入到全壓運行，轉速達到1500r/min，定子電流、轉子電流與轉矩均有小幅度波動然后約在0.8S時達到穩(wěn)定狀態(tài)。與直接起動相比，起動電流有明顯降低，但與此同時起動時間也大大延長。</p><p>　　4.3 三相異步電動機制動<

99、/p><p>　　異步電動機的制動包括反接制動、反向回饋制動、能耗制動。</p><p>　　4.3.1 三相異步電動機自由制動仿真</p><p>　　實例：用Simulink建立三相異步電動機自由制動仿真模型，觀察整個制動過程，示波器顯示自由停車過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線。</p><p>　　建模：仿真開始瞬間應使三相

100、交流電源處在接通狀態(tài)，電動機穩(wěn)定運行后，在t=0.5S時刻自由停車，自由停車瞬間設置三相交流電源斷路器斷開，電機在慣性作用下繼續(xù)旋轉一段時間后停車。</p><p>　　仿真模型如圖4-13所示：</p><p>　　圖4-13 異步電機自由制動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-14所示：</p><p>　　圖4-14 異步

101、電機自由制動仿真結果</p><p>　　結果分析：自由停車是最簡單的停車方式，在切除電源后電機在自身摩擦及負載作用下停止旋轉，因此，它的制動時間主要由負載大小所決定。本例中，斷電瞬間轉子電流與轉矩瞬間變?yōu)?，由于慣性作用轉速不能突變，約在1S時，電機停止轉動，制動結束。</p><p>　　4.3.2 三相異步電動機能耗制動仿真</p><p>　　實例：用Si

102、mulink建立三相異步電動機能耗制動仿真模型，觀察整個制動過程，示波器顯示能耗制動過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線。</p><p>　　建模：在自由制動的基礎上在A、B兩相間增加了一串聯(lián)電阻，在切除電源同時通過一個單相斷路器將電阻串入電機定子，來實現(xiàn)能耗制動。制動過程設置在1S時刻進行。</p><p>　　仿真模型如圖4-15所示：</p><p&g

103、t;　　圖4-15 異步電機能耗制動仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-16所示：</p><p>　　圖4-16 異步電機能耗制動仿真結果</p><p>　　結果分析：由于在定子間串入了電阻，電機由于慣性繼續(xù)轉動過程中轉子繼續(xù)切割磁力線產生電流，定子存在回路，感應出的電能消耗在串入的電阻值之中，將機械能轉化為電能消耗在電機內部。由仿真結果可見，在制

104、動瞬間定子電流、轉子電流與轉矩有小幅度波動，而轉速下降速度相比自由停車過程明顯加快，因此能耗制動有效的縮短了制動時間，提高了電機效率。</p><p>　　4.3.3 三相異步電動機反接制動仿真</p><p>　　實例：用Simulink建立三相異步電動機反接制動仿真模型，觀察整個制動過程，示波器顯示反接制動過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線。</p><

105、;p>　　建模：模型中使用了兩個三相短路器控制介入異步電動機定子三相繞組的電流相序，以實現(xiàn)反接制動。在電機穩(wěn)定運行的情況下，在t=1S時刻進行能耗制動，Three-Phase Break1斷開，Three-Phase Break接通，將B、C兩相電源反接來實現(xiàn)能耗制動。</p><p>　　仿真模型如圖4-17所示：</p><p>　　圖4-17 異步電機反接制動仿真模型<

106、/p><p>　　仿真結果如圖4-18所示：</p><p>　　圖4-18 異步電機反接制動仿真結果</p><p>　　結果分析：反接制動是將定子的任意兩相接頭調換，使定子內部產生與原方向相反的交變磁場(此例中為B、C兩相)，反接后的磁場由于電磁感應產生與原轉速相反的電磁轉矩使轉速降低；但是必須要在轉速為0時切除電源，否則電機將方向啟動運行，磁力就仿真出反轉效果。

107、由仿真結果可以看出，反接制動能夠在極短的時間內使電機停車，但定子電流與轉子電流波動較大，對電機沖擊較大，在制動結束后未切除電源，電機反轉。</p><p>　　4.4 三相異步電動機調速仿真</p><p>　　從異步電動機轉速公式n=(1-S)=(1-S)×60/p可看出，異步電動機主要有三種基本調速方法，即:</p><p>　　變頻調速：改變電源頻

108、率的調速</p><p>　　轉子串電阻調速：繞線轉子串電阻的調速</p><p>　　串級調速：繞線轉子串電動勢的調速</p><p><b>　　變轉差率調速</b></p><p>　　滑差電機調速：電磁離合器調速</p><p>　　調壓調速：改變定子電壓的調速 </

109、p><p>　　在不同參數(shù)電機調速的情況下，應根據(jù)具體情況選擇不同的調速方法。</p><p>　　4.4.1 三相異步電動機轉子串電阻調速仿真</p><p>　　實例：用Simulink建立三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速仿真模型，觀察整個調速過程，示波器顯示調速過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[8]。</p><p>　

110、　建模：該模型與三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻起動仿真模型相似，在轉子側使用了一個三相斷路器控制接入異步電動機轉子三相繞組的電阻。在0.6S時，斷路器打開，轉子有直接短接轉換為串入4?的電阻調速。</p><p>　　仿真模型如圖4-19所示：</p><p>　　圖4-19 異步電機轉子串電阻仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-20所示：</p

111、><p>　　圖4-20 異步電機轉子串電阻仿真結果</p><p>　　結果分析：轉子串電壓改變轉子電流，使感應電流減小，從而改變電磁轉矩的大小使轉速降低。由仿真結果可見，在0.6S串入電阻后，轉速由1500r/min減為1100r/min，達到了調速的目的。</p><p>　　4.4.2 三相異步電動機定子調壓調速仿真</p><p>

112、　　實例：用Simulink建立三相異步電動機定子調壓調速仿真模型，觀察整個調速過程，示波器顯示調壓調速過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[8]。</p><p>　　建模：該模型與三相異步電動機直接啟動仿真模型相似，有兩套不同電壓等級的交流電壓源分別有兩個三相斷路器接到定子繞組以實現(xiàn)調速。在t=3S時刻切換兩個等級的電壓。其仿真模型如圖4-21所示：</p><p>　　圖4

113、-21 異步電機定子調壓調速仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-22所示：</p><p>　　圖4-22 異步電機定子調壓調速仿真結果</p><p>　　結果分析：在3S時刻，通過兩個斷路器將定子電壓由峰值380V切換到200V，結果是降低了定子電壓以達到調速的目的；由波形可見，在3S時刻由于定子電壓降低，轉速由1500r/min降為1200r/m

114、in達到調速目的，而轉矩依然與負載轉矩相平衡，保持不變。</p><p>　　4.4.3 三相異步電動機變頻調速仿真</p><p>　　實例：用Simulink建立三相異步電動機變頻調速仿真模型，觀察整個調速過程，示波器顯示變頻調速過程的定子電流、轉子電流、轉速和轉矩的變化曲線[8]。</p><p>　　建模：有兩套相同電壓等級而頻率不等的交流電源分別由兩個三

115、相斷路器接到定子繞組以實現(xiàn)調速。因基頻以下變頻調速為恒磁通調速，應保持/=常數(shù)，三相電源模塊1設置電壓為264*sqrt(3)V、頻率為60Hz，三相電源模塊2設置電壓為220*sqrt(3)V、頻率為50Hz。</p><p>　　仿真模型如圖4-23所示：</p><p>　　圖4-23 異步電機變頻調速仿真模型</p><p>　　仿真結果如圖4-24所示：