電機(jī)學(xué)課程設(shè)計(jì)基于Matlab的三相異步電機(jī)的仿真分析

1、華中科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)課程名稱：電機(jī)學(xué)課程設(shè)計(jì)題目：基于matlab的三相異步電機(jī)的仿真分析學(xué)號(hào)專業(yè)班號(hào)姓名指導(dǎo)教師完成日期 2015年2月23日?qǐng)?bào)告成績(jī)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的題目基于matlab的三相異步電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與仿真分析，具體任務(wù)：1 根據(jù)電機(jī)手冊(cè)，找一套合理的三相異步電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù)；2 編程作出該電機(jī)在不同參數(shù)下的ts曲線并分析；3 利用simulink中的模型，任選一種起動(dòng)方式，進(jìn)行該電機(jī)起動(dòng)性能的仿真和分析；4 利用simulink中的模型，任選一種調(diào)速方式，進(jìn)行該電機(jī)調(diào)速性能的仿真和分析。二、課程設(shè)計(jì)的要求1 每位同學(xué)獨(dú)立完成任務(wù)，參數(shù)和內(nèi)容雷同度高的答卷皆不得分。

2、2 要求格式正確、繪圖清晰、整潔美觀。3 要求附程序和仿真模型4 設(shè)計(jì)報(bào)告打印于1月19日由班代表交到西九樓133室。程序和設(shè)計(jì)報(bào)告電子版發(fā)送到郵箱jyang。一、課程設(shè)計(jì)原理1、ts曲線（機(jī)械特性曲線）所謂不同參數(shù)下的ts曲線，即不同參數(shù)下的機(jī)械特性曲線。三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，是指在定子電壓、頻率和其他參數(shù)固定，而負(fù)載不斷變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩（t）與轉(zhuǎn)速（n）（或轉(zhuǎn)差率（s）之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)教材電機(jī)學(xué)第240頁(yè)可得電磁轉(zhuǎn)矩與參數(shù)的關(guān)系如下：tem=pem1=m1pu12r2s2f1r1+r2s2+(x1+x2)2上述數(shù)學(xué)關(guān)系t=f(s)即是異步電機(jī)的機(jī)械特性。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻、定子電壓或頻率等

3、參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可以得到對(duì)應(yīng)于不同參數(shù)時(shí)的電機(jī)機(jī)械特性。而此次課設(shè)將改變定子電壓來得到不同定子電壓下的機(jī)械特性曲線。2、三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)根據(jù)教材上所學(xué)的知識(shí)，三相異步電機(jī)的啟動(dòng)的方法有：a) 直接啟動(dòng)b) 降壓?jiǎn)?dòng)降壓?jiǎn)?dòng)又含有： 定子串電抗降壓?jiǎn)?dòng) 采用y-啟動(dòng)器啟動(dòng) 采用自耦變壓器啟動(dòng)c) 采用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)d) 采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)其中，直接啟動(dòng)適用于小容量電動(dòng)機(jī)帶輕載的情況。根據(jù)“對(duì)于額定電壓為380v的電機(jī)而言，當(dāng)pn7.5kw時(shí)，可以直接啟動(dòng)” 本次課程設(shè)計(jì)所采用的異步電機(jī)數(shù)據(jù)pn=3kw，故選擇直接啟動(dòng)的方式進(jìn)行仿真。3、三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)具有多種優(yōu)點(diǎn)，但在

4、調(diào)速性能上比不上直流電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，現(xiàn)在也并沒有研制出能完全取代直流電動(dòng)機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但人們已研制出各種異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，并廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=1-sn1=60f1p(1-s)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有以下三種：a) 變極調(diào)速b) 變頻調(diào)速c) 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速被視為交流電機(jī)最有前途的調(diào)速方式，本次仿真將選擇變頻調(diào)速。二、課程設(shè)計(jì)題目1 編程作出該電機(jī)在不同參數(shù)下的ts曲線并分析2 利用simulink中的模型，任選一種起動(dòng)方式，進(jìn)行該電機(jī)起動(dòng)性能的仿真和分析（本次課設(shè)選擇直接啟動(dòng)）3 利用simulink中的模型，任選

5、一種調(diào)速方式，進(jìn)行該電機(jī)調(diào)速性能的仿真和分析（本次課設(shè)選擇變頻調(diào)速）三、參數(shù)選擇本次課設(shè)的三相異步電機(jī)數(shù)據(jù)將選擇本學(xué)期電機(jī)實(shí)驗(yàn)所用的異步電機(jī)的參數(shù)，如下：pn=3kw，un=380v，in=5.28a，f1=50hz，r1=2.2，r2=3.07，rm=5.47，x1=3.83，x2=3.81，xm=83.58，2p=4定轉(zhuǎn)子電感：l1= x12f1 =0.0122h，l2= x22f1 =0.0121h勵(lì)磁電感：lm= xm2f1=0.266h四、matlab仿真a) 編程作出該電機(jī)在不同參數(shù)下的ts曲線并分析改變轉(zhuǎn)子電阻matlab程序代碼如下：圖1 改變轉(zhuǎn)子電阻的ts曲線程序圖2 不同轉(zhuǎn)

6、子電阻的ts曲線圖其中：r1=0.5,r2=1.5,r3=3,r4=5,r5=6分析：由曲線圖可見，改變轉(zhuǎn)子電阻并不會(huì)改變最大電磁轉(zhuǎn)矩tmax，只是達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率會(huì)隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大而增大。這與課程所學(xué)知識(shí)相符。改變定子電壓matlab程序代碼如下：圖3 改變定子電壓的ts曲線程序圖4 不同定子電壓的ts曲線圖分析：由曲線圖可見，改變定子電壓會(huì)改變最大電磁轉(zhuǎn)矩tmax，但不改變達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率，且最大電磁轉(zhuǎn)矩tmax隨著定子電壓的增大而增大。這與課程所學(xué)知識(shí)相符b) 用matlab對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)進(jìn)行仿真仿真電路如下圖搭建：圖5 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真電路圖其中三相

7、異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：圖6 三相異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置仿真結(jié)果如下：圖7 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果(50hz)從上到下分別為：轉(zhuǎn)子電流，定子電流，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩分析：由圖可見，轉(zhuǎn)子電流和定子電流波形呈現(xiàn)較大的振蕩，但在0.8秒內(nèi)很快衰減到正常電流；而轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在1秒左右達(dá)到穩(wěn)定，所以可以認(rèn)為啟動(dòng)過程1秒結(jié)束。異步電機(jī)在直接啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流較大為30a左右，為額定電流的6倍，這與實(shí)際情況相符。電機(jī)最初啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為40nm，但迅速減小并接近于0，這是因?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩很小的緣故。c) 用matlab對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行仿真仿真電路搭建同（b），只需改變電源頻率即可。將電源頻率改為60hz可得仿真結(jié)果

8、如下：圖8 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果(60hz)分析：對(duì)比圖7和圖8可知， 將電源頻率由50hz提高到60hz后，啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)子電流和定子電流略有減小，但穩(wěn)定時(shí)的幅值相同； 將電源頻率由50hz提高到60hz后，電機(jī)穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)速?gòu)?480n/min上升到1750n/min左右，但啟動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)了，由1秒上升到了1.8秒。將電源頻率由50hz提高到60hz后，啟動(dòng)瞬間的轉(zhuǎn)矩由40nm下降到了30nm，同樣穩(wěn)定時(shí)間也由1秒上升到了1.8秒。四、總結(jié)與體會(huì)本次的課程設(shè)計(jì)由于是在寒假期間進(jìn)行的，所以一開始因?yàn)閷?duì)教材知識(shí)的遺忘導(dǎo)致有點(diǎn)無從下手，而且對(duì)matlab這軟件也不是很熟悉，使得我先復(fù)習(xí)了一下第五章關(guān)于異步電機(jī)的知識(shí)，并在網(wǎng)上找了一些關(guān)于matlab的仿真教程來學(xué)習(xí)。真正開始動(dòng)手實(shí)行時(shí)在理論知識(shí)方面并沒有遇到太大的困難，因?yàn)槲腋杏X自己對(duì)異步電機(jī)的知識(shí)掌握得比較好。在matlab方面倒遇到了一些障礙，正如前面所說對(duì)這軟件了解得并不深刻，但在參考書的幫助下還是順利的跨過了這些障礙。 總而言之這一份電機(jī)課設(shè)還是具有一定的挑戰(zhàn)性的，很好地使我鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，也使我了解到了matlab功能的強(qiáng)大