基于MATLAB的異步電機(jī)特性仿真

1、*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書摘要 異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高、成本較低等特點(diǎn)，在日常生活中得到廣泛的使用。目前，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在追求更高的控制精度的基礎(chǔ)上變得越來越復(fù)雜，而仿真是對(duì)其進(jìn)行研究的一個(gè)重要手段。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析和運(yùn)算軟件 ，可用動(dòng)作系統(tǒng)的建模和仿真。在分析三相異步電動(dòng)機(jī)物理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB軟件簡(jiǎn)歷了相對(duì)應(yīng)的仿真模型；在加入相同的三相電壓和轉(zhuǎn)矩的條件下，使用實(shí)際電機(jī)參數(shù)，與MALAB給定的電機(jī)模型進(jìn)行了對(duì)比仿真。全論文分為六個(gè)部分，第一章對(duì)異步電機(jī)的應(yīng)用發(fā)展做出了相關(guān)的描述，第二章對(duì)MATLAB仿真軟件做了一定的介紹，從第三章到第六

2、章則是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)進(jìn)行理論分析和仿真模擬以及仿真結(jié)果的分析。經(jīng)分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本設(shè)計(jì)將結(jié)合MATLAB的特點(diǎn)，對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行建模和仿真，并通過實(shí)際的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 數(shù)學(xué)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(dòng)機(jī)的概述21.1 異步電動(dòng)機(jī)的用途及分類21.2 異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)21.3 異步動(dòng)電機(jī)的基本工作原理和運(yùn)行特性31.3.1 基本工作原理31.3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性32 軟件介紹及模型實(shí)現(xiàn)52.1 MATLAB簡(jiǎn)介52.2 MATL

8、AB中的SIMULINK仿真模塊的使用62.3 模型實(shí)現(xiàn)73 三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真83.1 機(jī)械特性的表達(dá)式83.1.1 物理表達(dá)式83.1.2 參數(shù)表達(dá)式93.2 固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性93.3 基于MATLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真123.3.1 模型設(shè)計(jì)123.3.2 參數(shù)設(shè)置143.3.3 仿真結(jié)果164 異步電機(jī)啟動(dòng)特性仿真174.1 起動(dòng)理論分析174.2 起動(dòng)的基本要求174.3 籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式184.3.1 直接起動(dòng)184.3.2 降壓起動(dòng)194.3.3 定子繞組串電阻或串電抗降壓起動(dòng)194.3.4 自耦變壓器降壓起動(dòng)224.3.5 星形-三角形（-）降壓起

9、動(dòng)234.3.6 延邊三角形降壓起動(dòng)244.4 籠型異步電動(dòng)機(jī)的MATLAB仿真254.4.1 異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真254.4.2 異步電動(dòng)機(jī)定子串電抗起動(dòng)仿真274.4.3 異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓起動(dòng)仿真314.4.4 異步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)仿真325 異步電機(jī)調(diào)速特性仿真355.1 變極調(diào)速355.1.1 變極原理355.1.2 變極調(diào)速仿真365.2 變頻調(diào)速375.2.1 變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性375.2.2 基頻以下變頻調(diào)速375.2.3 基頻以上變頻調(diào)速385.2.4 變頻調(diào)速仿真395.3 調(diào)壓調(diào)速416 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性仿真436.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)436.

10、1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)特性436.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)仿真模型446.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)456.2.1 反接制動(dòng)456.2.2 回饋制動(dòng)476.2.3 反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)仿真477 結(jié)論49致 謝50參 考 文 獻(xiàn)51河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書引言1985年，由Depenbrock教授提出的直接轉(zhuǎn)距控制理論將運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展向前推進(jìn)了一大步。接著1987年把它又推廣到弱磁調(diào)速范圍。不同于矢量控制技術(shù)，它無需將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效和轉(zhuǎn)化，不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電

11、機(jī)的數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)距進(jìn)行直接控制，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。直接轉(zhuǎn)距控制從一誕生，就以新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能受到人們的普遍關(guān)注。系統(tǒng)建模與仿真一直是各領(lǐng)域研究、分析和設(shè)計(jì)各種復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具。建?？梢猿嚼硐氲娜ツM復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)；而仿真則可以對(duì)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(zhǎng)期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)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(shè)計(jì)一種算法，以使系統(tǒng)模型為計(jì)算機(jī)所接受，然后再將其編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。顯然，為達(dá)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(fèi)時(shí)間和精力，這也大

12、大阻礙了仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近年來逐漸被大家認(rèn)識(shí)的Matlab語言則很好的解決了這個(gè)問題。1 異步電動(dòng)機(jī)的概述1.1異步電動(dòng)機(jī)的用途及分類根據(jù)電機(jī)的可逆原理，異步電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)，也可以用作發(fā)電機(jī)。但其作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)性能較差，故很少采用。而用作電動(dòng)機(jī)時(shí)具有較好的工作特性，故其主要用作電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，堅(jiān)固耐用，易于控制，因而是電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的最為廣泛的一種。異步電動(dòng)機(jī)是一種交流電機(jī)，主要用作電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國(guó)防、文教、醫(yī)療和日常生活中。異步電動(dòng)機(jī)具有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多

13、數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。異步電動(dòng)機(jī)還便于派生成各種防護(hù)形式，以適應(yīng)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(diào)速技術(shù)的發(fā)展，由異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器組成的交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能以及經(jīng)濟(jì)性以可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且維護(hù)簡(jiǎn)便，因而應(yīng)用愈來愈廣泛。由于異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中必須從電網(wǎng)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(dòng)機(jī)空載電流大，啟動(dòng)和調(diào)速性能都不夠理想，是異步電機(jī)的主要缺點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)。大功率機(jī)械拖動(dòng)時(shí)，一般都用三相異步電動(dòng)機(jī)，日常生活中和工業(yè)控制裝置則多用單相

14、異步電動(dòng)機(jī)。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)，其中，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)又包括單鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和深槽式異步電動(dòng)機(jī)。按機(jī)殼的保護(hù)方式分，有防護(hù)式異步電動(dòng)機(jī)、封閉式異步電動(dòng)機(jī)，以及防爆式異步電動(dòng)機(jī)。1.2異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有：（1） 效率：電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。（2） 功率因數(shù)：電動(dòng)機(jī)輸入有效功率與實(shí)際功率之比。（3） 啟動(dòng)電流：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)從供電回路輸入的最大穩(wěn)態(tài)方均根電流（4） 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的最小測(cè)得值。（5） 最小轉(zhuǎn)矩：電

15、動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下，在零轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速之間所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩的最小值。（6） 最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下所能產(chǎn)生的最大穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩。（7） 噪聲：電動(dòng)機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)的噪聲功率級(jí)，以及在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)超過空載運(yùn)行的噪聲功率級(jí)增量。（8） 振動(dòng)：電動(dòng)機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速率有效值。1.3異步動(dòng)電機(jī)的基本工作原理和運(yùn)行特性1.3.1 基本工作原理電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。如下圖是三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原理圖（圖中只示出兩根導(dǎo)線），當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。電

16、動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來確定。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，假如磁極不動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來。在電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)相互作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來。異步電機(jī)的工作原理用箭頭簡(jiǎn)單的表示如下：定子繞組通入三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。1.3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動(dòng)機(jī)的主要物理量轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)矩電流，效率，功率因數(shù)等隨輸出功率變

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

18、中銅耗隨著負(fù)載的變化而變化；鐵耗和機(jī)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(diǎn)擊達(dá)到最大效率。異步電動(dòng)機(jī)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(shí)，定子電流基本上用來產(chǎn)生主磁通，有功功率很小，功率因數(shù)也很低；隨著負(fù)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(dá)到最大值。如果負(fù)載繼續(xù)增大，則導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)2.1 MATLAB簡(jiǎn)介八十年代以來，計(jì)算機(jī)仿真成為交流電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)分析，研究和設(shè)計(jì)的有利工具。應(yīng)用計(jì)算機(jī)的仿真

19、技術(shù)，我們可以用軟件建立起電機(jī)及其傳動(dòng)、控制的仿真模型，再以這個(gè)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)人為模擬的環(huán)境或條件下的運(yùn)行研究， 替代真實(shí)電機(jī)在實(shí)際場(chǎng)合下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時(shí)間及費(fèi)用。MATLAB是美國(guó)Mathworks公司自1984年推出的一種使用簡(jiǎn)便的工程計(jì)算語言，它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中，在這里可以實(shí)現(xiàn)工程 計(jì)算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設(shè)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(shí)用的資源。MATLAB 語言具有以下特點(diǎn)： (1) 功

20、能強(qiáng)大 MATLAB不但在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面具有強(qiáng)大的功能，而且在計(jì)算結(jié)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(shì)。 此外， MATLAB的Notebook為用戶提供了把數(shù)學(xué)和文字進(jìn)行統(tǒng)一處理的功能， MATLAB的SIMULINK功能則將而其應(yīng)用擴(kuò)展到各行各業(yè)的仿真領(lǐng)域。不僅如此，公司更推出了針對(duì)各專業(yè)應(yīng)用的MATLAB工具箱。(2) 界面友好、編程效率高 MATLAB是一種以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)語一言，其指令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)教 科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常接近 。用戶不需要有較高的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，只要按照計(jì)算要求輸入表達(dá)式，MATLAB將為用戶計(jì)算出結(jié)果。此外，使用語言設(shè)計(jì)的程

21、序，其編譯和執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的C語言設(shè)計(jì)的程序，可以說，MATLAB在工程計(jì)算方面的編譯效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它編程語言。 (3) 擴(kuò)展性強(qiáng)MATLAB的重要特點(diǎn)之一就是其可擴(kuò)展性，這個(gè)特點(diǎn)使得用戶能夠自由地開發(fā)自己的應(yīng)用程序，這些年來，許多使用MATLAB的數(shù)學(xué)家、工程師和科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)多的不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序。MATLAB的這些特點(diǎn)使它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科，特別是對(duì)邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的極強(qiáng)的適應(yīng)能力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真以及教學(xué)等不可缺少的基礎(chǔ)軟件。MATLAB提供的SIMULINK是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)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(shí)間系統(tǒng)

22、、離散時(shí)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(jìn)程的，它具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。SIMULINK 的出現(xiàn)使得仿真工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進(jìn)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(gòu)成模塊，還包括連接、運(yùn)算類模塊:函數(shù)與表(Functions&Tables)、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊(Math)、信號(hào)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(hào)源和結(jié)果輸出設(shè)備。 便于用戶對(duì)模型進(jìn)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(duì)它進(jìn)行仿真?？梢赃x擇合適的輸入源模塊作信號(hào)輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K觀察系統(tǒng)響應(yīng)、分析系統(tǒng)特性。各種數(shù)值算法，仿真步長(zhǎng)等重要參數(shù)可通過方便易用的對(duì)話框確定，十分簡(jiǎn)捷，同時(shí)可以借助模擬示波器將仿真動(dòng)態(tài)結(jié) 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(cuò)誤造成的數(shù)值 不穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)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(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性。2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用 啟動(dòng)SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)SIMULINK窗口。這個(gè)窗口包

24、含7個(gè)模塊庫，它們分別是信號(hào)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(kuò)展模塊庫(Extrax)。 建立一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,則應(yīng)選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項(xiàng)，這樣SIMULINK就會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)， 如仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)和計(jì)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(dòng) 到編輯窗口的復(fù)制方法。連接

25、兩個(gè)模塊是相當(dāng)容易，簡(jiǎn)單地用鼠標(biāo)左鍵先點(diǎn)一下起點(diǎn)模塊的輸出端（三角符號(hào)），然后拖動(dòng)鼠標(biāo)器。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一條帶箭頭的直線，將它的 箭頭拉到終點(diǎn)模塊的輸入端再釋放鼠標(biāo)左鍵，則SIMULNIK會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一條帶箭頭的 連線，將兩個(gè)模塊連接起來。如果連線出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以使用鼠標(biāo)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(biāo)左鍵雙擊模塊圖標(biāo)的辦法，即可得到模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。 選擇Start命令可以啟動(dòng)仿真程序，在仿真結(jié)束時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)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(jié)果輸出。把Scope連接到任何你想觀測(cè)的點(diǎn)，調(diào)整好Scope的掃描量程與顯示幅值

26、量程，同時(shí)調(diào)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的交流異步電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。這里從靜止兩相坐標(biāo)系下的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)模型出發(fā)，推導(dǎo)出基于定子磁鏈磁場(chǎng)定向的電動(dòng)機(jī)模型，并采用MATLAB/ SIMULNIK實(shí)現(xiàn)之。2.3模型實(shí)現(xiàn)模型建立以后，所要做的就是從Simulink豐富的模型庫中調(diào)用合適的模塊來表示該模型。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)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(jí)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(jié)構(gòu)框圖。3三相異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真3.1機(jī)械特性的表達(dá)式3.1.1物理表達(dá)式由電機(jī)學(xué)知三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有相似的表達(dá)形式。它們都與電機(jī)結(jié)構(gòu)（表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)）和每級(jí)下磁通有關(guān)，只不過在三相異步電動(dòng)機(jī)中不再是通過電樞的全部電流，而是點(diǎn)數(shù)電流的有功分量。三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為： （3-1）式中轉(zhuǎn)矩常數(shù)每級(jí)下磁通轉(zhuǎn)子功率因數(shù)式(3-1)表明，轉(zhuǎn)子通入電流后，與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，因此，反映了電機(jī)中電流、磁場(chǎng)和作用力之間符合左手定則的物理關(guān)系，故稱為機(jī)械特性的物理表達(dá)式。該表達(dá)式在分析電磁轉(zhuǎn)矩與磁通、電流之間的關(guān)系時(shí)非常方便。從三相異步電動(dòng)機(jī)

28、的轉(zhuǎn)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(duì)于(3-4)，我們做如下分析：1. 當(dāng)s=0時(shí)，M=0，說明電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。2. 當(dāng)s很小時(shí)，有，說明電磁轉(zhuǎn)矩T近似與s呈線性關(guān)系，即隨著M的增加，略有下降。因而，類似直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，是一條下傾的直線。M0n圖 3-1 三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性3. 當(dāng)s很大時(shí)，有，說明電磁轉(zhuǎn)矩M近似與s成反比，即M增加時(shí)n反而升高。4. 當(dāng)s=1時(shí)，n=0，=常數(shù)，此即三相異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從上述可見，三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由兩段組成：當(dāng)s較?。╪較高）時(shí)，n與M近似呈線性關(guān)系；當(dāng)s較

29、大（n較低）時(shí)，n隨M增大而升高。將兩部分機(jī)械特性圓滑連接，既得三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，如圖3-1所示。3.1.2 參數(shù)表達(dá)式由電機(jī)學(xué)知，三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 （3-5）所以，電磁轉(zhuǎn)矩為 （3-6）由三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。3.2固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)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(zhuǎn)子無外接電阻（電感或電容）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如圖3-2所示，其中曲線1為電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)固有機(jī)械特性；

30、曲線2為反向旋轉(zhuǎn)時(shí)固有特性。圖3-2 三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性是人為的改變異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)參數(shù)或電源參數(shù)，保持其他參數(shù)不變而得到的機(jī)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(duì)數(shù)p、定子電路電阻或電抗和轉(zhuǎn)子電路電流或電抗。（1）降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性當(dāng)電源電壓降低時(shí)，由于，與電壓無關(guān)，不變。得，與成正比例，當(dāng)下降時(shí)，與成正比例降低，而與無關(guān)，不變。同理，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦與成比例降低。因此，電源電壓降低時(shí)的人為機(jī)械特性是一組過同步轉(zhuǎn)速、臨界轉(zhuǎn)差率不變、最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩均與成比例下降的曲線簇。時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖所示：圖3-3 降壓時(shí)的異步電機(jī)人為特性（2）轉(zhuǎn)子

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

32、TLAB的異步電機(jī)機(jī)械特性仿真3.3.1模型設(shè)計(jì)本仿真采用仿真模型如下圖所示：圖 3-5 異步電機(jī)人為機(jī)械特性仿真3.3.2 參數(shù)設(shè)置各元件參數(shù)設(shè)置如下：圖 3-6 Ramp參數(shù)設(shè)置圖 3-7 Saturation參數(shù)設(shè)置圖 3-8 Fcn2參數(shù)設(shè)置圖 3-9 XY Graph1參數(shù)設(shè)置3.3.3仿真結(jié)果圖 3-10電壓變化時(shí)的不同特性曲線圖 3-11電壓分別為時(shí)機(jī)械特性對(duì)比4 異步電機(jī)啟動(dòng)特性仿真4.1起動(dòng)理論分析異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和直流電動(dòng)機(jī)一樣，包括以下幾項(xiàng)：起動(dòng)電流倍數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動(dòng)時(shí)間、起動(dòng)時(shí)繞組中消耗的能量和繞組發(fā)熱、起動(dòng)設(shè)備的簡(jiǎn)單性和可靠性、起動(dòng)時(shí)的過渡過程。其中最重要的

33、是起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小。為使電機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)起來，并很快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而正常工作，要求電機(jī)具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；但又希望起動(dòng)電流不要太大，以免電網(wǎng)產(chǎn)生過大的電壓降落而影響接在電網(wǎng)上的其他電機(jī)和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，起動(dòng)電流過大時(shí)，將使電機(jī)本身受到過大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常起動(dòng)，還有使繞組過熱的危險(xiǎn)。因此，我們總是希望在起動(dòng)電流比較小的情況下，能獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。普通結(jié)構(gòu)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)不采取任何措施而直接接入電網(wǎng)起動(dòng)時(shí)，往往不能滿足上述要求。因?yàn)樗钠饎?dòng)電流很大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。起動(dòng)電流很大的原因，從物理現(xiàn)象看，起動(dòng)時(shí)，n=0、s=1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子，在短路的轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)很大的

34、電勢(shì)和電流，引起與它平衡的定子電流的負(fù)載分量也跟著急劇增加，以致定子電流很大。而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大是由于起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子漏抗遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子電阻使轉(zhuǎn)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(dòng)電流很大，定子繞組的漏阻抗壓降增大，使感應(yīng)電勢(shì)減小，磁通也將成比例減小。在選擇異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法時(shí)，必須根據(jù)電網(wǎng)容量和機(jī)械負(fù)載對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求等具體情況進(jìn)行具體分析。如果電網(wǎng)容量很大，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流不會(huì)引起顯著的電壓降落，則起動(dòng)電流大小不是主要問題。如果機(jī)械負(fù)載要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，而電網(wǎng)容量相對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說又不很大，則主要考慮如何減小起動(dòng)電流。至于即要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，又希望限制起動(dòng)電流的場(chǎng)合，

35、則需要采取措施來改進(jìn)起動(dòng)性能。4.2起動(dòng)的基本要求拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩并且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大越好，保證起動(dòng)過程很快結(jié)束，使生產(chǎn)機(jī)械能夠較快的達(dá)到正常運(yùn)行。同時(shí)，在滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的前提下，希望起動(dòng)電流越小越好。不同負(fù)載和不同供電容量電網(wǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的要求是不一樣的。而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)； （2）盡可能小的起動(dòng)電流倍數(shù)； （3）起動(dòng)時(shí)間短，能夠符合生產(chǎn)技術(shù)的要求；（4）起動(dòng)平滑，即要求時(shí)加速平滑，以減小對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊；（5）起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，操作方便等。4.3籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式4.

36、3.1直接起動(dòng)直接起動(dòng)，也就是全壓起動(dòng)，是一種最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方法也是三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多的一種起動(dòng)方法。小功率電機(jī)常常采用這種起動(dòng)方式然而對(duì)較大功率的電機(jī)而言，這種起停方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的。在這種起動(dòng)方式下，起動(dòng)電流約為標(biāo)稱電流的4-7倍;起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩的倍。其特點(diǎn)是:電機(jī)端子少(一般為三端子電機(jī))，可帶載起動(dòng)、高電流峰值和大壓降起動(dòng)，設(shè)備簡(jiǎn)易。直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過空開或接觸器將電機(jī)直接接到電網(wǎng)上。具有起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn), 而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比采用降壓起動(dòng)時(shí)大。在電網(wǎng)和負(fù)載兩方面都允許全壓直接起動(dòng)的情況下，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)仍以直接起動(dòng)為宜因?yàn)椴倏v控制方便，而且

37、比較經(jīng)濟(jì)。其危害很大電網(wǎng)沖擊大。過大的起動(dòng)電流，會(huì)造成電網(wǎng)壓降，影響其他用電設(shè)備的正常進(jìn)行。還可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作，造成用電設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命；機(jī)械沖擊嚴(yán)重，過大的沖擊力矩容量造成電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定于端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致絕緣擊穿燒毀電機(jī)，轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等。因此盡管直接起動(dòng)方法簡(jiǎn)單起動(dòng)設(shè)備也簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但為了限制電和機(jī)械的沖擊，以及保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，在某種場(chǎng)合，就得采取減壓起動(dòng)方式，或者在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入阻抗進(jìn)行起動(dòng)。圖4-1為三相交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的電路圖。三相交流電源經(jīng)

38、由組合開關(guān)K，熔斷器交流接觸器KM的主觸點(diǎn)到電動(dòng)機(jī)定子繞組，構(gòu)成了主電路。圖 4-1三相交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的電路圖4.3.2降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)通過降低起動(dòng)時(shí)加在定子繞組上的電壓來減小起動(dòng)電流，起動(dòng)結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復(fù)到額定值。降壓起動(dòng)雖然能減小起動(dòng)電流，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大大減小了，所以降壓起動(dòng)一般適用于中、大容量的異步電動(dòng)機(jī)輕載貨空載起動(dòng)。降壓起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩很容易滿足負(fù)載要求。主要問題是起動(dòng)電流大，電網(wǎng)難以承受過大的沖擊電流，因此必須降低起動(dòng)電流。在研究起動(dòng)時(shí)，可以用短路阻抗來等效異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的起動(dòng)電流（即流過上的

39、電流）與端電壓成正比，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)端電壓的平方成正比，這就是說起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比起動(dòng)電流降得更快。降壓之后在起動(dòng)電流滿足要求的情況下，還要校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。常用的降壓起動(dòng)方法有三種：定子串電抗（或電阻）降壓起動(dòng)；Y-啟動(dòng)器起動(dòng)；自耦變壓器起動(dòng)。4.3.3定子繞組串電阻或串電抗降壓起動(dòng)從減小起動(dòng)電流和改善電網(wǎng)電壓品質(zhì)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(dòng)電流，使得電網(wǎng)承受的沖擊電流減少，對(duì)改善電網(wǎng)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(dòng)方法都具有起動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，定子回路串電阻將增加起動(dòng)損耗，浪費(fèi)電能，只有在電動(dòng)機(jī)的容量較小

40、時(shí)才允許使用，大中型電機(jī)則采用串電抗起動(dòng)。圖 4-2異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的等值電路圖4-2是異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的等值電路，由于起動(dòng)電流較大，所以略去形等值電路中的激磁電流分量。起動(dòng)時(shí)s=1，故起動(dòng)時(shí)異步機(jī)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(dòng)電阻或者起動(dòng)電抗。令代表直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流，則： （4-1）如果采用串電阻起動(dòng)，起動(dòng)電阻為，則串電阻后的起動(dòng)電流為： （4-2）如果采用串電抗起動(dòng)，起動(dòng)電抗為，則串電抗后的起動(dòng)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(dòng)電流從下降為或者，從而滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求的數(shù)值。這里、和是給定的電機(jī)參數(shù)，是電網(wǎng)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(dòng)電阻或起動(dòng)電抗為： （4-5） （4-6）起動(dòng)運(yùn)行圖 4-3鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)定子回路串電阻起動(dòng)原理圖起動(dòng)運(yùn)行圖 4-4鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)定子回路串電抗起動(dòng)原理圖圖4-3、4-4所示分別為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)串電阻及串電抗減壓起動(dòng)時(shí)的原理圖。圖中是主開關(guān)，起到隔離電源的作用。起動(dòng)時(shí)，把換接開關(guān)投向“起動(dòng)”的位置，此時(shí)，起動(dòng)電阻或起動(dòng)電抗接入定子回路；然后，閉合主開關(guān)，電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，把開關(guān)換接到“運(yùn)行”的位置，電源電壓直接加到定子繞組上，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束。鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)定子回路串電阻或串電抗起動(dòng)，由于起動(dòng)時(shí)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(jī)上的端電壓降低，因此減小了起動(dòng)電流。由于起動(dòng)電流正比于定子端電壓，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方。如果起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓降低到額定電壓的倍，則起動(dòng)電流降低到額定電壓時(shí)起動(dòng)電流的，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩則降到原來的，因此該起動(dòng)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(dòng)在定子回路中串阻抗雖然能夠滿足電網(wǎng)減小起動(dòng)電流的要求，但往往因?yàn)槠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩過小而滿足不了生產(chǎn)工藝的要求，為了解決這個(gè)矛盾人們采用自耦變壓器降壓起動(dòng)。自耦變壓器降壓起動(dòng)是利用一臺(tái)自耦變壓器（又稱為起動(dòng)補(bǔ)償器）降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓以起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，待電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，再把電動(dòng)機(jī)直接接到電源上去。

43、圖4-5為三相異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器起動(dòng)的原理線路圖。起動(dòng)時(shí)，把開關(guān)投向起動(dòng)邊，即端，電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上，這時(shí)自耦變壓器一次繞組加全壓，而電動(dòng)機(jī)定子電壓僅為抽頭部分的電壓值，電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定值后，開關(guān)投向運(yùn)行邊，即端，這樣自耦變壓器被短接，電動(dòng)機(jī)的定子繞組被接上全壓，進(jìn)入正常運(yùn)行。圖 4-5三相異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器起動(dòng)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(wǎng)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(dòng)機(jī)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(nèi)阻抗，認(rèn)為起動(dòng)時(shí)的端電壓為，故電動(dòng)機(jī)的定子繞組的起動(dòng)電流為： （4-8）其中代表電動(dòng)機(jī)端電壓為時(shí)的直接起動(dòng)電流。自耦變壓器降壓起動(dòng)具有較大的起動(dòng)能力和承受機(jī)械負(fù)載波動(dòng)的能力，且自耦變壓器的二次繞組一般有三個(gè)抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇，應(yīng)用很廣泛，適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)。它的缺點(diǎn)是體積大，質(zhì)量大，價(jià)格高，起動(dòng)線路較復(fù)雜，滑塊觸點(diǎn)氧化，需維護(hù)檢修。4.3.5星形-三角形（-）降壓起動(dòng)星形-三角形降壓起動(dòng)是通過改變電動(dòng)機(jī)的繞組接法去完成降壓起動(dòng)過程，屬于電機(jī)繞組設(shè)計(jì)上的問題，只能用

45、于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組連接成三角形的電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)時(shí)，將異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組接成星形，等起動(dòng)完成后，再接成三角形，從而異步電動(dòng)機(jī)需要六個(gè)出線端。圖4-7為星形-三角形（-）降壓起動(dòng)原理線路圖。起動(dòng)時(shí)，先接通電源開關(guān)，將開關(guān)投向“Y”位置，定子繞組連接成星形，電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時(shí)，可將開關(guān)迅速投向側(cè)，使定子繞組連接成三角形運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。圖 4-7星形-三角形（-）降壓起動(dòng)原理線路圖WUWVUZZZV 圖 4-8定子繞組作三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)的原理圖現(xiàn)在來比較電動(dòng)機(jī)作三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)直接起動(dòng)時(shí)線路電流和的大小。這兩種聯(lián)結(jié)方式的原理圖如圖4-8所示。星形-三角形降壓起動(dòng)的

46、優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，對(duì)使用者來說，減少了設(shè)備投資，節(jié)約銅與硅鋼片，物美價(jià)廉，運(yùn)行可靠，檢修方便。此外，起動(dòng)電流只有全壓起動(dòng)的，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的影響很小。但它的缺點(diǎn)就是起動(dòng)電壓只能降到，不能像自耦補(bǔ)償起動(dòng)那樣，可以按不同的負(fù)載選擇不同的起動(dòng)電壓。4.3.6延邊三角形降壓起動(dòng)延邊三角形降壓起動(dòng)是在星形-三角形減壓起動(dòng)方法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的一種起動(dòng)方法，也是通過改變電動(dòng)機(jī)的繞組接法去完成降壓起動(dòng)的過程，屬于電機(jī)繞組設(shè)計(jì)上的問題。延邊三角形降壓起動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)引出九個(gè)出線端（即每相定子繞組多引出一個(gè)出線端）來達(dá)到減壓起動(dòng)的目的的一種聯(lián)結(jié)法。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組的一部分接成三角形，從圖形上看，就是一個(gè)三角

47、形的三條邊延長(zhǎng)，因此稱為延邊三角形。當(dāng)起動(dòng)結(jié)束后，把繞組改接成三角形，電動(dòng)機(jī)就進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。(a)V499887766554332211UUVWW圖 4-9延邊三角形起動(dòng)原理圖采用延邊三角形起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)每相繞組有三個(gè)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(dòng)時(shí)，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(jié)，7-4、8-5、9-6為三角形聯(lián)結(jié)，如圖4-9（右）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)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(jié)。延邊三角形聯(lián)結(jié)與三角形聯(lián)結(jié)相比較，它們的電阻和感抗的比值并沒有改變，因此起動(dòng)時(shí)

48、定子功率因數(shù)不變。而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流和功率因數(shù)的乘積成正比，功率因數(shù)不變，故認(rèn)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流成正比。所以延邊三角形聯(lián)結(jié)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與三角形聯(lián)結(jié)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩之比和它們的起動(dòng)電流之比，可以認(rèn)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(dòng)時(shí)的星形接法高，因此起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較星形-三角形起動(dòng)時(shí)大，能用于重載起動(dòng)。延邊三角形起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是只要調(diào)節(jié)定子繞組的抽頭變比，就可以得到不同數(shù)值的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以適應(yīng)不同的使用要求。延邊三角形降壓起動(dòng)還具有體積小，質(zhì)量輕，允許經(jīng)常起動(dòng)。其缺點(diǎn)就是采用延邊三角形起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)需要有九個(gè)出線頭，電動(dòng)機(jī)的

49、內(nèi)部接線較為復(fù)雜。4.4籠型異步電動(dòng)機(jī)的MATLAB仿真4.4.1異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真圖 4-10異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型上圖為異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型。起動(dòng)過程中，把全部的電源電壓直接加到電機(jī)的定子繞組。其中，三相電源的3路輸入信號(hào)的初始相位分別設(shè)置為0，-120，120。相電壓設(shè)為220V，頻率為50Hz。電機(jī)模塊繞組類型選擇鼠籠式（Squirrel-cage）。仿真算法為ode23tb。對(duì)各元件的參數(shù)配置完成后就可以進(jìn)行仿真。DCABA圖 4-11直接起動(dòng)仿真波形(A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩從上圖可以看出，直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)過程在0.22秒左右結(jié)束，起動(dòng)速度

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

51、用。CDBA圖 4-13定子串電抗起動(dòng)仿真波形 (A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩從上圖可以看出，異步電動(dòng)機(jī)通過定子串電抗器起動(dòng)的方法，可以使電抗器起到一定的分壓作用，從而達(dá)到減小加在機(jī)端的電壓的目的，這樣可以減小起動(dòng)電流（從定子電流波形可知起動(dòng)電流為91A），相比于直接起動(dòng)，起動(dòng)電流顯著減小。同時(shí)，起動(dòng)過程中定子電流和轉(zhuǎn)子電流的波形也相當(dāng)理想，在最初起動(dòng)時(shí)的振蕩過后能平穩(wěn)的衰減至正常工作電流。起動(dòng)時(shí)間越位0.3秒，略長(zhǎng)于直接起動(dòng)的起動(dòng)時(shí)間。從轉(zhuǎn)矩波形我們可以看出，異步電動(dòng)機(jī)定子串電抗起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為115，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這是因?yàn)槠饎?dòng)電流正比于定子端電壓

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

53、退出各組電抗器，這樣起到了逐步增加機(jī)端電壓的效果，直到加到全壓，這樣有利于電機(jī)的平滑起動(dòng)，由于起動(dòng)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(dòng)仿真波形（2） (A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩從上圖可以看出，在這種起動(dòng)過程中，最初起動(dòng)電流進(jìn)一步減小，約為60A。但是，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)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(dòng)過程不是很穩(wěn)定。從轉(zhuǎn)速波形我們可以看出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升速度較慢，整個(gè)起動(dòng)過程約為0.36秒，起動(dòng)速度較慢。但是，在啟動(dòng)過程中，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在最初的振蕩過后，一直能保持一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩，直到整個(gè)起動(dòng)過

54、程結(jié)束，這點(diǎn)有利于電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)。4.4.3異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓起動(dòng)仿真圖 4-16異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓起動(dòng)仿真模型圖中為異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓起動(dòng)仿真模型。起動(dòng)時(shí)，串聯(lián)的一組breaker開關(guān)合上，并聯(lián)在變壓器兩端的一組breaker開關(guān)打開，這樣使得變壓器接入電源，其二次側(cè)抽頭接電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速時(shí)，將串聯(lián)的一組開關(guān)打開，并聯(lián)在變壓器兩端的開關(guān)閉合，則電動(dòng)機(jī)接入全電壓（此時(shí)自耦變壓器已經(jīng)脫離電源），繼續(xù)起動(dòng)，但此時(shí)的電流沖擊已經(jīng)很小。再過一段時(shí)間，電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。ABCD圖 4-17自耦變壓器起動(dòng)仿真波形 (A)轉(zhuǎn)子電流 （B）定子電流 （C

55、）轉(zhuǎn)速 （D）轉(zhuǎn)矩從上圖可以看出，異步電動(dòng)機(jī)通過自耦變壓器降壓起動(dòng)，可以減小變壓器二次側(cè)加在定子兩端的機(jī)端電壓，從而達(dá)到減小起動(dòng)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(dòng)的定子電流小。但是在起動(dòng)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(gè)起動(dòng)過程用時(shí)0.2秒，起動(dòng)速度快，并且轉(zhuǎn)速上升的很快，能迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。此種起動(dòng)方法，在起動(dòng)電流減小的同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小了，為132,這是因?yàn)椴捎米择钭儔浩鹘祲浩饎?dòng)，如果自耦變壓器的變比為，則起動(dòng)電流變化的比值和轉(zhuǎn)矩變化的比值是相等的，都是直接起動(dòng)時(shí)的。但是起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)矩下降的較慢，因此，自耦變壓器降壓起動(dòng)具有較大的起動(dòng)能力和承受機(jī)械負(fù)載波動(dòng)的能力，且自耦變壓器的二次繞組一般有三個(gè)抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇，應(yīng)用很廣泛，適用