基于GUI功能設(shè)計(jì)的異步電機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁1 引言1.1 異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。還隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。普通異步電機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不與其他電源連接。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)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，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械

2、的傳動(dòng)要求。異步電機(jī)還便于派生成各種防護(hù)型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)吸取無功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)因具有較高的性價(jià)比及良好的環(huán)境適合性，在電力系統(tǒng)及各種生產(chǎn)中被作為主要的動(dòng)力設(shè)備而得到了廣泛的應(yīng)用。由于異步電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、控制簡單、使用方便以及能適用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境而廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，是一種用量最大、覆蓋面最廣的電機(jī)，有人形象地把一個(gè)國家的工業(yè)生產(chǎn)稱作電動(dòng)機(jī)的一個(gè)“大車間”。在電力系統(tǒng)的各類發(fā)電廠中，除了作為系統(tǒng)核心的少數(shù)幾臺(tái)發(fā)電機(jī)外，其余的

3、輔助動(dòng)力設(shè)備幾乎全部由電動(dòng)機(jī)組成，如送粉機(jī)、磨煤機(jī)、給水泵、風(fēng)機(jī)等等。很多其他的工業(yè)領(lǐng)域中，絕大多數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備也是依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，如鋼廠的軋鋼機(jī)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，礦井提升機(jī)是依靠電動(dòng)機(jī)升降的，還有化工廠的壓縮機(jī)、建筑業(yè)中的起重機(jī)、海上石油鉆井平臺(tái)和船舶上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備等等，都是由具有各種規(guī)格和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)組成的1。1.2 電機(jī)仿真技術(shù)簡介仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。例如，汽車或飛機(jī)的駕駛訓(xùn)練模擬器，就是應(yīng)用仿真技術(shù)的成果。信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際上已經(jīng)完全

4、改變?yōu)榉抡娴母拍?。將先進(jìn)的仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，由真實(shí)裝備和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)綜合仿真系統(tǒng)組成仿真環(huán)境，用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把新武器系統(tǒng)和分散在不同地點(diǎn)的研制者、用戶聯(lián)系在一起，讓用戶在仿真環(huán)境中提前“使用”正在研制的武器，讓研制者能提前了解武器的作戰(zhàn)使用，雙方共同研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題2。建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)的仿真方法和離散事件系統(tǒng)的仿真方法。人們有時(shí)將建立數(shù)學(xué)模型的方法也列入仿真方法，這是因?yàn)閷?duì)于連續(xù)系統(tǒng)雖已有一套理論建模和實(shí)驗(yàn)建模的方法，但在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，常常先用經(jīng)過假設(shè)獲得的近似模型來檢驗(yàn)假設(shè)是否正確，必要時(shí)修改模型，使它更接近于真實(shí)系統(tǒng)。對(duì)于離散事件系

5、統(tǒng)建立它的數(shù)學(xué)模型就是仿真的一部分。在仿真硬件方面，從60年代起采用數(shù)字計(jì)算機(jī)逐漸多于模擬計(jì)算機(jī)。混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在70年代一度停滯不前，80年代以來又有發(fā)展的趨勢，由于小型機(jī)和微處理機(jī)的發(fā)展，以及采用流水線原理和并行運(yùn)算等措施，數(shù)字仿真運(yùn)算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機(jī)VAX 11-785和外圍處理器AD-10聯(lián)合工作可對(duì)大型復(fù)雜的飛行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。在仿真軟件方面，除進(jìn)一步發(fā)展交互式仿真語言和功能更強(qiáng)的仿真軟件系統(tǒng)外，另一個(gè)重要的趨勢是將仿真技術(shù)和人工智能結(jié)合起來，產(chǎn)生具有專家系統(tǒng)功能的仿真軟件。仿真模型、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度都在不斷地增長，對(duì)它們的有效性和置信度的研究將變得

6、十分重要。同時(shí)建立適用的基準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的工作也日益受到重視3。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的普及，近20年以來，國際、國內(nèi)出現(xiàn)了許多專門用于計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真的仿真語言與工具，如CSMP，ACSL，MATALB/Simulink等。而本課題主要通過MATALB來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的。MATLAB是國際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實(shí)用的計(jì)算機(jī)工具，它是一種應(yīng)用于計(jì)算技術(shù)的高性能語言，它將計(jì)算，可視化和編程結(jié)合在一個(gè)易于使用的環(huán)境中，此而將問題解決方案表示成我們所熟悉的數(shù)學(xué)符號(hào)，其典型的使用包括：數(shù)學(xué)計(jì)算；運(yùn)算法則的推導(dǎo)；模型仿真和還原；數(shù)據(jù)分析，采集及可視化；科技和工程制圖；開發(fā)軟件，包括圖形用戶界面的建立4。1.3 課題的意

7、義及畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作三相交流異步電動(dòng)機(jī)是交流電機(jī)中使用最廣泛的一種電機(jī)，它是將交流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備。對(duì)于普通的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境要求不很嚴(yán)格、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本較低的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于電力拖動(dòng)中。本課題主要研究三相異步電動(dòng)機(jī)的特性仿真，其具有很重要的意義，圖形界面GUI對(duì)于用戶來說在視覺上更易于接受。它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先使我們對(duì)所學(xué)電機(jī)學(xué)及仿真技術(shù)得以鞏固與加強(qiáng)，然后可以掌握MATLAB軟件應(yīng)用于電機(jī)仿真的方法，最后培養(yǎng)了我們運(yùn)用所學(xué)

8、專業(yè)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)研究的能力，鍛煉和提高綜合素質(zhì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)大體步驟如下：(1) 廣泛閱讀電機(jī)學(xué)相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料，分析并整理有關(guān)資料。(2) 學(xué)習(xí)并掌握MatLab軟件的GUI設(shè)計(jì)方法。(3) 學(xué)習(xí)并掌握MatLab軟件應(yīng)用于電機(jī)仿真的方法。(4) 學(xué)習(xí)并總結(jié)異步電動(dòng)機(jī)的基本原理與特性及其起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速等方面的特點(diǎn)。(5) 完成異步電動(dòng)機(jī)基本特性仿真，利用MATLAB的GUI功能設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。(6) 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。2 異步電動(dòng)機(jī)基本原理2.1 異步電機(jī)工作原理及運(yùn)行狀態(tài)2.1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存

9、在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換5。三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速n1=60f/p旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過?，F(xiàn)在選擇幾個(gè)特殊的運(yùn)行時(shí)刻，看看三相電流所產(chǎn)生的合成磁場是怎樣的。這里規(guī)定：電流取正值時(shí)，是由繞組始端流進(jìn)(符號(hào))，由尾端流出(符號(hào))；電流取負(fù)值時(shí)，繞組中電流方向與此相反。圖2.1 三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場示意圖當(dāng)t=0，U相電流=0，V相電流取為負(fù)值，即電流由端流進(jìn)，由端流出；W相電流為正，即電流從端流進(jìn)，從端流出。在圖2.1的定子繞

10、組圖中，根據(jù)電生磁右手螺旋定則，可以判定出此時(shí)電流產(chǎn)生的合成磁場如圖2.1(a)所示，此時(shí)好像有一個(gè)有形體的永久磁鐵的N極放在導(dǎo)體的位置上，S極放在導(dǎo)體的位置上。當(dāng)t=2/3時(shí)，電流已變化了1/3周期。此時(shí)刻i為正，電流由端流入，從端流出，為零；為負(fù)，電流從端流入，從端流出。這一時(shí)刻的磁場如圖2.1(b)所示。磁場方向較t=時(shí)沿順時(shí)針方向在空間轉(zhuǎn)過了120。用同樣的方法，繼續(xù)分析電流在t=、t=時(shí)的瞬時(shí)情況，便可得這兩個(gè)時(shí)刻的磁場，如圖2.1(c)、2.1(d)所示。在t=4/3時(shí)刻，合成磁場方向較時(shí)刻又順時(shí)針轉(zhuǎn)過120。在t=/2時(shí)刻，磁場較時(shí)再轉(zhuǎn)過120，即自時(shí)刻起至?xí)r刻，電流變化了一個(gè)周

11、期，磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一周。電流繼續(xù)變化，磁場也不斷地旋轉(zhuǎn)。從上述分析可知，三相對(duì)稱的交變電流通過對(duì)稱分布的3組繞組產(chǎn)生的合成磁場，是在空間旋轉(zhuǎn)的磁場，而且是一種磁場幅值不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁場6。因此，基本工作原理可總結(jié)為：把對(duì)稱的三相交流電通入彼此間隔120電角度的三相定子繞組，可建立起一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中必然會(huì)產(chǎn)生感生電流，該電流在磁場的作用下產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場同方向的電磁轉(zhuǎn)矩，并隨磁場同方向轉(zhuǎn)動(dòng)7。2.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)行狀態(tài) 除了運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，三相異步電動(dòng)機(jī)還可以運(yùn)行在制動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，具體如下。如果作用在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的外轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋

12、轉(zhuǎn)，即n1，如圖2.2(a)中所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電動(dòng)勢與電流方向仍和電動(dòng)機(jī)時(shí)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩方向仍與旋轉(zhuǎn)磁場方向一致，但與外轉(zhuǎn)矩方向相反。即電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)性質(zhì)，在這種情況下，一方面電動(dòng)機(jī)吸取機(jī)械功率，另一方面因轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電流方向并未改變，對(duì)定子來說，電磁關(guān)系和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)一樣，定子繞組中電流方向仍和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相同，也就是說，電網(wǎng)還對(duì)電動(dòng)機(jī)輸送電功率，因此異步電動(dòng)機(jī)在這種情況下，同時(shí)從轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率、從定子輸入電功率，兩部分功率一起變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)內(nèi)部的損耗。異步電動(dòng)機(jī)的這種運(yùn)行狀態(tài)稱為“電磁制動(dòng)”狀態(tài)，又稱“反接制動(dòng)”狀態(tài)。如果用一原動(dòng)機(jī)，或者由其他轉(zhuǎn)矩(如慣性轉(zhuǎn)矩、重力所形成的轉(zhuǎn)矩)去拖動(dòng)異步電

13、動(dòng)機(jī)，使它的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)在異步電動(dòng)機(jī)中的電磁情況有所改變，因nn1，s0，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的方向相反，導(dǎo)條中的電動(dòng)勢與電流方向都反向。根據(jù)左手定則所決定的電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩方向都是與旋轉(zhuǎn)磁場及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種電磁轉(zhuǎn)矩是一種制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，如圖2.2(c)所示，這時(shí)原動(dòng)機(jī)就對(duì)異步電動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率。以后會(huì)講述，在這種情況下，異步電動(dòng)機(jī)通過電磁感應(yīng)由定子向電網(wǎng)輸送電功率，電動(dòng)機(jī)就處在發(fā)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)8。圖2.2 異步電動(dòng)機(jī)的3種運(yùn)行狀態(tài)2.2 異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)也可分為定子、轉(zhuǎn)子兩大部分。定子就是電機(jī)中固定不動(dòng)的部分，轉(zhuǎn)子是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。由于異步電動(dòng)機(jī)的定子產(chǎn)生勵(lì)磁旋

14、轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)從電源吸收電能，并產(chǎn)生且通過旋轉(zhuǎn)磁場把電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能，所以與直流電機(jī)不同，交流電機(jī)定子是電樞。另外，定、轉(zhuǎn)子之間還必須有一定間隙(稱為空氣隙)，以保證轉(zhuǎn)子的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的空氣隙較其他類型的電動(dòng)機(jī)氣隙要小，一般為0.2mm2mm。三相異步電動(dòng)機(jī)外形有開啟式、防護(hù)式、封閉式等多種形式，以適應(yīng)不同的工作需要。在某些特殊場合，還有特殊的外形防護(hù)型式，如防爆式、潛水泵式等。不管外形如何電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本上是相同的?，F(xiàn)以封閉式電動(dòng)機(jī)為例介紹三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。定子部分由機(jī)座、定子鐵心、定子繞組及端蓋、軸承等部件組成。三相交流異步電動(dòng)機(jī)按照轉(zhuǎn)子繞組形式的不同，一般可分為籠型異步電

15、動(dòng)機(jī)和繞線型異步電動(dòng)機(jī)。(1) 籠型轉(zhuǎn)子線槽一般都是斜槽(線槽與軸線不平行)，目的是改善起動(dòng)與調(diào)速性能?；\型繞組(也稱為導(dǎo)條)是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽里嵌放裸銅條或鋁條，然后用兩個(gè)金屬環(huán)(稱為端環(huán))分別在裸金屬導(dǎo)條兩端把它們?nèi)拷油?短接)，即構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組；小型籠型電動(dòng)機(jī)一般用鑄鋁轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子是用熔化的鋁液澆在轉(zhuǎn)子鐵心上，導(dǎo)條、瑞環(huán)一次澆鑄出來。如果去掉鐵心，整個(gè)繞組形似鼠籠，所以得名籠型繞組。(2) 繞線型轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組類似，由鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心槽中的三相繞組組成。繞組一般采用星形連接，三相繞組繞組的尾端接在一起，首瑞分別接到轉(zhuǎn)軸上的3個(gè)銅滑環(huán)上，通過電刷把3根旋轉(zhuǎn)的線變成了固定線，與外部的變阻

16、器連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)子的閉合回路，以便于控制。有的電動(dòng)機(jī)還裝有提刷短路裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后又不需要調(diào)速時(shí)，可提起電刷，同時(shí)使用3個(gè)滑環(huán)短路，以減少電刷摩損。兩種轉(zhuǎn)子相比較，籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，并且運(yùn)行可靠，因而應(yīng)用十分廣泛。繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)也高，但是它的起動(dòng)性能較好，并能利用變阻器阻值的變化，使電動(dòng)機(jī)能在一定范圍內(nèi)調(diào)速；在起動(dòng)頻繁、需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械(如起重機(jī))中常常被采用9。2.3 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速2.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)就是轉(zhuǎn)速從零開始到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)過度過程。衡量異步電動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)性能的優(yōu)劣要從起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)過程的平滑性、

17、起動(dòng)時(shí)間及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合進(jìn)行考慮，其中最主要的是：電動(dòng)機(jī)應(yīng)有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；在保證一定大小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，起動(dòng)電流越小越好。(1) 直接起動(dòng) 直接起動(dòng)時(shí)最簡單的起動(dòng)方法。起動(dòng)時(shí)用刀開關(guān)、電磁啟動(dòng)器或接觸器將電動(dòng)機(jī)定子繞組直接接電源上。取熔體的額定電流為電動(dòng)機(jī)額定電流的2.53.5倍。一般對(duì)于小型籠型異步電動(dòng)機(jī)如果電源容量足夠大時(shí)，應(yīng)盡量采用直接起動(dòng)方法。對(duì)于某一電網(wǎng)，多大容量的電動(dòng)機(jī)才允許直接起動(dòng)，可按以下經(jīng)驗(yàn)公式確定。Ki=Is/IN3+(電源總?cè)萘?電動(dòng)機(jī)額定功率)/4 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)Ki需符合式中電網(wǎng)允許的起動(dòng)電流倍數(shù)，才允許直接起動(dòng)。一般10kW以下的電動(dòng)機(jī)都可以直接起動(dòng)

18、。隨電網(wǎng)容量的加大，允許直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量也變大。需要注意的是，對(duì)于頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)，否則應(yīng)采取降壓起動(dòng)。(2) 降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)降低加在定子繞組上的電壓，啟動(dòng)結(jié)束時(shí)加額定電壓運(yùn)行的啟動(dòng)方式。降壓起動(dòng)雖然能降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，但由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減少較多，故此法一般適用于電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)空載或輕載起動(dòng)。降壓起動(dòng)的方法有以下幾種10。(a) 定子串接電抗器或電阻的降壓起動(dòng)方法：起動(dòng)時(shí)，電抗器或電阻接入定子電路；起動(dòng)后，切除電抗器或電阻，進(jìn)入正常運(yùn)行，如圖2.3所示。圖2.3 籠型異步電動(dòng)機(jī)定子串接電抗器或電阻的降壓起動(dòng)原

19、理圖三相異步電動(dòng)機(jī)定子邊串入電抗器或電阻器起動(dòng)時(shí)定子繞組實(shí)際所加電壓降低，從而減小起動(dòng)電流。但定子繞組串電阻起動(dòng)時(shí)，能耗較大，實(shí)際應(yīng)用不多。(b) 星形三角形降壓起動(dòng)對(duì)應(yīng)運(yùn)行時(shí)定子繞組接成形的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)接成Y形，則定子每相電壓降為額定電壓的，從而實(shí)現(xiàn)了降壓起動(dòng)。即起動(dòng)時(shí)，開關(guān)2K合到下方，電動(dòng)機(jī)定子繞組接成Y形，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速升到一定程度后，開關(guān)2K從下方斷開合向上方。定子繞組接成形，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。圖2.4 Y降壓起動(dòng)原理圖起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析和計(jì)算：根據(jù)電機(jī)定子繞組形和Y形接法的電流和電壓如圖2.5所示。(a)直接起動(dòng)(b)Y起動(dòng)圖2.5 Y起動(dòng)電流分析圖

20、上式說明，Y降壓起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流降低到直接起動(dòng)的。若直接起動(dòng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，Y起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，則顯然，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也下降到直接起動(dòng)的。因此，Y降壓起動(dòng)也是適用于電動(dòng)機(jī)的輕載起動(dòng)，而且限于正常運(yùn)行為接法的電動(dòng)機(jī)。(c) 自耦變壓器降壓起動(dòng)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)采用自耦變壓器降壓起動(dòng)接線原理圖如圖2.6所示。起動(dòng)時(shí)。開關(guān)向下一邊，電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過三相自耦變壓器T的中間抽頭接到三相電源上，從而降壓起動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到穩(wěn)定值后，開關(guān)K投向上邊。即“運(yùn)行”端，自耦變壓器被切除，電動(dòng)機(jī)定子直接接到電源上，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。圖2.6 自耦變壓器降壓起動(dòng)接線圖起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析和計(jì)算：自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)

21、機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為與直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 顯然，采用自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，與直接起動(dòng)相比較，起動(dòng)電壓降低倍，而起動(dòng)電流的轉(zhuǎn)矩降低到倍11。2.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能大有改善，交流調(diào)速應(yīng)用日益廣泛，在許多領(lǐng)域有取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式n=(1-s)=60(1-s)/p可以看出，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可分以下三大類：改變定子繞組磁極對(duì)數(shù)p，稱為變極調(diào)速；改變供電電源的頻率，稱為變頻調(diào)速；改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，其方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。(1) 變極調(diào)速所謂變極調(diào)速，就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子

22、繞組的接線，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。變極調(diào)速方法一般適于籠型異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榛\型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組本身沒有固定的極對(duì)數(shù)，能自動(dòng)地與定子繞組相適應(yīng)。圖2.6 定子繞組展開圖變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)往往被稱為多極電動(dòng)機(jī)，其定子繞組的接線方式很多，其中常見的一種是角接/雙星接，即/YY，變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)往往被稱為多極電動(dòng)機(jī)，其定子繞組的接線方式很多，其中常見的一種是角接/雙星接，即/YY，由定子繞組展開圖2.6知：只要改變一相繞組中一半元件的電流方向即可改變磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)T1、T2、T3外接三相交流電源，而T4、T5、T6對(duì)外斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子繞組接法為，極對(duì)數(shù)為2P，當(dāng)T4、T5、T6外

23、接三相交流電源，而T1、T2、T3連接在一起時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的接法為YY，極對(duì)數(shù)為P，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。(2) 變頻調(diào)速變頻調(diào)速是改變電源頻率從而使電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速變化達(dá)到調(diào)速的目的的。在一般情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s很小，所以可以近似地認(rèn)為nn1f1，為使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，通常希望氣隙磁通維持不變，從電動(dòng)勢公式知，若要維持為常數(shù)，則U1必須隨頻率的變化成正比變化，即(表示變頻后的量)。另一方面，為保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，希望變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過載能力不變。(a) 對(duì)恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，既保證了電動(dòng)機(jī)的過載能力，又滿足了為常數(shù)的要求，這說明變頻調(diào)速特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。(b) 對(duì)恒定功率負(fù)載而言，

24、則電動(dòng)機(jī)過載能力不變，但將發(fā)生變化。當(dāng)時(shí)，則保持不變，但過載能力發(fā)生變化。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍寬，靜差率小，穩(wěn)定性好，平滑性好能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能適應(yīng)各種負(fù)載，效率較高，但它需要一套專門的變頻電源，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高，是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展的主要方向。(3) 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。下面分別介紹。(a) 定子調(diào)壓調(diào)速：由定子調(diào)壓的機(jī)械特性曲線可知對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，其調(diào)速范圍很窄，實(shí)用價(jià)值不大，但對(duì)于通風(fēng)機(jī)負(fù)載而言，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速的變化而變化?？梢娖湔{(diào)速范圍很寬，所以目前大多數(shù)的風(fēng)扇采用此法。但是這種調(diào)速方法在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

25、速較低時(shí)，轉(zhuǎn)子電阻上的損耗較大，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重，所以這種調(diào)速方法一般不宜在低速下長時(shí)間運(yùn)行。(b) 轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速：該方法適用于繞線形異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)串入電阻越大時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行速度越低，且穩(wěn)定性也越差。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，設(shè)備投資不高，工作可靠。但調(diào)速范圍不大，穩(wěn)定較差，平滑性也不是很好，調(diào)速的能耗比較大。在對(duì)調(diào)速性能要求不高的地方得到廣泛的應(yīng)用，如運(yùn)輸、起重機(jī)械等。(c) 串級(jí)調(diào)速：所謂串級(jí)調(diào)速就是在繞線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中引入一個(gè)附加電動(dòng)勢Ef來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法僅適于繞線異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)附加電動(dòng)勢的相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢相位相反時(shí)，為負(fù)值，使串電動(dòng)勢后的轉(zhuǎn)子電流小于原來的

26、電流，電動(dòng)機(jī)在新的較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降速的調(diào)速。當(dāng)附加電動(dòng)勢的相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢相位相同時(shí)，為正值，使串電動(dòng)勢后的轉(zhuǎn)子電流大于原來的電流，則電動(dòng)機(jī)在新的較高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)升速的調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的調(diào)速性能比較好，但是附加電動(dòng)勢的獲取比較困難，故長期以來未得到推廣12。2.3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)所謂制動(dòng)，就是給電動(dòng)機(jī)一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩使它迅速停轉(zhuǎn)(或限制其轉(zhuǎn)速)。制動(dòng)的方法一般有兩類：機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。制動(dòng)的方法一般有兩類：機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。主要介紹電氣制動(dòng)。(1) 能耗制動(dòng)(a) 能耗制動(dòng)的原理：電動(dòng)機(jī)切斷交流電源后，轉(zhuǎn)子因慣性仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，立即在兩相定子繞組中通入直流電，

27、在定子中即產(chǎn)生一個(gè)靜止磁場。轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)條就切割這個(gè)靜止磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電流，在靜止磁場中受到電磁力的作用。這個(gè)力產(chǎn)生的力矩與轉(zhuǎn)子慣性旋轉(zhuǎn)方向相反，稱為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至0，轉(zhuǎn)子不再切割磁場，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，制動(dòng)結(jié)束。此法是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的能量切割磁通而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，實(shí)質(zhì)是將轉(zhuǎn)子的動(dòng)能消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，故稱為能耗制動(dòng)。(b) 能耗制動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：制動(dòng)力強(qiáng)、制動(dòng)平穩(wěn)、無大的沖擊；應(yīng)用能耗制動(dòng)能使生產(chǎn)機(jī)械準(zhǔn)確停車，被廣泛用于礦井提升和起重機(jī)運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)機(jī)械。缺點(diǎn)：需要直流電源、低速時(shí)制動(dòng)力矩小。電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，制動(dòng)的直流設(shè)備投資大。(2) 反接制動(dòng)(a) 電源反接制動(dòng)：電

28、源反接，旋轉(zhuǎn)磁場反向，轉(zhuǎn)子繞組切割磁場的方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相反，起制動(dòng)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至接近零時(shí)，立即切斷電源，避免電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。反接制動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力強(qiáng)、停轉(zhuǎn)迅速、無需直流電源；缺點(diǎn)是制動(dòng)過程沖擊大，電能消耗多。(b) 電阻倒拉反接制動(dòng)繞線異步電動(dòng)機(jī)提升重物時(shí)不改變電源的接線，若不斷增加轉(zhuǎn)子電路的電阻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流下降，電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速不斷下降，當(dāng)電阻達(dá)到一定值，使轉(zhuǎn)速為0，若再增加電阻，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：能量損耗大。(3) 回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)即發(fā)電回饋制動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n超過旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向電網(wǎng)反饋能量，轉(zhuǎn)子所受的力矩迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，起到制動(dòng)作用。如起重機(jī)快

29、速下放物體時(shí)，重物拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)速超過n1時(shí)，轉(zhuǎn)子受到制動(dòng)，使重物等速下降。當(dāng)變速多極電動(dòng)機(jī)從高速檔調(diào)到低速檔時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速突然減小，而轉(zhuǎn)子具有慣性，轉(zhuǎn)速尚未下降時(shí)，出現(xiàn)回饋制動(dòng)。特點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好，將負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能反送電網(wǎng)，但應(yīng)用范圍不廣。電容制動(dòng)對(duì)高速、低速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)均能迅速制動(dòng)，能量損耗小設(shè)備簡單，一般用語10kW以下的小容量電動(dòng)機(jī)，可適用于制動(dòng)頻繁的場合13。2.4 本章小結(jié)衡量異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，最主要的指標(biāo)是起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。三角形接線的異步電動(dòng)機(jī)，在空載或輕載起動(dòng)時(shí)，可以采取Y起動(dòng)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都減小3倍。負(fù)載比較重的，可采用自耦變壓器起動(dòng)。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

30、子串電阻起動(dòng)，起動(dòng)電流比較小，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，起動(dòng)性能好。異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有3種方法，即變極、變頻和改變轉(zhuǎn)差率。制動(dòng)即電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，電磁制動(dòng)分為能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)、回饋制動(dòng)。3 MATLAB軟件的GUI介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JA

31、VA的支持。可以直接調(diào)用。MATLAB的基礎(chǔ)是矩陣計(jì)算，但是由于他的開放性，并且mathwork也吸收了想maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。當(dāng)前流行的MATLAB 6.5/7.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對(duì)源

32、程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。就是說每一個(gè)特征向量(即幾個(gè)特征的值)對(duì)應(yīng)一種故障類型，已經(jīng)知道了很多特征向量和故障類型的對(duì)應(yīng)(就是很多個(gè)樣本)，現(xiàn)在有一個(gè)新的特征向量，但對(duì)應(yīng)的故障類型未知，希望有一種算法能根據(jù)以往的對(duì)應(yīng)關(guān)系推測出這個(gè)未知的故障類型。其方法有很多，比如線性判別函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、近鄰法、決策樹、SVM等等，用哪一種關(guān)鍵看場合。matlab里不一定有現(xiàn)成的函數(shù)。MATLAB不僅有強(qiáng)大的計(jì)算功能，還有很強(qiáng)的圖形顯示功能。利用這些特性及GUI功能可以實(shí)現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)處理。圖形用戶界面的設(shè)計(jì)確定了應(yīng)用程序的主要框架和基本功能，完成了窗口、圖標(biāo)、按鈕等用戶界面，軟件開發(fā)者只需

33、在由軟件開發(fā)工具自動(dòng)生成的程序代碼中添加自己的運(yùn)算或控制代碼，就可以完成自己的設(shè)計(jì)。可以利用MATLAB設(shè)計(jì)了基于GUI的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，展示方便靈活的數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果圖形輸出效果，開發(fā)設(shè)計(jì)出了良好的交互處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)14。3.1 Simulink的介紹Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)

34、計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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

35、立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)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(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)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(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。特點(diǎn)：(1)豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫；(2)交

36、互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；(3)以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理；(4)通過Model Explorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；(5)提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；(6)使用Embedded MATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)MATLAB算法；(7)使用定步長或變步長運(yùn)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(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型；(8)圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和

37、異常行為；(9)可訪問MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)；(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(cuò)誤15。3.1.1 GUI的介紹圖形用戶界面(Graphical User Interface，簡稱 GUI，又稱圖形用戶接口)是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來說在視覺上更易于接受。如Windows是以圖形界面方式操作的，因?yàn)槟憧梢杂檬髽?biāo)來點(diǎn)擊按鈕來進(jìn)行操作，很直觀。而DOS就不具備GUI，所以他只能輸入命令。DOS的這種界面叫CUI(Command line User In

38、terface)命令行模式的人機(jī)接口。GUI是Graphical User Interface的簡稱，即圖形用戶界面，通常人機(jī)交互圖形化用戶界面設(shè)計(jì)經(jīng)常讀做“goo-ee”，準(zhǔn)確來說GUI就是屏幕產(chǎn)品的視覺體驗(yàn)和互動(dòng)操作部分。GUI是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)，及各商業(yè)領(lǐng)域需求分析的人機(jī)系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)人機(jī)環(huán)境三者作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。這種面向客戶的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)其目的是優(yōu)化產(chǎn)品的性能，使操作更人性化，減輕使用者的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使其更適合用戶的操作需求，直接提升產(chǎn)品的市場競爭力。GUI即人機(jī)交互圖形化用戶界面設(shè)計(jì)?？v觀國際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶界面設(shè)計(jì)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國際知名公司早

39、已意識(shí)到GUI在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大增值功能，以及帶動(dòng)的巨大市場價(jià)值，因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事GUI的研究與設(shè)計(jì)，同業(yè)間也成立了若干機(jī)構(gòu)，以互相交流GUI設(shè)計(jì)理論與經(jīng)驗(yàn)為目的。隨著中國IT產(chǎn)業(yè)，移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)水平發(fā)展上日顯滯后，這對(duì)于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國際同等業(yè)者的競爭能力等等方面無疑起了制約的作用。特點(diǎn)：GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個(gè)方面的基本要求：輕型、占用資源少

40、、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點(diǎn)16。 3.2 具體仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本課題研究基于GUI功能設(shè)計(jì)的異步電機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3.1首先在matlab中新建GUI界面。選擇靜態(tài)文本，出現(xiàn)Static Text框架，點(diǎn)擊框架，修改其中的String選項(xiàng)，把Static Text改為異步電動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。選擇按鈕，出現(xiàn)Push Button框架，點(diǎn)擊框架，修改其中的String選項(xiàng)，把Push Button修改為直接起動(dòng)。修改Callback選項(xiàng)，把%automatic修改為直接起動(dòng)，會(huì)彈出建立GUI文本，建立simulink直接起動(dòng)仿真，GUI文本改為zhijieqidong。再選擇按鈕，

41、完成以上超作的步驟建立變頻調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，串電阻起動(dòng)，調(diào)壓調(diào)速4個(gè)框架。把以上框架均勻分布在GUI文本界面中，使其美觀。圖3.1 異步電動(dòng)機(jī)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)GUI界面當(dāng)實(shí)驗(yàn)需研究三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真模型時(shí)，電機(jī)直接起動(dòng)按鈕，即可調(diào)出三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)matlab界面，隨后研究其仿真運(yùn)行狀態(tài)及仿真波形。接下來研究變頻調(diào)速、串電阻起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)壓調(diào)速實(shí)驗(yàn)根據(jù)以上步驟進(jìn)行即可。3.2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)(1) 建立仿真模型 三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真如圖3.2。圖中包括三相異步電動(dòng)機(jī)模塊，電源模塊，測量模塊等。圖3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真圖(2) 模塊參數(shù)設(shè)置(a)

42、異步電機(jī)模塊 仿真模型中三相異步電動(dòng)機(jī)模塊的參數(shù)設(shè)置其中：Preset model預(yù)設(shè)模型選項(xiàng)，模塊中有一些預(yù)先設(shè)定好參數(shù)可以使用，此仿真使用預(yù)設(shè)模型20，所以隨后的參數(shù)不再需要設(shè)定。(b) 電機(jī)測量模塊 Machine type電機(jī)類型選擇異步電機(jī)(Asynchronous)，此仿真測量的其中的abc坐標(biāo)的定子電流，轉(zhuǎn)子速度，電磁轉(zhuǎn)矩。(c) 交流電壓源模塊 使用3個(gè)獨(dú)立的單相交流電壓源模塊構(gòu)成三相交流電壓源。單相交流電源模塊參數(shù)設(shè)置：電源電壓峰值設(shè)定為220*sqrt(2)，在3個(gè)單相交流電源的參數(shù)中，只有初相角不同，互差120其余參數(shù)設(shè)置值相同，構(gòu)成對(duì)稱三相電源。(3) 仿真參數(shù)設(shè)置 設(shè)

43、定仿真時(shí)間為1.2s。(4) 仿真定子電流：如圖3.3。如圖所示，從仿真波形可以看出起動(dòng)電流約為2000A。圖3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)定子電流波形圖轉(zhuǎn)速：如圖3.4從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速約在0.4s時(shí)刻趨于穩(wěn)定，約為1500n/rpm。圖3.5 三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖3.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)(1) 建立仿真模型 三相異步電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)如圖3.6。圖中包括三相異步電動(dòng)機(jī)模塊，電源模塊，測量模塊，斷路器，電阻器等。圖3.6 三相異步電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)仿真圖(2) 模塊參數(shù)設(shè)置(a) 異步電機(jī)模塊 建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(b) 電機(jī)測量模塊 Machine t

44、ype建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(c) 交流電壓源模塊 使用3個(gè)獨(dú)立的單相交流電壓源模塊構(gòu)成三相交流電壓源。單相交流電源模塊參數(shù)設(shè)置：電源電壓峰值設(shè)定為220*sqrt(2)，在3個(gè)單相交流電源的參數(shù)中，只有初相角不同，互差120其余參數(shù)設(shè)置值相同，構(gòu)成對(duì)稱三相電源。設(shè)定控制斷路器接通時(shí)刻上的階躍信號(hào)源模塊的時(shí)間參數(shù)為2s，設(shè)定串聯(lián)電阻參數(shù)為0.3。(3) 仿真參數(shù)設(shè)置 設(shè)定仿真時(shí)間為5s。(4) 仿真轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖3.7。從仿真波形可以看出，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在和斷路器時(shí)產(chǎn)生沖擊，約為5000Nm，起動(dòng)時(shí)間大約2s。2s時(shí)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，約為1800n/rpm。可以看出，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流得到了有效

45、的控制，起動(dòng)時(shí)間比直接啟動(dòng)時(shí)間長很多。圖3.7 三相異步電動(dòng)機(jī)的串電阻轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖3.2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速(1) 建立仿真模型 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速如圖3.8。圖中包括三相異步電動(dòng)機(jī)模塊，電源模塊，測量模塊，斷路器，電阻器等。圖中使用了兩個(gè)斷路器控制接入三相異步電動(dòng)機(jī)定子電流的電壓。兩個(gè)三相電流分別設(shè)置不同的電壓，模擬三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓的變化。圖3.8 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速仿真圖(2) 模塊參數(shù)設(shè)置(a) 異步電機(jī)模塊 建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(b) 電機(jī)測量模塊 Machine type建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(c) 交流電壓源模塊 使用3個(gè)獨(dú)立的單相交

46、流電壓源模塊構(gòu)成三相交流電壓源。單相交流電源模塊參數(shù)設(shè)置：電源電壓峰值設(shè)定為220*sqrt(2)，在3個(gè)單相交流電源的參數(shù)中，只有初相角不同，互差120其余參數(shù)設(shè)置值相同，構(gòu)成對(duì)稱三相電源。另一個(gè)三相電源相電壓為50V，設(shè)定階躍信號(hào)源模塊的時(shí)間參數(shù)為3s。(3) 仿真參數(shù)設(shè)置 設(shè)定仿真時(shí)間為5s。(4) 仿真 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形 如圖3.9。從圖中可以看出，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著定子電壓的降低而下降；而轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流都在3s時(shí)電壓變化的瞬間產(chǎn)生比較大的沖擊。圖3.9 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖3.2.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速(1) 建立仿真模型 三相異步電動(dòng)機(jī)

47、的變頻調(diào)速如圖3.10。圖中包括三相異步電動(dòng)機(jī)模塊，電源模塊，測量模塊，斷路器，電阻器等。圖中使用了兩個(gè)斷路器控制接入三相異步電動(dòng)機(jī)定子電流的電壓。兩個(gè)三相電流分別設(shè)置不同的頻率，模擬三相異步電動(dòng)機(jī)的頻率的變化。圖3.10 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速仿真圖(2) 模塊參數(shù)設(shè)置(a) 異步電機(jī)模塊 建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(b) 電機(jī)測量模塊 Machine type建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(c) 交流電壓源模塊 使用3個(gè)獨(dú)立的單相交流電壓源模塊構(gòu)成三相交流電壓源。單相交流電源模塊參數(shù)設(shè)置：電源電壓峰值設(shè)定為220*sqrt(2)，在3個(gè)單相交流電源的參數(shù)中，只有初相角不同，互差120其余參數(shù)

48、設(shè)置值相同，構(gòu)成對(duì)稱三相電源。另一個(gè)三相電源頻率為60Hz，設(shè)定階躍信號(hào)源模塊的時(shí)間參數(shù)為3s。(3) 仿真參數(shù)設(shè)置 設(shè)定仿真時(shí)間為10s。(4) 仿真 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖3.11。從圖中可以看出，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著頻率的降低而下降；而轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流都在3s時(shí)頻率變化的瞬間產(chǎn)生比較大的沖擊。圖3.11 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖3.2.5 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)(1) 建立仿真模型 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)如圖3.12。圖中包括三相異步電動(dòng)機(jī)模塊，電源模塊，測量模塊，斷路器，電阻器等。使用兩個(gè)三相斷路器控制接入異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的電流相序就可以達(dá)到改變異步

49、電動(dòng)機(jī)定子三相交流電源相序的目的。圖3.12 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)仿真圖(2) 模塊參數(shù)設(shè)置(a) 異步電機(jī)模塊 建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(b) 電機(jī)測量模塊 Machine type建立此模塊跟直接起動(dòng)相同。(c) 交流電壓源模塊 使用3個(gè)獨(dú)立的單相交流電壓源模塊構(gòu)成三相交流電壓源。單相交流電源模塊參數(shù)設(shè)置：電源電壓峰值設(shè)定為220*sqrt(2)，在3個(gè)單相交流電源的參數(shù)中，只有初相角不同，互差120其余參數(shù)設(shè)置值相同，構(gòu)成對(duì)稱三相電源。設(shè)定階躍模塊的參數(shù)為1s，即正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)刻為1s。(3) 仿真參數(shù)設(shè)置 設(shè)定仿真時(shí)間為3s。(4) 仿真速度和轉(zhuǎn)矩波形如圖3.13。圖3.13 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖定子、轉(zhuǎn)子電流波形如圖3.14。圖3.14 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流波形圖從圖中可以看出，異步電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生了非常大的 電磁轉(zhuǎn)矩沖擊，定子電流也有較大的沖擊。這是由于在反轉(zhuǎn)控制時(shí)沒有在反轉(zhuǎn)控制時(shí)沒有串聯(lián)電阻等限制電流措施，在開始反轉(zhuǎn)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率近似為2，比起動(dòng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)差率大很多，體現(xiàn)在電磁轉(zhuǎn)矩上有很大的沖擊。3.3 本章小結(jié)MATLAB不僅