異步電動機機械特性的MATLAB仿真

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學實驗室開放課題設計（論文）題目： 異步電動機機械特性的MATLAB仿真 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化 131 學 號： 130302010 學生姓名： 徐峰 指導教師： 趙麗麗 起止時間： 2016.4.52016.4.22 摘 要異步電動機以其結(jié)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

2、了相對應的仿真模型；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(zhuǎn)進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，本設計將結(jié)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、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 MATLA

3、B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(zhuǎn)仿真10第4章 總結(jié)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(nèi)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、調(diào)速的仿真。實驗數(shù)據(jù)及實驗內(nèi)容：1、一臺三相異步電動機定子繞組為Y聯(lián)結(jié)，額定電壓為，額定轉(zhuǎn)速為，電源頻率為工頻50HZ，定子繞組，定子漏電抗，轉(zhuǎn)子電阻折算值，轉(zhuǎn)子漏電抗折算值為。2、三相異步電動機仿真實

4、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(zhuǎn)及調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子串電阻每次串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(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動的仿真模型，給出電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)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

5、出電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子電流隨時間變化的曲線。 建立三相異步電動機正反轉(zhuǎn)的仿真模型，給出轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)分析，研究和設計的有利工具。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(nèi)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，

6、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(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。 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

7、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(jié)果。此外，使用語言設計的程序，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)

8、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(jié)構圖方式的仿真，對于結(jié)構復雜的控制系統(tǒng)，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

9、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(diào)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

10、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(jié)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，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

11、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，在仿真結(jié)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(jié)果輸出。把Scope連接到任何你想觀測的點，調(diào)整好Scope的掃描量程與顯示幅值量程，同時調(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

12、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，與直流電動相同，三相異步電動機的機械特性也是指其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩間的關系。其表達式可以分為三種，分別是物理表達式、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）。（3-1-1）（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

13、定子電壓和改變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速為，電源頻率為工頻50HZ，定子繞組，定子漏電抗，轉(zhuǎn)子電阻折算值，轉(zhuǎn)子漏電抗折算值為。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。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(zhuǎn)矩及其啟動轉(zhuǎn)矩與成正比的降低；與的降低無關；由于同步轉(zhuǎn)速，因此也保持不變

14、。改變轉(zhuǎn)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，M文件程序見附錄。圖 3-2異步電動機固有及其轉(zhuǎn)子串電阻曲線圖如圖所示，當轉(zhuǎn)子電阻增加時，最大轉(zhuǎn)矩不變；由于同步轉(zhuǎn)速，因此也保持不變；隨的增大二增大， 先增大后減小。3.2 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(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動的仿真模型，給出電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流隨時間變化的曲線。用MATLAB/Simulink對繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機直接啟動和轉(zhuǎn)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

15、，轉(zhuǎn)子串聯(lián)啟動加的電阻值為1。通過示波器scope輸出的電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的變化曲線，如下圖3-5，圖3-6。圖 3-5 轉(zhuǎn)子不串電阻的電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩圖圖 3-6 轉(zhuǎn)子串電阻的電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩圖由圖3-5與圖3-6比較分析可以得出這樣的結(jié)論，三相異步電機在直接啟動轉(zhuǎn)子不串電阻的情況下，其轉(zhuǎn)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，當在轉(zhuǎn)子一側(cè)串聯(lián)1

16、電阻的情況下，可以減小轉(zhuǎn)子側(cè)的電流，降低危險。直接啟動達到穩(wěn)定時間大約為0.6s,轉(zhuǎn)子串電阻啟動達到穩(wěn)定的時間大約為5s，可以得出轉(zhuǎn)子串電阻啟動時間比直接啟動用時要長一些，但轉(zhuǎn)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(nèi)通入直流電流，在定子內(nèi)形成一個固定磁場。當轉(zhuǎn)子由于慣性而仍在旋轉(zhuǎn)時其導體即切割此磁場，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)

17、生感應電動勢及轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)左手定則，可確定出轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，即為制動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出波形圖，如圖3-9所示：圖 3-9 三相異步電動機轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩圖三相異步電動機能耗制動仿真結(jié)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時三相電源斷開，單向開關閉合，在AB兩相上加入直流電，三相異步電

18、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(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動，完成制動。3.4 三相異

19、步電動機正反轉(zhuǎn)仿真三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)由輸入的三相交流電源有關，當規(guī)定好電動機的旋轉(zhuǎn)正反方向時，改變?nèi)嚯娫雌渲械腁和B兩相電源位置就可以實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。三相異步電動機正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。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AB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(zhuǎn)。用MATLAB/Simulink建立三相異步電動機正反轉(zhuǎn)仿真模型如圖3-11，三相電源為460V 6

20、0Hz，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(zhuǎn)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(zhuǎn)速1750r/min，電流及轉(zhuǎn)矩都變?yōu)?，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)锽A，如圖3-12，,在1s時AB兩相交換位置電動機開始反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的變化曲線，如下圖3-12。圖 3-12 異步電動機正反轉(zhuǎn)電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩圖通過圖3-12可以很直觀的看出，轉(zhuǎn)速方向以及轉(zhuǎn)矩方向都發(fā)生了反相變化，更佳確切的驗證了，

21、三相異步電動機要想使其反向旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)。從圖3-10可知三相異步電動機在正反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)Step參數(shù)設置開關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。控制輸入電壓方向，從而實現(xiàn)三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)。第4章 總結(jié)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

22、完成了相關系統(tǒng)的仿真圖。現(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MATLAB下的SIMULINK中繪制三相異步電動機調(diào)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(zhuǎn)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(nèi)外關于電動機系統(tǒng)仿真的技術文獻，對當前

23、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MATLAB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(jié)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

24、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):150-150.3 張俊勇. 三相異步電動機直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

25、. 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(zhuǎn)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

26、燕, 李錦全, 陳育中. 三相異步電機正反轉(zhuǎn)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);plot(T,n)hold onU1=0.8*U;n=0:0.5:1000;T=0:0.5