基于MATLAB的异步电机特性仿真

*大学毕业设计（论文）说明书摘要 异步电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低等特点，在日常生活中得到广泛的使用。目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件 ，可用动作系统的建模和仿真。在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。全论文分为六个部分，第一章对异步电机的应用发展做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，从第三章到第六章则是对异步电动机的机械特性、启动、调速、制动进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。经分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。关键词：异步电机 数学模型 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 control 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 the 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 simulation.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 characteristics 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 modeling and simulation, and through the actual parameters of the motor, the model is validated.Key words: asynchronous motor. mathematical model. simulation of MATLAB目录摘要引言11 异步电动机的概述21.1 异步电动机的用途及分类21.2 异步电动机的主要性能指标21.3 异步动电机的基本工作原理和运行特性31.3.1 基本工作原理31.3.2 三相异步电动机的工作特性32 软件介绍及模型实现52.1 MATLAB简介52.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用62.3 模型实现73 三相异步电机机械特性的仿真83.1 机械特性的表达式83.1.1 物理表达式83.1.2 参数表达式93.2 固有机械特性与人为机械特性93.3 基于MATLAB的异步电机机械特性仿真123.3.1 模型设计123.3.2 参数设置143.3.3 仿真结果164 异步电机启动特性仿真174.1 起动理论分析174.2 起动的基本要求174.3 笼型异步电动机的起动方式184.3.1 直接起动184.3.2 降压起动194.3.3 定子绕组串电阻或串电抗降压起动194.3.4 自耦变压器降压起动224.3.5 星形-三角形（-）降压起动234.3.6 延边三角形降压起动244.4 笼型异步电动机的MATLAB仿真254.4.1 异步电动机直接起动仿真254.4.2 异步电动机定子串电抗起动仿真274.4.3 异步电动机自耦变压器降压起动仿真314.4.4 异步电动机变频起动仿真325 异步电机调速特性仿真355.1 变极调速355.1.1 变极原理355.1.2 变极调速仿真365.2 变频调速375.2.1 变频调速原理及其机械特性375.2.2 基频以下变频调速375.2.3 基频以上变频调速385.2.4 变频调速仿真395.3 调压调速416 三相异步电动机的制动特性仿真436.1 三相异步电动机的能耗制动436.1.1 三相异步电动机的能耗制动特性436.1.2 三相异步电动机能耗制动仿真模型446.2 三相异步电动机的反接制动和回馈制动456.2.1 反接制动456.2.2 回馈制动476.2.3 反接制动和回馈制动仿真477 结论49致 谢50参 考 文 献51河南理工大学毕业设计（论文）说明书引言1985年，由Depenbrock教授提出的直接转距控制理论将运动控制的发展向前推进了一大步。接着1987年把它又推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转距进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接转距控制从一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注。系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。建模可以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编制成计算机程序，并在计算机上运行。显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。近年来逐渐被大家认识的Matlab语言则很好的解决了这个问题。1 异步电动机的概述1.1异步电动机的用途及分类根据电机的可逆原理，异步电机既可以作为电动机，也可以用作发电机。但其作发电机运行时性能较差，故很少采用。而用作电动机时具有较好的工作特性，故其主要用作电动机。异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制，因而是电动机中应用的最为广泛的一种。异步电动机是一种交流电机，主要用作电动机，拖动各种生产机械，广泛应用于交通运输、农业生产及国防、文教、医疗和日常生活中。异步电动机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成各种防护形式，以适应不同环境条件的需求。随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以及经济性以可与直流调速系统相媲美，而且维护简便，因而应用愈来愈广泛。由于异步电动机在运行过程中必须从电网中吸收感性无功功率，因此其功率因素较差，总是小于1，此外，异步电动机空载电流大，启动和调速性能都不够理想，是异步电机的主要缺点。异步电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法按照相数来分，有单相异步电动机，三相异步电动机。大功率机械拖动时，一般都用三相异步电动机，日常生活中和工业控制装置则多用单相异步电动机。按转子结构分，有鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，其中，鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式异步电动机。按机壳的保护方式分，有防护式异步电动机、封闭式异步电动机，以及防爆式异步电动机。1.2异步电动机的主要性能指标异步电动机的主要性能指标有：（1） 效率：电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分数表示。（2） 功率因数：电动机输入有效功率与实际功率之比。（3） 启动电流：电动机在额定电压、额定频率和转子启动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流（4） 启动转矩：电动机在额定电压、额定频率和转子启动时所产生的转矩的最小测得值。（5） 最小转矩：电动机在额定电压、额定频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。（6） 最大转矩：电动机在额定电压、额定频率下所能产生的最大稳态异步转矩。（7） 噪声：电动机在空载运行时的噪声功率级，以及在额定负载运行时超过空载运行的噪声功率级增量。（8） 振动：电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。1.3异步动电机的基本工作原理和运行特性1.3.1 基本工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。如下图是三相交流异步电动机转子转动的原理图（图中只示出两根导线），当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。异步电机的工作原理用箭头简单的表示如下：定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子中产生感应电流转子电流与磁场作用产生电磁转矩运行。1.3.2 三相异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。（1） 转差率特性通常把同步转速和电动机转子转速n二者之差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示。关于转差率的定义如下：当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：；如果两者转向相反，则：。式中的、n都理解为转速的绝对值，s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。（2） 转矩特性异步电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线。（3） 电流特性空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。（4） 效率特性其中铜耗随着负载的变化而变化；铁耗和机械损耗金丝不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗，点击达到最大效率。异步电动机额定效率在74-94%之间；最大效率发生在（0.7-1.0）倍额定效率处。（5） 功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。2软件介绍及模型实现2.1 MATLAB简介八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计的有利工具。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起电机及其传动、控制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的运行研究， 替代真实电机在实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。MATLAB是美国Mathworks公司自1984年推出的一种使用简便的工程计算语言，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在这里可以实现工程 计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发（包括图形用户界面设定）等等功能，而且，MATLAB 提供的工具箱为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源。MATLAB 语言具有以下特点： (1) 功能强大 MATLAB不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优势。 此外， MATLAB的Notebook为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能， MATLAB的SIMULINK功能则将而其应用扩展到各行各业的仿真领域。不仅如此，公司更推出了针对各专业应用的MATLAB工具箱。(2) 界面友好、编程效率高 MATLAB是一种以矩阵计算为基础的程序设计语一言，其指令表达方式与标准教 科书的数学表达式非常接近 。用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要求输入表达式，MATLAB将为用户计算出结果。此外，使用语言设计的程序，其编译和执行速度远远超过了传统的C语言设计的程序，可以说，MATLAB在工程计算方面的编译效率远远高于其它编程语言。 (3) 扩展性强MATLAB的重要特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够自由地开发自己的应用程序，这些年来，许多使用MATLAB的数学家、工程师和科学家已经开发出相当多的不同应用领域的应用程序。MATLAB的这些特点使它获得了对应用学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统建模，仿真和分析的软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的，它具有相对独立的功能和使用方法。SIMULINK 的出现使得仿真工作以结构图的形式加以进行。它提供各种功能模块，包括了连续系统(Continues)、离散系统(Discrete)、非线性系统(Nonlinear)几类基本系统构成模块，还包括连接、运算类模块:函数与表(Functions&Tables)、数学运算模块(Math)、信号与系统(Signals&System)。而输入源模块(sources)和接收模块(Sinks)则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。 便于用户对模型进行仿真和分析。用户只要从模块库中拖放合适的模块组合在一起（也可以是自己的系统） ，就可以直接对它进行仿真。可以选择合适的输入源模块作信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。各种数值算法，仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可以借助模拟示波器将仿真动态结 果加以显示，省去了以往仿真研究中的大量手工编程过程，避免了编程错误造成的数值 不稳定，计算结果错误等不该发生的意外事件出现，大大提高了算法研究与实际应用的效率和可靠性。2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用 启动SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，此时出现一个SIMULINK窗口。这个窗口包含7个模块库，它们分别是信号源模块库(sources)、输出模块库(Sinks)、离散模块库(Diserete)、线性模块库(Linear)、非线性模块库(Nonlinear)、连接与接口模块库(Connections)和扩展模块库(Extrax)。 建立一个控制系统结构框图,则应选择文件(File)中的新文件(New)菜单项，这样SIMULINK就会自动打开一个空白的模块编辑窗口，允许用户输人自己的模块框图。只要从各 模块库中取出模块，定义好模块参数。将各模块连接起来，然后设置系统参数， 如仿真时间、仿真步长和计算方法等。模块的取出可以采用在模块库中选中模块后拖动 到编辑窗口的复制方法。连接两个模块是相当容易，简单地用鼠标左键先点一下起点模块的输出端（三角符号），然后拖动鼠标器。这时就会出现一条带箭头的直线，将它的 箭头拉到终点模块的输入端再释放鼠标左键，则SIMULNIK会自动产生一条带箭头的 连线，将两个模块连接起来。如果连线出现错误，可以使用鼠标左键选中该线，然后再 使用Edit中cut命令将该线删除掉。 定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图标的办法，即可得到模块参数设置对话框。 选择Start命令可以启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示，可以通过虚拟示波器Scope观察系统仿真结果输出。把Scope连接到任何你想观测的点，调整好Scope的扫描量程与显示幅值量程，同时调整 Scope的窗口大小及位置，观察系统的仿真过程。众所周知，现代运动控制系统中的交流异步电动机本身就是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。这里从静止两相坐标系下的鼠笼异步电动机模型出发，推导出基于定子磁链磁场定向的电动机模型，并采用MATLAB/ SIMULNIK实现之。2.3模型实现模型建立以后，所要做的就是从Simulink丰富的模型库中调用合适的模块来表示该模型。随着系统规模的扩大和复杂性的增加，模型也在不断增大，这就使得模型窗中由于过多的模块而凌乱不堪。为了避免这种情况，采用自上而下或自下而上的分级方法建立模型，即把功能相同或者相近的模块分组封装成子系统Subsystem，建立递阶结构框图。3三相异步电机机械特性的仿真3.1机械特性的表达式3.1.1物理表达式由电机学知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。三相异步电机电磁转矩的表达式为： （3-1）式中转矩常数每级下磁通转子功率因数式(3-1)表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。从三相异步电动机的转子等值电路可知， （3-2） （3-3）将式(3-2)、(3-3)代入(3-1)得： （3-4）对于(3-4)，我们做如下分析：1. 当s=0时，M=0，说明电动机的理想空载转速为同步转速。2. 当s很小时，有，说明电磁转矩T近似与s呈线性关系，即随着M的增加，略有下降。因而，类似直流电动机的机械特性，是一条下倾的直线。M0n图 3-1 三相异步电动机机械特性3. 当s很大时，有，说明电磁转矩M近似与s成反比，即M增加时n反而升高。4. 当s=1时，n=0，=常数，此即三相异步电机的启动转矩。从上述可见，三相异步电动机的机械特性由两段组成：当s较小（n较高）时，n与M近似呈线性关系；当s较大（n较低）时，n随M增大而升高。将两部分机械特性圆滑连接，既得三相异步电动机机械特性，如图3-1所示。3.1.2 参数表达式由电机学知，三相异步电动机的电磁功率为 （3-5）所以，电磁转矩为 （3-6）由三相异步电动机近似等值电路知 （3-7）而 （3-8）将式(3-7)、(3-8)代入式(3-6)得 （3-9）式(3-9)即为三相异步电动机机械特性的参数表达式。3.2固有机械特性与人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性是指在额定电压、额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子无外接电阻（电感或电容）时，电动机转速与电磁转矩的关系，如图3-2所示，其中曲线1为电动机正向旋转时固有机械特性；曲线2为反向旋转时固有特性。图3-2 三相异步电动机固有机械特性人为机械特性是人为的改变异步电动机的一个参数或电源参数，保持其他参数不变而得到的机械特性。由式3-9可见，可供改变的量有：电源电压、电源频率、极对数p、定子电路电阻或电抗和转子电路电流或电抗。（1）降低定子电压时的人为机械特性当电源电压降低时，由于，与电压无关，不变。得，与成正比例，当下降时，与成正比例降低，而与无关，不变。同理，启动转矩亦与成比例降低。因此，电源电压降低时的人为机械特性是一组过同步转速、临界转差率不变、最大转矩和启动转矩均与成比例下降的曲线簇。时的机械特性曲线如图所示：图3-3 降压时的异步电机人为特性（2）转子电路串对称电阻时的人为特性 这种情况只对绕线式异步电动机才有意义。由于 ，与转子电阻无关，当转子串电阻时不变。则最大转矩亦不变；而临界转差率与转子电阻成比例变化。因此，转子电路串对称电阻的人为特性是一组过同步转速点、最大转矩不变、临界转差率随转子电阻增加而成比例增大的线簇，如下图所示：图 3-4 转子电路串对称电阻时的人为特性从图3-4所示曲线可见，当转子电阻刚开始增加时，启动转矩随转子电阻增加而增加；当时，即有最大启动转矩。这是令计算，得：当转子电路所串电阻大于（）时，启动转矩反而减小了。由此可见，对于绕线式异步电动机，在一定范围内增加转子电阻，可以增加启动转矩，改善启动性能。3.3基于MATLAB的异步电机机械特性仿真3.3.1模型设计本仿真采用仿真模型如下图所示：图 3-5 异步电机人为机械特性仿真3.3.2 参数设置各元件参数设置如下：图 3-6 Ramp参数设置图 3-7 Saturation参数设置图 3-8 Fcn2参数设置图 3-9 XY Graph1参数设置3.3.3仿真结果图 3-10电压变化时的不同特性曲线图 3-11电压分别为时机械特性对比4 异步电机启动特性仿真4.1起动理论分析异步电动机的起动性能和直流电动机一样，包括以下几项：起动电流倍数、起动转矩倍数、起动时间、起动时绕组中消耗的能量和绕组发热、起动设备的简单性和可靠性、起动时的过渡过程。其中最重要的是起动电流和起动转矩大小。为使电机能够转动起来，并很快达到额定转速而正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩；但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，我们总是希望在起动电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。普通结构的鼠笼式异步电动机不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往不能满足上述要求。因为它的起动电流很大而起动转矩并不大。起动电流很大的原因，从物理现象看，起动时，n=0、s=1，旋转磁场以同步转切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电势和电流，引起与它平衡的定子电流的负载分量也跟着急剧增加，以致定子电流很大。而起动转矩不大是由于起动时转子漏抗远大于转子电阻使转子功率因数接近90度，所以尽管电流很大但其有功分量却不大。其次，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应电势减小，磁通也将成比例减小。在选择异步电动机的起动方法时，必须根据电网容量和机械负载对起动转矩的要求等具体情况进行具体分析。如果电网容量很大，电动机的起动电流不会引起显著的电压降落，则起动电流大小不是主要问题。如果机械负载要求的起动转矩不大，而电网容量相对于电动机来说又不很大，则主要考虑如何减小起动电流。至于即要求起动转矩大，又希望限制起动电流的场合，则需要采取措施来改进起动性能。4.2起动的基本要求拖动生产机械的异步电动机在起动过程中，要求起动转矩大于负载转矩并且起动转矩越大越好，保证起动过程很快结束，使生产机械能够较快的达到正常运行。同时，在满足起动转矩要求的前提下，希望起动电流越小越好。不同负载和不同供电容量电网，对电动机起动性能的要求是不一样的。而异步电动机的起动性能的基本要求是相同的，这些基本要求有：（1）足够大的起动转矩倍数； （2）尽可能小的起动电流倍数； （3）起动时间短，能够符合生产技术的要求；（4）起动平滑，即要求时加速平滑，以减小对生产机械的冲击；（5）起动设备简单，经济，操作方便等。4.3笼型异步电动机的起动方式4.3.1直接起动直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的倍。其特点是:电机端子少(一般为三端子电机)，可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。具有起动设备简单，起动速度快的优点, 而且起动转矩比采用降压起动时大。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜因为操纵控制方便，而且比较经济。其危害很大电网冲击大。过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。因此尽管直接起动方法简单起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。图4-1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。三相交流电源经由组合开关K，熔断器交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。图 4-1三相交流异步电动机直接起动的电路图4.3.2降压起动降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。降压起动适用于容量大于或等于20并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。在研究起动时，可以用短路阻抗来等效异步电动机。电机的起动电流（即流过上的电流）与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。常用的降压起动方法有三种：定子串电抗（或电阻）降压起动；Y-启动器起动；自耦变压器起动。4.3.3定子绕组串电阻或串电抗降压起动从减小起动电流和改善电网电压品质的角度来看，定子回路串电阻和定子回路串电抗都能减小起动电流，使得电网承受的冲击电流减少，对改善电网的稳定性是有利的，即定子回路串电阻或串电抗的效果是一样的。这两种起动方法都具有起动平稳，运行可靠，构造简单等优点。但是，定子回路串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电动机的容量较小时才允许使用，大中型电机则采用串电抗起动。图 4-2异步电动机起动时的等值电路图4-2是异步电动机起动时的等值电路，由于起动电流较大，所以略去形等值电路中的激磁电流分量。起动时s=1，故起动时异步机可以用短路阻抗Z=R+X代替。图4-3中代表串入定子回路的起动电阻或者起动电抗。令代表直接起动时的起动电流，则： （4-1）如果采用串电阻起动，起动电阻为，则串电阻后的起动电流为： （4-2）如果采用串电抗起动，起动电抗为，则串电抗后的起动电流为： (4-3)如果令： （4-4）亦即通过定子回路串电阻或者电抗使起动电流从下降为或者，从而满足电网稳定要求的数值。这里、和是给定的电机参数，是电网稳定规定的数值，都是已知量，故利用上面的式子可以求出需要串入的起动电阻或起动电抗为： （4-5） （4-6）起动运行图 4-3鼠笼型异步电动机定子回路串电阻起动原理图起动运行图 4-4鼠笼型异步电动机定子回路串电抗起动原理图图4-3、4-4所示分别为鼠笼型异步电动机串电阻及串电抗减压起动时的原理图。图中是主开关，起到隔离电源的作用。起动时，把换接开关投向“起动”的位置，此时，起动电阻或起动电抗接入定子回路；然后，闭合主开关，电动机开始旋转，待转速接近稳定转速时，把开关换接到“运行”的位置，电源电压直接加到定子绕组上，电动机起动结束。鼠笼型异步电动机定子回路串电阻或串电抗起动，由于起动时定子绕组串入的电阻或电抗器起到了分压作用，使加在电机上的端电压降低，因此减小了起动电流。由于起动电流正比于定子端电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方。如果起动时电机端电压降低到额定电压的倍，则起动电流降低到额定电压时起动电流的，而起动转矩则降到原来的，因此该起动方式只能用于空载或轻载的情况。4.3.4自耦变压器降压起动在定子回路中串阻抗虽然能够满足电网减小起动电流的要求，但往往因为起动转矩过小而满足不了生产工艺的要求，为了解决这个矛盾人们采用自耦变压器降压起动。自耦变压器降压起动是利用一台自耦变压器（又称为起动补偿器）降低加到电动机定子绕组的电压以起动电动机，待电动机起动完成后，再把电动机直接接到电源上去。图4-5为三相异步电动机自耦变压器起动的原理线路图。起动时，把开关投向起动边，即端，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，这时自耦变压器一次绕组加全压，而电动机定子电压仅为抽头部分的电压值，电动机减压起动；当转速上升到稳定值后，开关投向运行边，即端，这样自耦变压器被短接，电动机的定子绕组被接上全压，进入正常运行。图 4-5三相异步电动机自耦变压器起动的原理线路图图 4-6自耦变压器降压原理图图4-6为自耦变压器降压原理图。图中只绘出单相，和分别表示自耦变压器一次电压和一次电流，亦即电网电压和电流；和分别表示变压器的二次电压和二次电流，亦即电动机定子的电压和电流，和分别表示变压器的一次绕组及二次绕组匝数（即抽头部分的匝数）。略去自耦变压器的微小空载电流，并取其变比为，则： （4-7）略去自耦变压器的内阻抗，认为起动时的端电压为，故电动机的定子绕组的起动电流为： （4-8）其中代表电动机端电压为时的直接起动电流。自耦变压器降压起动具有较大的起动能力和承受机械负载波动的能力，且自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头可供不同负载起动时选择，应用很广泛，适用于容量较大的低压电动机。它的缺点是体积大，质量大，价格高，起动线路较复杂，滑块触点氧化，需维护检修。4.3.5星形-三角形（-）降压起动星形-三角形降压起动是通过改变电动机的绕组接法去完成降压起动过程，属于电机绕组设计上的问题，只能用于正常运转时定子绕组连接成三角形的电动机。起动时，将异步电动机三相定子绕组接成星形，等起动完成后，再接成三角形，从而异步电动机需要六个出线端。图4-7为星形-三角形（-）降压起动原理线路图。起动时，先接通电源开关，将开关投向“Y”位置，定子绕组连接成星形，电动机减压起动；当电动机转速接近稳定值时，可将开关迅速投向侧，使定子绕组连接成三角形运行，起动过程结束。图 4-7星形-三角形（-）降压起动原理线路图WUWVUZZZV 图 4-8定子绕组作三角形联结和星形联结的原理图现在来比较电动机作三角形联结和星形联结直接起动时线路电流和的大小。这两种联结方式的原理图如图4-8所示。星形-三角形降压起动的优点是体积小，重量轻，对使用者来说，减少了设备投资，节约铜与硅钢片，物美价廉，运行可靠，检修方便。此外，起动电流只有全压起动的，对供电网络的影响很小。但它的缺点就是起动电压只能降到，不能像自耦补偿起动那样，可以按不同的负载选择不同的起动电压。4.3.6延边三角形降压起动延边三角形降压起动是在星形-三角形减压起动方法基础上加以改进的一种起动方法，也是通过改变电动机的绕组接法去完成降压起动的过程，属于电机绕组设计上的问题。延边三角形降压起动是利用电动机引出九个出线端（即每相定子绕组多引出一个出线端）来达到减压起动的目的的一种联结法。电动机起动时，定子绕组的一部分接成三角形，从图形上看，就是一个三角形的三条边延长，因此称为延边三角形。当起动结束后，把绕组改接成三角形，电动机就进入正常运转状态。(a)V499887766554332211UUVWW图 4-9延边三角形起动原理图采用延边三角形起动的电动机每相绕组有三个出线端，如图4-9（左）所示，其中端子1、2、3为首端，端子4、5、6为尾端，端子7、8、9为中间抽头。起动时，电源电压为额定值，三相绕组的1-7、2-8、3-9部分为星形联结，7-4、8-5、9-6为三角形联结，如图4-9（右）所示。当转速上升到一定值后，三相绕组又接成如图4-9（右）的三角形联结。延边三角形联结与三角形联结相比较，它们的电阻和感抗的比值并没有改变，因此起动时定子功率因数不变。而起动转矩与起动电流和功率因数的乘积成正比，功率因数不变，故认为起动转矩与起动电流成正比。所以延边三角形联结时的起动转矩与三角形联结时的起动转矩之比和它们的起动电流之比，可以认为是相同的，取决于中间抽头的位置。采用不同的抽头比例，可以改变延边三角形接法的相电压。其值比星形-三角形起动时的星形接法高，因此起动转矩较星形-三角形起动时大，能用于重载起动。延边三角形起动的优点是只要调节定子绕组的抽头变比，就可以得到不同数值的起动电流和起动转矩，可以适应不同的使用要求。延边三角形降压起动还具有体积小，质量轻，允许经常起动。其缺点就是采用延边三角形起动的电动机需要有九个出线头，电动机的内部接线较为复杂。4.4笼型异步电动机的MATLAB仿真4.4.1异步电动机直接起动仿真图 4-10异步电动机直接起动仿真模型上图为异步电动机直接起动仿真模型。起动过程中，把全部的电源电压直接加到电机的定子绕组。其中，三相电源的3路输入信号的初始相位分别设置为0，-120，120。相电压设为220V，频率为50Hz。电机模块绕组类型选择鼠笼式（Squirrel-cage）。仿真算法为ode23tb。对各元件的参数配置完成后就可以进行仿真。DCABA图 4-11直接起动仿真波形(A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩从上图可以看出，直接起动时，起动过程在0.22秒左右结束，起动速度较快。因为负载很小，所以转速非常接近同步转速1500，转速上升速度快。定子电流波形和转子电流波形呈现较大的振荡，起动后电流降至正常工作电流。异步电机在直接起动过程中的起动电流较大为138A，为额定电流的9倍，这与实际情况相符。电机最初起动转矩为260，但转矩在起动过程的0.05至0.15秒内迅速减小，这不利于电机的起动，电机在完全起动后转矩接近于0，这是因为负载转矩很小的缘故。4.4.2异步电动机定子串电抗起动仿真图 4-12异步电动机定子串电抗起动仿真模型上图为异步电动机定子串电抗的仿真模型，由于起动时定子绕组串入的电抗器起到了分压作用，使加在电机上的端电压降低，因此可以起到减小起动电流的作用。CDBA图 4-13定子串电抗起动仿真波形 (A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩从上图可以看出，异步电动机通过定子串电抗器起动的方法，可以使电抗器起到一定的分压作用，从而达到减小加在机端的电压的目的，这样可以减小起动电流（从定子电流波形可知起动电流为91A），相比于直接起动，起动电流显著减小。同时，起动过程中定子电流和转子电流的波形也相当理想，在最初起动时的振荡过后能平稳的衰减至正常工作电流。起动时间越位0.3秒，略长于直接起动的起动时间。从转矩波形我们可以看出，异步电动机定子串电抗起动时的起动转矩仅为115，远远小于直接起动时的起动转矩，这是因为起动电流正比于定子端电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方。如果起动时电机端电压降低到额定电压的倍，则起动电流降低到额定电压时起动电流的，而起动转矩则降到原来的，此种起动方法，起动转矩比起动电流降低得更加厉害，并且转矩在最初的振荡过后迅速下降，这不利于电动机的起动，因此该起动方式只能用于空载或轻载的情况。此种起动方法最大的缺点是定子回路串电抗器将增加起动损耗，浪费电能。因此我对定子串电抗起动做了如下改进：图 4-14异步电动机定子串电抗起动仿真模型（2）此种起动方式的优点在于：电机起动过程中，三组breaker开关分别控制三组电抗器的投切。起动初期，三组电抗器全部串入定子绕组，起动过程中通过关闭breaker开关依次退出各组电抗器，这样起到了逐步增加机端电压的效果，直到加到全压，这样有利于电机的平滑起动，由于起动后三组电抗器均退出，可以减少损耗。ABCD图 4-15定子串电抗起动仿真波形（2） (A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩从上图可以看出，在这种起动过程中，最初起动电流进一步减小，约为60A。但是，异步电动机的定子电流和转子电流波形，随着电抗器组的退出，电流波形有明显的跳跃现象，波形较差，起动过程不是很稳定。从转速波形我们可以看出，电动机转速上升速度较慢，整个起动过程约为0.36秒，起动速度较慢。但是，在启动过程中，起动转矩在最初的振荡过后，一直能保持一个较大的转矩，直到整个起动过程结束，这点有利于电动机带负载起动。4.4.3异步电动机自耦变压器降压起动仿真图 4-16异步电动机自耦变压器降压起动仿真模型图中为异步电动机自耦变压器降压起动仿真模型。起动时，串联的一组breaker开关合上，并联在变压器两端的一组breaker开关打开，这样使得变压器接入电源，其二次侧抽头接电动机，使电动机降压起动。当转速接近正常运行转速时，将串联的一组开关打开，并联在变压器两端的开关闭合，则电动机接入全电压（此时自耦变压器已经脱离电源），继续起动，但此时的电流冲击已经很小。再过一段时间，电机进入正常运行状态。ABCD图 4-17自耦变压器起动仿真波形 (A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩从上图可以看出，异步电动机通过自耦变压器降压起动，可以减小变压器二次侧加在定子两端的机端电压，从而达到减小起动电流的目的。从定子电流波形可知，定子电流为96A，比直接起动的定子电流小。但是在起动的过程中，由于自耦变压器的退出，电流波形出现了高电流峰值，存在2次大的冲击电流。整个起动过程用时0.2秒，起动速度快，并且转速上升的很快，能迅速达到额定转速。此种起动方法，在起动电流减小的同时，起动转矩也减小了，为132,这是因为采用自耦变压器降压起动，如果自耦变压器的变比为，则起动电流变化的比值和转矩变化的比值是相等的，都是直接起动时的。但是起动过程中，转矩下降的较慢，因此，自耦变压器降压起动具有较大的起动能力和承受机械负载波动的能力，且自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头可供不同负载起动时选择，应用很广泛，适用于容量较大的低压电动机。它的缺点是体积大，质量大，价格高，起动线路较复杂，滑块触点氧化，需维护检修。4.4.4异步电动机变频起动仿真图 4-18异步电动机变频起动仿真模型图中为异步电动机变频起动仿真模型。采用交-交变频方式，通过改变电源的频率可以改变电机的同步转速和电机的实际转速n，在低频条件下起动时可获得较大的起动转矩有利于缩短启动时间，且起动电流转小（约是额定电流的l1.2倍)。ABCD图 4-19变频起动仿真波形 (A)转子电流 （B）定子电流 （C）转速 （D）转矩从上图可以看出，变频起动时，由于旋转磁场的转速和转子转速之间的转速差大，通过改变旋转磁场的频率，使转速差下降，感应电压也下降，起动电流就不会象直接启动时那样突然增大好几倍。从定子电流波形可以看出，起动电流为118A，并且没有很大波动。而且整个起动过程为0.22秒，转速能迅速上升到额定转速，起动速度快。 从上图转矩波形可以看到，当采用变频起动时，能很快获得较大的转矩（起动转矩为220），使电机在重载情况下顺利起动特别适合于重负载起动的设备。5 异步电机调速特性仿真长期以来，一直认为三相异步电动机调速比较困难，常作为它点的一个缺点提出。然而，由于近些年电力电子器件和计算机技术的发展，交流电动机调速已取得很大进展。异步电动机调速不再成为难题，有的方法已取得令人满意的成果。由异步电动机转速表达式可以看出，有三种方法可以调节异步电动机转速。（1）改变定子极对数变极调速；（2）改变定子电源频率变频调速；（3）改变电动机转差率改变定子电压频率、转子回路串电阻调速、电磁离合器调速和串极调速等。5.1变极调速5.1.1变极原理(1)根据电机学原理，只有当定、转子的极对数相同时两者磁势才能相互作用产生恒定电磁转矩。因此，要求变极时定、转子的极对数必须同时改变，(2)这对绕线式转子显然是不现实的，所以，只有鼠笼式异步电机才能采用变极调速方式。(3)同时由于极对数的改变是成倍的，因此尽管可在一台电机中做成单绕组双速或双绕组三速或四速，(4)变极调速仍是有极调速，只适应于不要求平滑调速的场合。单绕组多速异步电动机已普遍地用在车、磨、钻床以及拖动风机、水泵负载上。异步电动机极对数的改变是靠改变定子绕线组的接线实现的，如下图所示： 图 5-1 定子绕组改接改变极对数5.1.2 变极调速仿真图 5-2 变极调速仿真模型在仿真时，只改变它的极对数p，然后观察示波器中定子，转子电流，转矩及转速的变化。其电机的参数如图所示，将电机的极数设置成3.如果将极对数设置成非整数或者其他的，系统将无法正常仿真。 然后运行仿真系统，得到示波器读数如图5-3所示：图 5-3 变极调速仿真波形图5.2 变频调速5.2.1变频调速原理及其机械特性改变异步电动机定子绕组供电电源的频率，可以改变同步转速n，从而改变转速。如果频率连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数，为每极气隙磁通量。如果改变频率，且保持定子电源电压不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通的目的。5.2.2.基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转矩为:上式对s求导，即，有最大转矩和临界转差率为:由上式可知：当常数时，在较高时，即接近额定频率时，随着的降低，减少的不多；当较低时，较小；相对变大，则随着的降低，就减小了。显然，当降低时，最大转矩不等于常数。保持常数，降低频率调速时的机械特征如图5-4所示。这相当于他励直流电机的降压调速。图 5-4 变频调速的机械特性（a） 基频以下调速（常数）（b）基频以上调速（=常数）5.2.3.基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持=常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为： 上式求=0，得最大转矩为： 由于较高，、和比大的多，则上式变为因此，频率越高时，越小。保持 为常