基于MATLAB的电机与拖动实验研究仿真毕业论文

1毕业设计（论文）题目基于MATLAB的电机与拖动实验仿真研究系别信息工程系专业名称自动化班级学号0982021学生姓名陈指导教师邱玉兰二O一三年五月2基于MATLAB的电机与拖动实验仿真研究学生姓名陈班级0982021指导老师邱玉兰摘要本论文利用MATLAB编程及MATLAB中SIMULINK提供的功能，完成电机与拖动实验教学中有关于直流电机部分，变压器部分及交流电机部分的仿真要求，提取电路元器件模块，将电路元器件按原理图连接起来组成仿真电路，建立电机与拖动实验仿真模型，通过设置并修改参数，及在电子示波器上显示仿真波形，或者通过M语言编程，在命令执行窗口上显示相关图形曲线，并对结果进行研究、比较、分析和验证。主要包括三部分内容，第一部分为直流电机部分电路仿真，第二部分为变压器部分电路仿真，第三部分为交流电机部分电路仿真。各部分的主要内容包括主要电路结构的建模，功率器件的选取以及元件参数的计算等内容。关键词MATLAB电机与拖动仿真指导老师签名3目录1绪论11关于MATLAB软件112电机与拖动简介113基于MATLAB的电机与拖动实验32直流电机21直流电动机的转矩特性4211仿真原理4212MATLAB程序设计及程序清单4213参数设定5214仿真结果522直流电动机的机械特性6221他励直流电动机的机械特性62211仿真原理62213参数设定82214仿真结果8222串、并励直流电动机的机械特性102221仿真原理102222MATLAB程序设计及程序清单102223参数设定112224仿真结果1123他励直流电动机直接起动11231电路工作原理11232电路建模12233参数设定13234仿真结果1424他励直流电动机分级起动15241电路工作原理15242电路建模16243参数设定174244仿真结果1825直流电动机调速19251改变电枢电阻调速192511电路工作原理192512电路建模202513参数设定212514仿真结果21252改变电枢电压调速222521电路工作原理222522电路建模232523参数设置232524仿真结果23253改变励磁电流调速242531电路工作原理242532电路建模252533参数设定262534仿真结果2626直流电动机能耗制动27261电路工作原理27262电路建模29263参数设定30264仿真结果323变压器31变压器空载和短路运行34311电路工作原理34312电路建模36313参数设定37314仿真结果3832变压器负载运行40321电路工作原理40322电路建模415323参数设定42324仿真结果424交流电机41三相异步电动机转子绕组串电阻启动44411电路工作原理44412电路建模45413参数设定46414仿真结果4842三相异步电动机的调压调速49421电路工作原理49422电路建模50423参数设定50424仿真结果5043三相异步电动机的反转51431电路工作原理51432电路建模52433参数设定53434仿真结果53结论55参考文献56致谢57南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文1基于MATLAB的电机与拖动实验仿真研究1绪论11关于MATLAB软件在MATLAB环境下用户可以方便的进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出，文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据是矩阵，在生成矩阵对象时不要求做明确的维数说明。它具有以下特色强大的数值和符号计算功能，计算功能强大，符号数值的各种形式和规模的计算都能完成，强大的矩阵运算能力以及稀疏矩阵的处理能力可以解决大型问题。MATLAB的数值计算功能包括矩阵运算，多项式和有理分式计算，数据系统分析，数值积分，优化处理等。简单易学的语言。MATLAB除了命令行的交互式操作以外，还可以程序方式工作，使用MATLAB可以很容易的实现C或FORTRAN语言的全部功能，包括WINDOWS图形用户界面的设计，并且编程语言简单易学。MATLAB程序可扩展性强，用户可编辑自己的工具箱。强大的图形功能。MATLAB提供了两个层次的图形命令语句一种是对图形进行低级通行出的命令语句另一种是建立在低级图形命令之上的高级图形命令。利用MATLAB的高级图形命令可以轻易地绘制二维，三维乃至四维图形，可以进行图形和坐标的表示，视角和光照设计，色彩精细控制等等。独具特色的应用工具箱。MATLAB应用工具箱分为基本工具箱，通用工具箱，专业工具箱。基本工具箱中有数百个内部函数，是其最核心的部分。通用工具箱主要用来扩充其符号计算功能，可视建模仿真功能及文字处理功能等。专业工具箱的专业性比较强，如控制系统电力系统，信号处理，神经网络，最优化，金融等工具箱，用户可以直接利用这些工具箱进行相关领域的科学研究。12电机与拖动简介电机是一种机电能量转换的装置，其中以电磁场作为媒介将电能转换为机械能拖动机械负载，实现旋转或直线运动的称为电动机。用电动机拖动产生机械的拖动方式称为电力拖动，也称为电气拖动。目前电力拖动已取代了其他拖动形式，成为主要的拖动形式。这是因为电动机与其他原动机相比有许多优点，比如电能的获得和转换比较经济；传输和分配比较便南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文2利；操作和控制容易，特别是易于实现自动与远程控制。因此，目前绝大多数的生产机械都采用电力拖动。而且，目前电力拖动的方式也几乎全部是单机或多机拖动。当代科学和技术的新成果广泛地应用于电力拖动系统之中，比如电力电子学的发展，使半导体变流装置广泛地用作电力拖动的电源；微电子学的发展，使电子控制器件和微处理机成为电力拖动的主要控制手段；自动控制理论广泛应用于电力拖动自动控制系统中，大大提高了系统的性能等。随着现代电力电子技术、自动化技术和计算机技术的发展，电机与拖动的发展趋势为用交流电力拖动取代直流电力拖动；从节能的角度改造电力拖动系统，比如用交流调速系统拖动电动水泵可以节能；继续采用新技术不断提高电力拖动系统的性能和完善系统功能；通过系统集成和技术融合，组成综合自动化系统，以进一步提高生产效率。电机与拖动基础课程是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门主要的专业基础课程，也是该专业后续课程电力拖动控制系统、现代交流调速学习的基础。它涉及电磁学、动力学及数学等多门学科，概念多、理论性强和工程实践联系密切。知识面广，内容多，主要包括直流电机、变压器、交流电机等。直流电机的基本工作原理基于“电磁力定律”和“电磁感应定律”两个基本定律。直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转则受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。变压器是一种变换交流电压等级的电器，其基本工作原理是通过电磁感应关系，或者说利用互感作用从一个电路向另一个电路传递电能的电器，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流），交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类，其中，异步电机是一种应用广泛的交流电机，它的转速与电源频率之间没有严格不变的关系，而是随着负载的变化而变化，但转速范围变化不大。三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于这门课程的在自动化类专业中的重要性，所以实验是不可缺少的重要教学环南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文3节。通过实验，可以加深对理论知识的理解，有助于掌握电机的运行特性及分析、计算方法，为从事电力系统及电气工程相关专业方面的工作打下坚实的基础。13基于MATLAB的电机与拖动实验电机与拖动是一门实践性较强的专业科学知识，基于MATLAB的虚拟实验的设计思想,开发出相应的仿真平台，既可用于模拟实验改善实验条件，又可以成为自学的辅助工具。MATLAB提供了完整的编写应用程序的能力，这种能力通过一种被称为M语言的高级语言来实现。这种编程语言是一种解释性语言，利用该语言编写的代码仅能被MATLAB接受，被MATLAB解释、执行。其实，一个M语言文件就是由若干MATLAB的命令组合在一起构成的。和C语言类似，M语言文件都是标准的纯文本格式的文件，其文件的扩展名为M。使用M文件最直接的好处就是可以将一组MATLAB命令组合起来，通过一个简单的指令就可以执行这些命令。这些命令可以完成某些MATLAB的操作，也可以实现某个具体的算法。SIMULINK中的电力系统工具箱SIMPOWERSYSTEMS具有三相交直流电源、交直流电机、触发电路等各种电气元件，因此不需要推导系统的传递函数，只需从元件库中选择所需的器件，按电气结构进行连接即可进行仿真。这种面向电气结构图的建模过程接近实际系统的搭建过程，电气参数的修改也非常方便。SIMPOWERSYSTEMS的模块库中，包含电力电子元件库（POWERELECTRONICS）。在POWERELECTRONICS元件库中，基本上涵盖了绝大多数电路所需的元件，如饱和单相变压器（SATURABLETRANSFORMER）、交流电压源（ACVOLTAGESOURCE）、理想开关（IDEALSWITCH）、电压测量（VOLTAGEMEASUREMENT）和直流电机（DCMACHINE）等重要器件。主要包括IDEALSWITCH功能模块和BREAKER功能模块。MATLAB提供了简洁的仿真和模块库工具箱，通过电路图的绘制，MATLAB自动生成数学模型。南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文42直流电机21直流电动机的转矩特性211仿真原理直流电动机的转矩特性是指其他条件不变，当负载变化时，电磁转矩随负载电流的变化规律。研究转矩特性，只需要找出电磁转矩与负载电流的数学关系，然后根据关系画出特性曲线即可。下面按照励磁方式的不同分别予以研究。（1）他励直流电动机假设励磁电流不变，主磁通不变，则有EMMAMTCICI（21）AII（22）EMMTCI（23）（2）并励直流电动机同理，假设主磁通不变，有EMMATCI（24）AII（25）EMMTCI（26）（3）串励直流电动机与他励电动机不同，串励电动机的励磁电流随着负载的变化而变化，因此EMMATCI（27）FAII（28）2AEMMTCI（29）上述公式中EMT电磁转矩主磁通AI电枢电流FI励磁电流MC转矩常数按照公式，可以简单地写出程序清单。212MATLAB程序设计及程序清单本例属于典型的电动机稳态运行问题，程序设计流程简单，思路比较清晰，按照问题分析中的思路组织编写即可。南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文5在MATLAB主窗口中新建一个M文件，并命名为DC_MO_TORDC_MOTOR_TORQUEM，相关程序如下直流电动机转矩特性分析，将该函数定义为DC_MO_TORDC_MOTOR_TORQUE下面输入电机基本数据CM10RA18K1K12下面输入750转/分钟时的空载特性试验数据IFDATA是励磁电流,EADATA是感应电势IA00115计算并励电动机外特性TEMBCMK1IAPLOTIA,TEMB,KHOLDONAXIS0,20,0,60计算串励电动机外特性TEMCCMKIA2PLOTIA,TEMC,BHOLDON计算他励电动机外特性TEMTCMKIAPLOTIA,TEMT,RXLABELIA安培YLABELTEM牛顿米213参数设定如上程序清单所述，将转矩常数MC统一设置为10，电枢电阻AR为10，并励电动机的主磁通为02，串励、他励电动机主磁通为01。并励、串励、他励电动机的电枢电流AI按750转/分钟时的空载特性试验数据分别设置为0A、001A和15A。214仿真结果图21电动机的转矩特性图执行DC_MO_TORDC_MOTOR_TORQUEM文件后，在图形窗口中即可显示出相关电机的特性曲线，如图21所示。南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文6通过输出曲线可以看出，在该仿真设计中，随着电枢电流IA的增大，他励和并励电动机的电磁转矩特性呈线性递增趋势，并励电动机的递增速度比他励电动机的快；串励电动机的电磁转矩特性快速递增。22直流电动机的机械特性221他励直流电动机的机械特性2211仿真原理他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻均为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机产生的电磁转矩T和电动机转速N之间的函数关系，即EMNFT（）。电动机的机械特性指出了电动机在稳态运行时的性能和工作情况，并且决定着电动机拖动系统状态过程的特征。有电压平衡方程式AAAUERI和转矩公式TATCI以及电动势公式AEECN三式得到机械特性的方程式（210）式中0NENNUC理想空载转速2AETNTNRTCC转速降2AETNRCC机械特性曲线的斜率由上式可知，他励直流电动机的机械特性曲线是一条向右下方倾斜的直线。机械特性曲线与纵坐标轴线交点就是理想空载斜率0N。随着电磁转矩T的增大，转速N要下降，机械特性倾斜的程度取决于机械特性的斜率，值越大，特性向下倾斜得越厉害。通常把较小的机械特性曲线叫做硬特性；较大的机械特性叫做软特性。电动机电枢两端的电源电压为额定电压，气隙磁通量为额定值，电枢回路不外串电阻，这种情况下的机械特性为固有机械特性。当直流电动机的电源电压、励磁电流、电枢回路电阻等参数由于生产机械的需要而做人为调整时，其机械特性将相应发生变化，变化后的特性就称为人为机械特性。改变其中任何一个条件都可以得到一组人为的机械特性。A）改变电枢电压NU时，机械特性表达式（211）B）改变电枢电阻AR时，机械特性表达式（212）2NAENETNURRTNCCC（）2AENETNRTUCCC002NAENETNURTNNTNNCCC南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文7C）在励磁回路中串接可调电阻，就可改变磁通电流FI大小，即改变气隙磁通量。2212MATLAB程序设计及程序清单根据上述仿真原理，编写MATLAB程序即可。在MATLAB主窗口中新建一个M文件，并命名为TALIZHILIUDIANDONGJIJXTXM，程序和相关注释如下他励直流电动机的机械特性转速特性NU/（CEPHI）U/CEPHIIASEPARATELYEXCITEDGENERTOR空载特性，外特性CLEAR清除工作空间的变量U_N220P_N22I_N115已知额定电压、额定功率、额定电流N_N1500R_A018R_F628已知额定转速、电枢电阻、励磁电阻IA_NI_NU_N/R_F计算额定电枢电流C_EPHI_NU_NR_AIA_N/N_N计算电动势常数（CE）NC_TPHI_N955C_EPHI_N电磁转矩常数（CT）N假定PHIPHI_N,UU_N,IFIF_N计算转速N，电磁转矩TE和电枢电流IA的关系IA0IA_N建立电枢电流的数组NU_N/C_EPHI_NR_A/C_EPHI_NIA计算转速TEC_TPHI_NIA计算转矩P1U_NIAU_NU_N计算总输入功率T2_N9550P_N/N_N计算额定机械转矩FIGURE1建立1号图形窗口PLOTTE,N,绘制基本机械特性曲线XLABEL电磁转矩TE/NM横轴标注“电磁转矩TE/NM”YLABEL转速N/RPM纵轴标注“转速N/RPM”YLIM0,1800限制纵轴显示范围计算转速和转矩的关系，不同的条件下的机械特性降低电压人为机械特性FIGURE2建立2号图形窗口PLOTTE,N,RS绘制基本机械特性曲线XLABEL电磁转矩TE/NM横轴标注“电磁转矩TE/NM”YLABEL转速N/RPM纵轴标注“转速N/RPM”HOLDON保持图形R_C0临时变量FORCOEF1025025UU_NCOEF改变电枢电压NU/C_EPHI_NR_AR_C/C_EPHI_NC_TPHI_NTE计算对应不同电枢电压的转速PLOTTE,N,K绘制改变电压的机械特性曲线STRSTRCATU,NUM2STRU,V显示字符串处理S_Y1650COEF显示字符串处理纵坐标TEXT50,S_Y,STR给曲线标注电压值END计算转速和转矩的关系，不同的条件下的机械特性增加电枢电阻人为机械特性FIGURE3建立3号图形窗口南昌航空大学科技学院2013届学士学位论文8NU_N/C_EPHI_NR_AR_C/C_EPHI_NC_TPHI_NTE计算转速PLOTTE,N,RS绘制基本机械特性曲线XLABEL电磁转矩TE/NM横轴标注“电磁转矩TE/NM”YLABEL转速N/RPM纵轴标注“转速N/RPM”HOLDON保持图形UU_NR_C002FORR_C00519NU/C_EPHI_NR_AR_C/C_EPHI_NC_TPHI_NTE计算转速PLOTTE,N,K绘制转矩特性曲线STRSTRCATR,NUM2STRR_CR_A,OMEGA字符串处理S_Y4004R_C18显示字符串的纵坐标TEXT120,S_Y,STR给各个曲线标记电阻值ENDYLIM0,1700限制纵坐标的显示范围计算转速和转矩的关系，不同的条件下的机械特性改变磁通人为机械特性FIGURE4建立4号图形窗口R_C0NU_N/C_EPHI_NR_AR_C/C_EPHI_NC_TPHI_NTE计算转速PLOTTE,N,RS绘制基本机械特性曲线XLABEL电磁转矩TE/NM横轴标注“电磁转矩TE/NM”YLABEL转速N/RPM纵轴标注“转速N/RPM”HOLDONUU_NR_C0FORCOEF0502513C_EPHIC_EPHI_NCOEF改变磁通值C_TPHIC_TPHI_NCOEF改变磁通值NU/C_EPHIR_AR_C/C_EPHIC_TPHITE计算转速PLOTTE,N,K绘制人为机械特性曲线STRSTRCATPHI,NUM2STRCOEF,PHI_N显示字符串处理S_Y9004COEF22显示字符串纵坐标TEXT120,S_Y,STR给各个曲线标记磁通值ENDYLIM0,3500限制纵坐标的显示范围2213参数设定相关参数设置如下额定电压NU220V，额定功率NP22KW，额定电流NI115A，额定转速NN1500RMIN，电枢电阻AR018，励磁电阻FR628。2214仿真结果运行程序后，分别绘制出了直流电动机啊的固有机械特性、降低电枢电压的人为特性、增加电枢电阻的人为特性、改变磁通的人为机械特性