绕线式异步电动机调速课程毕业设计论文.doc

本科生课程设计题 目：绕线式异步电动机调速学 号 姓 名 专 业 电气工程及其自动化指 导 教 师 杨凯 院（系、所） 电气学院2016年3 月 12 日目 录一、设计题目3二、设计过程5三、实验小结30参考文献31 一设计题目一台绕线式异步电动机，y/y连接，已知数据为：额定功率pn = c0 kw，f = 50 hz，2 p = c1，un = 380 v，nn = c2 r/min，r1 = r2 = c3，x1 = x2= c4，xm = c5，ki = ke = 0.02，忽略铁耗。各参数为：c0 =10.0c1 =6c2 =890c3 = 0.02c4 = 0.06c5 = 3.6c6 =500任务要求：若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到c6 r/min，采用调压调速方式并计算其参数，做出机械特性图，分析能量的传递。若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到c6 r/min，采用变频调速方式并计算其参数，做出机械特性图，分析能量的传递。若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到c6 r/min，要求最大转矩不超过1.5 tn，采用转子绕组串电阻调速，计算其级数及其它参数，做出机械特性图，分析能量的传递。用matlab中的simulink设计调压调速仿真模型 (其余仿真参数可自行设定) ，并仿真调速前后定子电流与转子转速波形。对仿真结果和计算结果进行分析。 二设计过程1.原理描述 异步电机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便等优点，但是在调速性能上比不上直流电动机。同时，直到现在还没有研制出调速性能好、价格便宜、能完全取代直流电动机的异步电动机的调速系统。但是人们已经研制出各种各样的异步电动机的调速方式，并广泛应用于各个领域。根据异步电动机的转速公式：式中： f ： 电源频率 p ： 电动机的极对数 s ： 转差率 要实现调速主要就是通过改变上述三个参量f 、 p 、 s ，即变极调速、变频调速、改变转差率调速。绕线式异步电动机简化等效电路如下2.参数如下：同步转速 n0=60fp=1000r/min 额定转差率 sn=n0-nnn0=0.11定、转子电感 l1=l2=x22f1=1.91010-4h励磁电感 lm=xm2f1=0.011h转子电阻 r2 = r2/kike=50调速前的电磁转矩 4572.81n.m负载转矩 tn = pem30n =107.30n.m调速前的总机械功率 pmec=tem2nn60=426.19kw任务一本次设计要阐述的调压调速属于改变转差率调速中的一种。该方案主要原理就是通过改变电压源幅值的大小，使得电动机运行在不同的给定特性曲线上由于要求为恒转矩调速，在忽略t0的情况下，可近似认为tem不变,因此由调速后s=0.5设电压最终调至ux，由于额定转矩不变，可知有：m1pu12r2sn2f1r1+r2sn2+x1+x22=m1pux2r2s2f1r1+r2s2+x1+x22u12snr1+r2sn2+x1+x22=ux2sr1+r2s2+x1+x22可得ux=1.2182u1电压应为原来的1.2182倍调速前：转子电流 i2=u1(r1+r2sn)2+(x1+x2)2tan-1x1+x2r1+r2sn= 936.97-30.74 i0=u1r12+(x1+xm)2tan-1x1+xmr1=60.11-89.69 定子电流 i1= i0+ i2=969.34-33.79调速后；转子电流 i2=1997.58-63.43 i0=73.22-89.68 i1= i0+ i2=2063-64.33由此可得在调压调速使得定子电流比起之前增大了。3.机械特性图编程如下： p=3;m1=3;u=380/sqrt(3);f=50;r1=0.02;r2=0.02;x1=0.06;x2=0.06;s=0.01:0.01:1;tem=p.*m1.*u.2.*r2./s./2./pi./f./(r1+r2./s).2+(x1+x2).2);plot(tem,s,r);ylabel(转差率s);xlabel(电磁转矩tem/n*m);hold on;tem1=p.*m1.*(u*1.2182).2.*r2./s./2./pi./f./(r1+r2./s).2+(x1+x2).2);plot(tem1,s,g);legend(调速前,调速后)4.能量传递分析调速前：电磁功率: pem=tem2nn60=478.84kw 定子铜耗：pcu1=m1i12r1=56.38kw转子铜耗：pcu2=m2i22r2=52.67kw总机械功率：pmec=pem-pcu2=426.17w忽略铁耗，总输入功率：p1=pemn+pcu1=535.22kwl 调速后：由于负载转矩不变，p2=nnnpn=5.617kw可知调速后输出功率减小电磁功率：pem=m2i22r2s=478.84kw定子铜耗：pcu1=m1i12r1=255.36kw转子铜耗：pcu2=m2i22r2=239.42kw总机械功率：pmec=pem-pcu2=239.42kw忽略铁耗，总输入功率：p1=pem+pcu1=734.2kw由上可知恒转矩调压调速使得定、转子电流增大，电机输出功率减小（但是负载转矩不变），定、转子损耗都增加，电机效率降低，电机温升高，长时间处于这种状态可能导致电机被烧毁。任务二由转速公式：当异步电动机转差率变化不大时，转速 n 正比于频率 f ，改变电源频率就可以改变电机转速。变频调速时，我们希望电机主磁通 m 不变，由 u1e1= 4.44n1kn1f1 m知，变频时，要使得主磁通不变，则电压要随频率改变,电压和频率的关系取决于调速的要求。由于题目中要求恒转矩调速，可得ux /f=const,主磁通 m 不变，电机磁路饱和程度不变，电机过载能力不变，电机在恒转矩变频调速前后性能保持不变。课设题目要求将电机转速由 n= 890r/min调到 n = 500r/min 。由前述原理知ux/ux,=f/f,=nn/n=890/500,由ux=220v,f=50hz,计算可得 ux,=123.60v f,=28.09hz相关参数已在上面求得机械特性图代码如下：s=0.00001:0.0005:1;p=3;m1=3;u1=220; f1=50;r1=0.02;r2=0.02;l1=0.000191;l2=0.000191;x1=2.*pi.*f1.*l1;x2=2.*pi.*f1.*l2;tem1=p.*m1.*u1.2.*r2./s./(2.*pi.*f1.*(r1+r2./s).2+(x1+x2).2);n=30*f1*(1-s);plot(tem1,n);hold on %调速前uu1=123.60;ff1=28.09;xx1=2.*pi.*ff1.*l1;xx2=2.*pi.*ff1.*l2;tem2=p.*m1.*uu1.2.*r2./s./(2.*pi.*ff1.*(r1+r2./s).2+(xx1+xx2).2);nn=30*ff1*(1-s);plot(tem2,nn); %调速后xlabel( 电磁转矩tem/n*m );ylabel(转速/r/min);当转差 s 很小时，转速 n 与电磁转矩 tem 呈线性关系，且调速前后直线斜率不变，相当于将固有机械特性曲线下移一定距离。程序中计及 r1 的影响，所以调速前后最大转矩 tmax 不相等，也就是说电机的过载能力降低。能量传递调速前：转子电流 i2=u1(r1+r2sn)2+(x1+x2)2tan-1x1+x2r1+r2sn= 936.97-30.74ai0=u1r12+(x1+xm)2tan-1x1+xmr1=60.11-89.69a 定子电流 i1= i0+ i2=969.34-33.79a调速后:x1=x2=2f1,l1=0.034i2=u1(r1+r2sn)2+(x1+x2)2tan-1x1+x2r1+r2sn= 1362.95-48.57ai0=u1r12+(x1+xm)2tan-1x1+xmr1=62.56-89.42a定子电流 i1= i0+ i2=1410.87-50.23a调速前：电磁功率: pem=tem2nn60=478.84kw 定子铜耗：pcu1=m1i12r1=56.38kw转子铜耗：pcu2=m2i22r2=52.67kw总机械功率：pmec=pem-pcu2=426.17w忽略铁耗，总输入功率：p1=pemn+pcu1=535.22kw调速后：由于负载转矩不变，p2=nnnpn=5.617kw pmec=tem2n60=4572.81250060=239.43kw转子铜耗 pcu2=m1i2 2r2=111.45kw定子铜耗 pcu1=m1i12r1=119.43kw不计铁耗，输入总功率为p1=pcu1+pem=358.86kw任务三已知 tn=107.3nm ，1.5tn=482.85nm由公式 tmax=m1pu124f1r1+r12+x1+x22=4894.13nm显然tmax1.5tn此外，从tmax的表达式可以看到，tmax的值与转子绕组无关，因此采用转子绕组串电阻调速时，tmax的值并不会改变。tmax的值虽然并不会改变，但发生最大转矩的转差sm与r2有关，具体关系表现为sm=r2r12+x1+x22异步电机的电磁转矩tem与转差率s的关系曲线如figure 4所示：恒转矩调速时，有r2sn=r2+rs可以求得 r=0.071调速后发生最大转矩的转差为sm=r2+rr12+x1+x22=0.75由此可得当其取0.75时，t会得到最大值，而最大电磁转矩与转子电阻无关，tmax=4894.13nm故可得出其级数n=log24894.13482.85=3.34取整得n=4机械特性图程序如下 p=3;m1=3;u=380/sqrt(3);f=50;r1=0.02;r2=0.02;x1=0.06;x2=0.06;s=0.01:0.01:1;tem=p.*m1.*u.2.*r2./s./2./pi./f./(r1+r2./s).2+(x1+x2).2);plot(tem,s,r);ylabel(转差率s);xlabel(电磁转矩tem/n*m);hold on;tem1=p.*m1.*u.2.*(r2+0.071)./s./2./pi./f1./(r1+(r2+0.29)./s).2+(x1+x2).2);plot(tem1,s,g);能量分析调速前：转子电流 i2=u1(r1+r2sn)2+(x1+x2)2tan-1x1+x2r1+r2sn= 936.97-30.74 i0=u1r12+(x1+xm)2tan-1x1+xmr1=60.11-89.69 定子电流 i1= i0+ i2=969.34-33.79调速后各电流值： i2=u1(r1+r2+rs)2+(x1+x2)2tan-1x1+x2r1+r2+rs=936.97-30.74i0=u1r12+x1+xm2tan-1x1+xmr1=60.11-89.69i1=i2+i0=969.34-33.79调速前：电磁功率: pem=tem2nn60=478.84kw 定子铜耗：pcu1=m1i12r1=56.38kw转子铜耗：pcu2=m2i22r2=52.67kw总机械功率：pmec=pem-pcu2=426.17w忽略铁耗，总输入功率：p1=pemn+pcu1=535.22kw调速后电磁功率不变，输出功率发生改变，记输出功率为p2p2=tn2n60=5618.21w总机械功率 pmec=tem2n60=8.434250060=239.41kw电磁功率 pem=pmec1-s=478.82kw转子铜耗 pcu2=m1i2 2(r2+r)=239.67kw定子铜耗 pcu1=m1i12r1=56.38w不计铁耗，输入总功率为p1=pcu1+pem=102.3+1324.8=535.2kw由以上结果可以看到，在恒转矩转子回路串电阻调速时，若转速调低，机械功率变小，转子铜耗变大，效率变低，对设备的损耗大，不宜长期运行。任务四用simulink设计调压调速仿真模型异步电机参数设置如下调速前，额定状态下三相电源工作参数如下仿真转速仿真电压 仿真电流由上图可得w=100rad/s，实际转速应为n=602=954.92 r/min,与题目所给的890 r/min大致相同，其仿真的定子电流在1000a左右，与我们之前所计算的i1 =969.34-33.79大致相同接下来，代入调压调速的数据ux=462.92v调节后仿真转速调节后仿真电压调节后仿真电流由图中可以看出，转速并未减小到题目所要求的500 r/min，而是几乎停留在大约1000 r/min附近，下面对其进行简要分析。对于普通笼型异步电动机及绕线型异步电动机来说，恒转矩调速时，实际上其工作点如图中a、b、c，转速变化其实并不大。对于风机型负载tz，其调速范围才比较大，如图中a、b、c。对电机的定子电压进行调节来改变电机转速时，仿真结果显示电机的转速在1000r/min左右，并未达到预想的转速500r/min，并且相差数值较大，由此可见出现此结果的原因并非和对电流分析中产生误差的原因相同，而是由于模型的假设不合理所导致。课程设计要求为恒转矩调速，因此假设在对电机进行调压调速时，电机的电磁转矩保持恒定，通过改变电机的机械特性来使电机达到新的平衡点，从而实现调速的目的, 对于任务一中的机械特性曲线，我们若沿着恒定转矩tem=4572.81nm处作一条垂