电机学课程设计-华中科技大学

1、电气学科大类 2013 级电机学课程设计学 号 U201311935 专业班号 电气1306 姓 名 擅长于创造性地毁灭世界的徐同学 指导教师 杨凯 日 期 2016年1月23日 报告成绩 目录一、课程设计背景1二、异步电动机的调速原理1(一)改变定子端电压调速1(二)变频调速1(三)转子回路串电阻调速2三、异步电动机的能量传递2四、课程设计题目与要求3五、设计过程与结果4(一)电机相关参数计算4(二)恒转矩调压调速61.调压参数计算62.调压调速后的机械特性73.能量传递分析8(三)恒转矩变频调速91.变频参数计算92.变频调速后的机械特性113.能量传递分析12(四)恒转矩串电阻调速131

2、.串电阻调速相关参数132.机械特性图163.能量传递分析17(五)调压调速仿真模型181.SIMULINK功能简介182.异步电机仿真模型建立与参数设定183.异步电机调压调速仿真21(六)仿真结果与计算结果分析241.定子电流的仿真与计算结果分析242.转子转速的仿真与计算结果分析25六、课程设计总结28(一)各类调速方式的特性及优缺点28(二)电机各项参数计算的误差分析30(三)心得与体会32七、参考文献33一、 课程设计背景异步电动机是一种交流电机，也称感应电机，主要作电动机使用。异步电动机广泛的用于农业生产，家用电器以及航天、计算机等高科技领域。异步电动机还可以作为发电机使用，例如小

3、水电站，风力发电等。异步电机的基本结构包括定子、转子和气隙。定子由铁芯、定子绕组和机座三部分构成。转子由转子绕组、转子铁芯和转轴构成。转子通常分为笼型绕组和绕线式转子。气隙存在于异步电机的定子和转子之间，通常很小。气隙的大小对于异步电机的性能影响很大。异步电动机之所以得到广泛的应用，主要是因为它有结构简单运行可靠，制造容易，价格低廉，坚固耐用等优良特性，同时还有较高的效率和良好的工作特性。异步电动机也存在着一些不足：启动电流较大，使电源电压在电机启动时下降，使线路和电机内部产生损耗而引起发热；启动转矩较小；在大范围内实现平滑调速较为困难；必须从电网吸收滞后的无功功率等。其中异步电动机的调速一直

4、是电机学的重要研究方向之一。通过分析异步机的运行原理，能够总结出三种调速方式：变极调速，变频调速和变转差率调速。本课程设计通过分析和计算异步电动机在不调制定子电压调速、变频调速和转子回路串入电阻调速下的相关参数的值、获取相应的机械特性以及进行计算机模拟仿真，比较了不同调速方式的优缺点和适用场合，对今后的学习和研究能起到一定的启发作用。二、 异步电动机的调速原理(一) 改变定子端电压调速这种调速方式属于改变转差率s来实现调速，三相异步电动机在改变定子电压UX时，由于n1不变，TemUX2，sm不变，故其机械特性如图2-1所示。图2-1 改变定子端电压调速时的机械特性由上图可知通过降低异步电机定子

5、电压可是实现降低电机转速的目的。(二) 变频调速异步电动机的转速n=60f1p(1-s)，当转差率变话不大时，n近似正比于频率f1，可见改变电源的频率就能改变异步电动机的转速。在变频调速时，总希望主磁通m保持不变，主磁通过大时磁路过饱和而使励磁电流增大，主磁通太小时则电机转矩下降。恒转矩调速时，为实现主磁通不变，U1f1应为定值。(三) 转子回路串电阻调速绕线式转子回路串电阻输入改变转差s的调速方式。图2-2绘出了转子串电阻时的机械特性，它们同步转速相同，最大转矩相同，但sm不同。当电压一定时，主磁通近似认为不变。图2-2 转子串电阻时的机械特性在转子回路串入电阻R前后有如下关系R2sN=R2

6、+Rs由此可知通过在转子回路串入电阻可以改变异步机的转差率从而实现调速，并且结合电磁转矩及功率因数的计算公式可知在串入电阻前后的电磁转矩相等，故这种调速方式适用于恒转矩调速。三、 异步电动机的能量传递异步电机的等效电路如下所示图3-1 异步电机等效电路图当异步电动机以转速n（转差率为s）稳定运行时，从电源输入的功率为P1，且P1=m1U1I1cos1定子铜耗为pCu1=m1I12R1在正常运行时异步电动机转子电流频率很低，故转子铁耗可以忽略，因此电动机的铁耗只有定子铁耗，即pFe=m1I02RmP1在扣除掉定子铜耗和定子铁耗滞后的功率借助于气隙中的旋转磁场由定子传递给转子，转子上这一功率是通过

7、电磁感应而获得的，故称之为电磁功率Pem，即Pem=P1-pCu1-pFe=m1I2'2R2's转子铜耗pCu2=m1I2'2R2'=sPem电磁功率在扣除转子铜耗滞后，就是模拟电阻上的电功率，它代表总机械功率，即由电功率转换而来的总机械功率为Pmec=Pem-PCu2=m1I2'21-ssR2'=(1-s)Pem总机械功率在扣除机械损耗pmec、附加损耗pad之后才是由转轴输出的机械功率，即P2=Pmec-pmec-pad能量传递的过程如下图所示图3-1 异步机能量传递示意图如图所示，电机的输入功率从定子侧获得，其中输入功率一部分损耗于定子线路

8、的电阻上，以及定子中的磁滞损耗和涡流损耗之后，剩余的功率通过定子和转子之间的电磁感应，经由定子和转子之间的气隙，以电磁功率的形式传递给转子。转子的电磁功率扣除损耗与转子的电阻上的发热后，表示电机的总机械功率。总机械功率扣除机械损耗诸如电机部件之间的摩擦等以及其他附加损耗之后，最终得到转轴上的输出功率。四、 课程设计题目与要求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.

9、02，忽略铁耗。各参数为：c0 = 1.1；c1 =6；c2 = 960； 原参数为890，算得转差率为0.11，与通常情况下异步电机额定运行时的转差率典型值相差较大，故将电机的额定转速改为960r/min。c3 = 4； 参数为c3 = 0.02 ,c4 =0.06，按此参数计算得电机额定运行时的效率仅为0.415%，严重不符合现实，故将电机的定转子电阻和漏抗分别改为4和6。c4 =6；c5 = 150；c6 = 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

10、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2.5 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。五、 设计过程与结果(一) 电机相关参数计算定子漏电感L1=X12f=62×50=0.0191H转子漏电感L2=X22f=62×50=0.0191H励磁电感 Lm=Xm2f=1

11、502×50=0.4775H同步转速 n1=60f1p=60×503r/min=1000r/min额定运行时的转差率 sN=n1-nNn1=1000-9601000=0.04额定电磁功率 Pem=m1U12R2'sNR1+R2'sN2+X1+X2'2=3×2202×40.04(4+4/0.04)2+(6+6)2w=1.3248kw额定总机械功率 Pmec=1-sNPem=1-0.04×1.3248kw=1.2718kw额定运行时的空载损耗 P0=pmec+pad=Pmec-P2=1.2718-1.1kw=171.8248

12、w调速前的转子铜耗 pCu2=sNPem=0.04×1.3248kw=52.9927w额定负载转矩 TN=PNN=11002×960/60Nm=10.9419Nm额定电磁转矩 Tem=PmecN=1271.82×960/60Nm=12.6511Nm调速前的转子电流I2'=U1R1+R2'sN2+X1+X2'2-X1+X2'R1+R2'sN=2204+40.042+6+62-6+64+40.04A=2.1014-6.5819°A调速前的定子电流 I1=I2'+I0'=2.1014-6.5819

13、6;+2204+150+6jA=2.6895-37.8484°A调速前的定子铜耗 pCu1=m1I12R1=3×2.68952×4w=86.8008w输入功率 P1=Pem+pCu1=1324.8+86.8808w=1.4116kw(二) 恒转矩调压调速1. 调压参数计算设调压至Ux可使转速变为500r/min，由题意可知调速前后的负载转矩保持不变，即Tem=T,由此条件可得如下方程式m1pU12R2'sN2f1(R1+R2'sN)2+(X1+X2')2=m1pUx2R2'st2f1(R1+R2'st)2+(X1+X2

14、9;)2其中调速后的转差率 st=n1-c6n1=1000-5001000=0.5带入相关参数，解得Ux=126.0865V线电压为U1t=3Ux=3×126.0865V=218.3882V调速后的转子电流 I2t'=UxR1+R2'st2+X1+X2'2-X1+X2'R1+R2'st=126.80654+40.52+6+62-6+64+40.5A=7.4297-45°A调速后的定子电流 I1t=I2t'+I0t'=7.4297-45°+126.08654+150+6jA=8.0348-48.9715

15、6;A调速后的定子铜耗 pCu1t=m1I1t2R1=3×8.03482×4w=774.6962w调速后的电磁功率不变 Pemt=Pem=1.3248kw调速后的电磁转矩不点 Temt=Tem=12.6511Nm调速后的转子铜耗 pCu2t=stPemt=0.5×1.3248kw=662.4088w调速后的总机械功率 Pmect=1-stPemt=1-0.5×1.3248kw=662.4088w调速后的输出功率 P2t=TNt=10.9419×2×50060w=572.9167w调速后的空载损耗 P0t=pmec+pad=Pmect-

16、P2t=662.4088-572.9167w=89.4921w调速后的输入功率P1t=Pemt+pCu1t=1324.8+774.6926w=2.0995kw2. 调压调速后的机械特性使用MATLAB软件编程可绘制改变定子端电压调速前后的异步电动机的机械特性曲线，绘图所用代码如下所示：U = 220;f = 50;p = 3;R1 = 4;R2 = 4;X1 = 6;X2 = 6;m = 3;Ux=126.086518783644;n1 = 60*f/p;s = 0.001:0.001:1;n = (1-s)*n1;Tem = (m*p*U2*R2./s)./(2*pi*(R1+R2./s).

17、2+(X1+X2)2);Temt = (m*p*Ux2*R2./s)./(2*pi*(R1+R2./s).2+(X1+X2)2);plot(Tem,n,'r');xlabel('Tem/n*m');ylabel('n/r/min');hold on;plot(Temt,n,'g');legend('调压调速前','调压调速后');运行代码后所生成机械特性图如下所示图5-1 改变定子端电压调速时的机械特性图由此机械特性图可知，普通笼型异步电机带恒转矩负载时其工作点的转速变换范围较小，因此实际使用价值不

18、大。而对于电机带风机型负载时，其调速范围较大，有一定的实用价值。3. 能量传递分析电机调速前后的功率流程图如下所示：图5-2 异步电机功率流程图根据所计算的参数，经过整理得调压调速前后异步电机各项功率数据如表5-1所示表5-1 异步电机调速前后功率数据表根据表中数据，可绘出调速前后的能量传递对比如图5-1所示图5-3 调压调速前后异步电动机能量传递对比图通过分析图5-3可知，在恒定负载转矩的条件下，当通过调压的方式降低异步电机的转速时，电机的空载损耗输、总机械功率和输出功率将会降低，而电机的定子铜耗、转子铜耗、输入功率都大幅度增加，电机的电磁功率保持不变。电机的空载损耗主要由机械损耗和附加损耗

19、构成，其中机械损耗和异步电.动机的转速成正相关，而附加损耗可近似认为与输出功率成正比（约0.5%P2）。因此当通过调压的方式降低电机的转速时，机械损耗与转速一同降低，而附加损耗也随着输出功率的减小而减小，故最终空载损耗减小。由于电机的电磁功率保持不变，而调低转速后的转差率大幅增大，由Pmec=1-sPem可知电机的总机械功将会率大幅减小。输出功率主要由总机械功率决定，因此输出功率也大幅减小。由于调速后转差率增加，导致转子中的等效电阻减小，因此定子和转子中流过的电流都增加，导致定子铜耗和转子铜耗增加。输入功率等于电磁功率与定子铜耗之和，因此输入功率也增大。由此可知通过调压的方式调低电机转速后，不

20、仅输入功率大幅增加，同时输出功率也会急剧减小，最终导致电机的效率严重降低，不仅仅会产生巨大的能源浪费，同时由于定子和转子中流过太大的电流，导致电机的发热增加，对于设备的运行稳定性，工作寿命、绝缘条件以及人身安全都会产生巨大的威胁。(三) 恒转矩变频调速1. 变频参数计算设调速后电源得频率为ft，电源相电压为Ux，转差率为st，且U1f1为定值。因为n=60f1p(1-s)，所以当转差率变换不大时，n近似正比于频率f1。由此可得 nNf1=nft变频调速后的电源频率 ft=n×f1÷nN=500×50÷960Hz=26.0417Hz变频调速后的定子漏抗X1

21、t=2ftL1=2×26.0417×0.0191=3.1250变频调速后的转子漏抗X2t=2ftL2=2×26.0417×0.0191=3.1250变频调速后的励磁电抗Xmt=2ftLm=2×26.0417×0.4775=78.1250变频调速后的电源相电压 Ux=ft×U1÷f1=26.0417×220÷50V=114.5833V变频调速后的电源相电压U1t=3Ux=3×114.5833V=198.4641V变频调速后的同步转速 n1t=60ftp=60×26.04173r

22、/min=520.8333r/min变频调速调速后的转差率与调速前保持一致st=n1t-nn1t=520.8333-500520.8333=0.04调速后的转子电流 I2t'=UxR1+R2'st2+X1t+X2t'2-X1t+X2t'R1+R2'st=114.58334+40.042+3.125+3.1252-3.125+3.1254+40.04A=1.0998-3.4391°A调速后的定子电流 I1t=I2t'+I0t'=1.0945-6.5819°+114.58334+3.125+78.125jA=1.8792-

23、51.6068°A调速后的定子铜耗 pCu1t=m1I1t2R1=3×1.87922×4w=42.3747w调速后的电磁功率 Pemt=Tem2n1t60=12.6511×2×520.833360w=690.0091w调速后的转子铜耗 pCu2t=stPemt=0.04×690.0091w=27.6004w调速后的总机械功率 Pmect=1-stPemt=1-0.04×690.0091w=662.4088w调速后的输出功率 P2t=TNt=10.9419×2×50060w=572.9167w调速后的空载损

24、耗 P0t=pmec+pad=Pmect-P2t=662.4088-572.9167w=89.4921w调速后的输入功率P1t=Pemt+pCu1t=690.0091+23.5462w=732.3838w2. 变频调速后的机械特性使用MATLAB绘制变频调速机械特性曲线所用代码如下所示U = 220;f = 50;p = 3;R1 = 4;R2 = 4;X1 = 6;X2 = 6;m = 3;Ux=114.58333333;s = 0.001:0.001:1;ft = 500/960*f;n1 = 60*f/p;n = (1-s)*n1;n1t = 60*ft/p;nt = (1-s)*n1t

25、;Tem = (m*p*U2*R2./s)./(2*pi*f*(R1+R2./s).2+(X1+X2)2);Temt = (m*p*Ux2*R2./s)./(2*pi*ft*(R1+R2./s).2+ (ft/f)2* (X1+X2)2);plot(Tem,n,'r');xlabel('Tem/n*m');ylabel('n/r/min');hold on;plot(Temt,nt,'g');legend('调速前（f=50Hz）','调速后（f=26.04Hz）');运行代码后所得机械特性曲线如图

26、5-3所示图5-4 变频调速机械特性曲线图通过观察机械特性曲线图，可以发现变频调速前后的最大电磁转矩不一致，出现这种情况的主要原因是定子回路的电阻较大不能够忽略，因此近似算法在这种情况下不适用。由此机械特性曲线图可知，变频调速具有调速范围大，调速平滑性好等诸多优点。此外，变频时电源电压按照不同规律变化可以实现恒转矩调速或者恒功率调速。以适应不同负载的要求。通过与调压调速相对比可以发现变频调速是一种及其优越的异步电动机调速方式，唯一的不足是其控制装置的价格目前仍旧较高。3. 能量传递分析 电机调速前后的功率流程图与图5-2相同。变频调速前后能量传递的对比如下图所示图5-5 变频调速前后能量传递图

27、由图5-4可知，在恒定负载转矩的条件下，当通过改变电源频率的方式降低异步电机的转速时，电机的各项功率和损耗，包输出功率、总机械功率，电磁功率、输入功率、空载损耗、转子铜耗、定子铜耗均有不同成度的降低。电机的空载损耗减小的原因与改变电源电压调速时减小的原因一致，均是由于转速和电源电压降低所导致。因为异步电机的电磁转矩保持不变，而通过降低电源频率调速之后同步转速相应地减小，导致电磁功率一同减小。由于电机调速前后的转差率基本保持不变，由Pmec=1-sPem可知电机的总机械功将会与电磁功率一同减小。输出功率主要由总机械功率决定，因此输出功率也减小。由于变频调速后转差率保持不变，导致转子中的等效电阻也

28、保持，且为了保证主磁通不变电源压也相应地降低，因此定子和转子中流过的电流都减小，导致定子铜耗和转子铜耗减小。输入功率等于电磁功率与定子铜耗之和，因此输入功率也减小。通过计算可知，变频调速前的效率为77.9%，调速后的效率为78.2%。因此，通过变频的方式调低电机转速后，在减小输入和输出功率的同时，能够起到增加电机效率的作用，不仅仅更加高效地利用电能，同时由于定子和转子中流过的电流均减小，能够改善电机的发热，对于设备运行时的稳定性、设备的寿命以及维护成本等许多方面都会产生积极作用。(四) 恒转矩串电阻调速1. 串电阻调速相关参数设为使异步电机的转速将为500r/min，需在转子中串入电阻R。此电

29、阻经过折算后的电阻 R'=kekiR=4×10-4R由题意可知调速前后的负载转矩保持不变，即Tem=T,由此条件可得如下方程式m1pU12R2'sN2f1(R1+R2'sN)2+(X1+X2')2=m1pU12R2'+R'st2f1(R1+R2'+R'st)2+(X1+X2')2由上式可知R2'sN=R2'+R'st其中调速后的转差率 st=n1-c6n1=1000-5001000=0.5可解得R2'=46R=R2'keki=115k由最大电磁转矩计算公式Tmax=m1pU

30、124f1R1+R12+(X1+X2')2可知最大电磁转矩的大小与串入转子回路的电阻R无关，带入相关参数计算得最大电磁转矩Tmax=41.6406 Nm>2.5TN=2.5×10.9419Nm=27.3518Nm该结果似乎不满足题目中要求的最大转矩不超过2.5TN，然而由发生最大转矩时的转差率公式sm=R1'+R'R12+(X1+X2')2带入相关参数经过计算得sm=3.9528>1此时异步机处于电磁制动状态。因此当异步机处于电动机状态正常运行时，无法达到理论上的最大电磁转矩。异步电动机的Tem=f(s)曲线如图5-5所示图5-6 异步电动

31、机的Tem=f(s)曲线由此曲线可知当sm>1且异步机处于电动机状态时，电机将在转差率为1处取得最大电磁转矩，即电机刚启动时转速为零的启动转矩Tmax=Tst=m1pU12(R2'+R')2f1(R1+R2'+R')2+(X1+X2')2带入相关参数计算得Tmax=22.6562Nm<2.5TN=27.3518Nm因此在转子回路串入电阻R=115k满足设计要求。此的极数为6。调速后的转子电流 I2t'=UR1+R2'+Rst2+X1+X2'2-X1+X2'R1+R2'st=2204+4+460.52+6

32、+62-6+64+4+460.5A=2.1014-6.5819°A调速后的定子电流 I1t=I2t'+I0t'=2.1014-6.5819°+2204+150+6jA=2.6895-37.8484°A调速后的定子铜耗 pCu1t=m1I1t2R1=3×2.10142×4w=86.8008w调速后的电磁功率不变 Pemt=Pem=1.3248kw调速后的电磁功率不变 Temt=Tem=12.6511Nm调速后的转子铜耗 pCu2t=stPemt=0.5×1.3248kw=662.4088w调速后的总机械功率 Pmect=

33、1-stPemt=1-0.5×1.3248kw=662.4088w调速后的输出功率 P2t=TNt=10.9419×2×50060w=572.9167w调速后的空载损耗 P0t=pmec+pad=Pmect-P2t=662.4088-572.9167w=89.4921w调速后的输入功率P1=Pemt+pCu1t=1324.8+86.8008w=1.4116kw2. 机械特性图使用MATLAB绘制转子回路串电阻调速的机械特性代码如下所示：U = 220;f = 50;p = 3;R1 = 4;R2 = 4;X1 = 6;X2 = 6;m = 3;n1 = 60*f/

34、p;s = 0.001:0.001:1;n = (1-s)*n1;R2r = R2+46;Tem = (s)(m*p*U2*R2./s)./(2*pi*f*(R1+R2./s).2+(X1+X2)2);Temr = (s,R2r)(m*p*U2*R2r./s)./(2*pi*f*(R1+R2r./s).2+(X1+X2)2);plot(Tem(s),n,'r');xlabel('Tem/n*m');ylabel('n/r/min');hold on;plot(Temr(s,R2r),n,'b');hold on;legend(&#

35、39;串电阻调速前','串电阻调速后');运行该段代码后获得串电阻调速机械特性曲线如图5-7所示图5-7 异步电机转子回路串电阻调速机械特性图由之前分析可知转子回路串电阻适用于恒转矩调速，其本质是通过改变转子回路电阻来改变转子回路的电流，最终改变转矩，从而达到调速的目的。由机械特性图可知此方法调速范围较大，有一定的使用价值。此外该方法也有简单可靠的特点。3. 能量传递分析 能量传递的功率流程图与图5-2相同。转子回路串入电阻调速前后异步电机的能量传递的对比图如下所示图5-8 串电阻调速前后的能量传递对比图由上图可知，恒转矩条件下，在异步电机转子回路串入电阻调速之后异步电

36、机的输出功率、空载损耗、总机械功率均减小，电磁功率、定子铜耗和输入功率保持不变，转子铜耗大幅增加。电机的负载转矩不变而转速减小，因此电机的输出功率减小。电机的空载损耗减小的原因与改变电源电压调速时减小的原因一致，均是由于转速和电源电压降低所导致。总机械功率减小的原因与调压调速时总机械功率减小的原因相同。异步电机的电磁转矩和同步转速均保持与调速前一致，因此电磁功率也保持不变。由于异步电机的等效电路的总电阻保持不变，所以电机的定子回路和转子回路的电流均不变。定子回路电流不变使得定子铜耗和输入功率都和调速前相同。而转子回路由于转子电阻增加，使得转子铜耗增大。变频调速前的效率为77.9%，调速后的效率

37、为40.6%。因此，在异步电机转子回路串电阻调速的方法会大幅降低电机效率，电能主要消耗在了转子回路的发热上。当s=0.5时，转子铜耗等于总机械功率，此时效率极低。转子发热量过大也会对于设备寿命和人身安全产生不良的影响。综上所述，串电阻调速的方法的虽然有简单可靠的有点，但是由于能量消耗过大，处于成本因素考虑，不宜长期使用。 (五) 调压调速仿真模型1. SIMULINK功能简介SIMULINK是MATLAB的组件之一，是一种可视化的仿真工具，能够实现系统的动态建模、仿真和分析，被广泛地运用于线性系统、非线性系统、数字控制以及数字信号处理的建模和仿真中。通过SIMULINK的用户图形接口，能够快捷

38、明了地对系统进行仿真分析。在电机学中，SIMULINK被广泛地运用于变压器的磁路电流畸变分析、空载合闸、突然短路、稳态计算，直流电机的启动、调速与制动，异步电机的各种启动方法和矢量控制调速系统等诸多方面，因此有着巨大的作用。2. 异步电机仿真模型建立与参数设定异步电机的数学模型包括电气部分和机械部分。其中电气部分由一个四阶系统来描述，而机械部分则是一个二阶系统。该模型较为复杂，可直接由SIMULINK中提供的Asynchronous Machine SI Units模块实现，如下图所示:图5-9 Asynchronous Machine SI Units模块示意图其中A、B、C分别为交流电机定

39、子三相电压的输入端子，a、b、c为绕线式电机的转子输出端子，通常情况下短接，Tm为电机负载输入端子，通常为加载在电机转轴上的机械负载，m为信号输出端子，用于观察电机内部各种信号。连接好三相电压源，将异步电机的定子绕组短接，将定子A相电流信号和转子转速信号分别连接至示波器，其中转子转速信号接入示波器前要经过增益为30的信号放大器，其目的是将rad/s换算为r/min。simout模块用于将电机内部信号传送到MATLAB的工作空间中，便于仿真之后编程绘图。三相异步电动机调压调速仿真模型搭建完成后如下图所示图5-10 SIMULINK异步电机仿真模型框图其中三相可编程电压源和异步电机的参数设置分别如

40、下图所示：图5-11 三相可编程电压源参数设定图图5-12 异步电机参数设定图其中电压源的电压值设为Ux，Ux为工作空间中的变量名，将会在编程中通过对其赋予不同的值来实现改变定子端电压调速的功能。异步电机的各项参数由题目给定或之前的计算获得。3. 异步电机调压调速仿真基于上述仿真模型，运行下列代码后得到异步电机调压调速仿真结果function simulation()assignin('base','Ux',380);sim('asynchronousMachine');figure;plot(simout);ylabel('调速前定子电

41、流/A');xlabel('时间/s');title('调速前定子电流波形图');axis(0 10 -15 15);figure;plot(simout1*30/pi);axis(0 1.2 -inf inf);ylabel('调速前转子转速/rpm');xlabel('时间/s');title('调速前转子转速波形图');assignin('base','Ux',126.0865*sqrt(3);sim('asynchronousMachine');fig

42、ure;plot(simout);ylabel('调速后定子电流/A');xlabel('时间/s');title('调速后定子电流波形图');axis(0 10 -15 15);figure;plot(simout1*30/pi);ylabel('调速后转子转速/rpm');xlabel('时间/s');title('调速后转子转速波形图');axis(0 1.2 500 inf);end调速前定子电流波形图：图5-13 调压调速前定子电流波形图调速后定子电流波形：图5-14 调压调速后定子电流波

43、形图调速前转子转速波形：图5-15 调压调速前转子转速波形图调速后转子转速波形：图5-16 调压调速后转子转速波形(六) 仿真结果与计算结果分析1. 定子电流的仿真与计算结果分析通过对比调速前后的电流波形图可知，调速后的电流明显大于调速前的电流，这一现象与调压调速时电机的能量传递分析中的功率损耗显著增大相吻合。根据调压调速前定子电流的仿真波形所示，调压前定子电流约为2.825A，与计算结果2.6895A基本相吻合。根据调压仿真结果后定子电流为7.5A左右，与计算结果8.0384存在着一定的误差但仍在可接受的范围之内。出现上述误差的主要原因有以下几点：(1)在计算各个参数时由于精确的位数有限，误

44、差容易逐级放大，最终形成一定的舍入误差。(2)Simulink中的电机模型包含inertia(转动惯量)和friction factor(摩擦系数)两个参数，这两个参数在电机实际运行中普遍存在，但是根据电机的类型、容量、结构等各个因素的不同使得它们在不同的电机上各不相同，有时相差会较大，而在理论计算中对于异步电机的模型进行了很多不占主要地位的因素的忽略，例如忽略了诸如转动惯量和摩擦系数等相对次要的因素，因此导致了仿真所得调压前后的定子电流大小和通过理论计算所得的数值存在一定的误差。(3)在分析和计算各个参数时所用到的数据有一部分已经是近似量，同时在建立模型的过程中采取了一些简化措施。例如，本次

45、课程设计采用的等效电路是将电机的T型等效电路的励磁之路移动至电源端所形成的型等效电路。此等效电路在计算定子电流、转子电流、依赖于转子电流的电磁功率和电磁转矩，以及绘制机械特性曲线时的程序编写都能提供巨大的便捷。该电路如下图所示：图5-17 异步电机型化简等效电路图中的11+X1Xm称作校正系数，用于对电路进行适当修改使电路与T型电路等效。本课程设计中为简化编程和计算，将1直接取为1，因此产生了一定的误差。2. 转子转速的仿真与计算结果分析如图5-15所示，仿真结果显示异步电机在调压前转子转速为960r/min与电机的额定转速相一致，因此仿真的效果十分显著。然而在图5-16中，对电机的定子电压进

46、行调节来改变电机转速时，仿真结果显示电机的转速在820r/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。在图5-1调压调速机械特性图中绘出恒定电磁转矩Tem=12.6551Nm的直线，如下图所示：图5-19 恒定电磁转矩时调压调速机械特性曲线图根据上图所示，额定电磁转矩Tem=12.6551Nm直线与调压后的机械特性曲线图相交于2个点，

47、其中上面一个点即为仿真中所获得的转速约为820r/min的工作点，而下方的交点则为题目中所要求的转速为500r/min的工作点。由上图可知出现最大电磁转矩额工作点介于两个交点之间，经过计算可得该点的转差率为0.3162，对应的转速为683.8r/min，转速大于此值时机械特性呈下降趋势，而转速小于此值时机械特性呈上升趋势。当机械特性处于下降趋势时，如果发生扰动使转速发生偏移，例如转速增加，则此时的电磁转矩将会小于负载转矩，使得电机减速，最终能够回到平衡点，转速减小时同样也能最终达到平衡。因此当机械特性处于下降状态时电机能够稳定运行。然而当电机的机械特性是上升趋势时，发生任何微小的扰动都将会使得

48、电机工作状态远离平衡点，因此在电机的实际运行中不可能出现，所以在仿真结果出现的是处于稳定运行状态的工作点。由上述分析可知，出现无法达到设计要求的结果，是电机的参数和调速要求相矛盾所导致：电机在通过调整定子端电压来调速的方式下能稳定运行的转速范围是683.8r/min1000r/min，而课程设计要求将速度调制500r/min。为了调和此矛盾，可选择修改电机参数或修改调速要求。根据发生最大电磁转矩时的转差率公式sm=R2'R12+(X1+X1')2可知改变定子或转子的漏抗和电阻均可实现改变电机稳定运行的转速范围。将电机的定子和转子漏抗均改为1.5欧，经过计算可知此时sm=0.8，

49、因此可稳定运行的转速范围是200r/min1000r/min。经过计算可知在此参数下将电机转速调整至500r/min需要将电源得相电压置为92.4718V。此条件下的异步电机机械特性曲线如下图所示：图5-20 将定子和转子电抗改为1.5欧之后的机械曲线图由上图可知在电机的电磁转矩保持不变的情况下通过调压方式改变电机转速之后电机依然能够处于稳定运行状态。修改异步电机仿真模型参数之后重新进行仿真可获得如下结果：图5-21 修改电机参数后的仿真结果波形图根据上图所示的仿真结果可知在此条件下能够实现将电机从额定转速调整至500r/min的要求。然而在实际情况中，由于通常电机的定子和转子漏抗值均大于定子

50、和转子的电阻值，并且电机的各个参数通常已经由厂商给定，所以修改电机参数来实现调速要求只能够在理论分析上提供一定的参考意义，并没有实际的使用价值。根据发生最大电磁转矩时的转差率计算公式，假定异步电机的定子和转子的电阻相等，定转子的漏抗也相等，可知通常sm<0.447，因此一个6极电机能够稳定运行的转速范围大约介于600r/min和1000r/min之间。将调速要求从500r/min改为850r/min，进过计算可知此时需要将电源得相电压调整至134.0089V。再次修改仿真模型的参数后重新运行程序进行仿真，可得如下结果：图5-22 调速至850r/min时的仿真结果波形图根据仿真结果所示，

51、调整电压后电机稳定速度约为850r/min，基本达到了调速要求。综上所述，对于异步电机调速前后的各项参数进行仿真和计算的过程中机会出现由于舍入、近似以及模型不够完备等诸多原因导致的误差，同时也会因为电机本身的参数所限制，导致能够实现的调速范围并不能完全覆盖从0到电机的同步转速之间。在实际操作电机的过程中需要特别关注上述几点。六、 课程设计总结(一) 各类调速方式的特性及优缺点本课程设计分别研究了改变定子电压调速、改变电源频率调速和转子回路串入电阻调速这三种异步电机的调速方法。经过分析和计算可以发现这三种调速方式各有不同的特性和优劣。它们的机械特性和能量传递特性分别如图6-1和图6-2所示。图6

52、-1 三种调速方式的机械特性图图6-2 三种调速方式的能量传递对比通过上图可知，在恒定负载转矩的条件下，调压调速的方式能够调节的转速范围较小，并且调速后将会大幅增加输入功率、转子铜耗和定子铜耗。此方法在转速低、转差s较大时，电动效率很低，并且温升较大。观察和对比变频调速和其他调速方式的机械特性，可以发现变频调速的调速范围较大，并且能够实现平滑调速。根据图6-2使用变频的方法进行异步电机调速时，若减小电机的转速，则电机的各项功率均减小，能够起到节能环保的作用。变频调速能满足不懂的需求，因此被广泛地采用。变频调速还分为恒转矩调速和恒功率调速，本课程设计采用的是恒转矩调速，令电源电压于频率的比值保持

53、为定值，异步电机的主磁通和过载能力保持不变。恒功率调速时则需要使电压的平方与频率的比值保持为定值，才能实现过载能力不变。转子回路串电阻调速和调压调速一样属于改变电机的转差率调速的范畴，能够改变取得最大电子转矩时的转差率较大，因而调速范围相比于调压调速的方式要更大一些，然而串电阻调速后转子铜耗也会大幅增加，同样会造成能耗大和温升高等问题。处了本课程设计所分析的三种调速方式外，异步电机还有变极调速方式。该方式通过改变定子绕组的接线来改变电机的极对数，从而实现改变同步转速。该方法效率较高，操作简便并且成本较低，但是此方式为有级调速，因此只在特定的场合有使用价值。综上所示，调压调速方式和串电阻调速方式缺点较多，但成本较低，实现简单，而变频调速则性能较为优越，但调速装置的成本太高，因此在对电机进行调速时应当结合实际情况选择最恰当的方式。(二) 电机各项参数计算的误差分析调压调速的参数计算时产生的误差已在上文的“仿真结果与计算结果分析”中进行过论述，其他调压方式下参数误差产生原因和调压方式下产生误差的原因基本相同。为了简化编程和绘图，本课程设计采用