基于Matlab的三相异步电动机起动、调速和制动特性仿真


    
    信息工程学院
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    设计题目
    基Matlab三相异步电动机起动调速制动特性仿真





    设计求:
    matlab软件台搭建三相异步电动机模型求:
    1)解三相异步电动机相关理知识
    2)掌握三相异步电动机起动调速制动方法
    3)掌握Matlab电力系统相关元件参数设置完成仿真
    设计容:
    1)三相异步电动机仿真图部分模块参数设置图
    2)完成异步电动机常见起动调速制动特性仿真
    3)仿真运行结果分析
    4)根设计报告模板求撰写设计报告


    设计成果形式:R设计报告印稿R软件£实物£图纸£

    时间安排
    时间
    设计容
    201696201698
    指导教师学生联系达设计务
    2016992016923
    进行方设计
    20169242016929
    撰写报告完成方设计准备答辩
    指导教师签名:
    年 月 日
    学生签名:
    年 月 日

    基Matlab三相异步电动机
    起动调速制动特性仿真

    摘: 异步电动机目前日常生活中已广泛应特点结构简单运行效率较高成较低应更加广泛性更加完善必基起动制动调速性进行深入研究着电机研究断深入仿真成进行研究重手段中Matlab软件方便高效直观特点广泛应异步电动机仿真研究方便快捷节约资源解决复杂问题带极方便文通Matlab软件进行仿真研究异步电动机起动调速制动种方法找提高性途径通理相验证文模型效性正确性

    关键词:Matlab仿真异步电动机
    Simulation for Startup Speed Control and Braking Character of Threephase Asynchronous Motor Based on Matlab

    AbstractAsynchronous motor has been widely used in our daily life at present the main characteristics of simple structure reliable operation high efficiency and low cost In order to make its application more widely and performance will be improved it is necessary for the most basic starting braking and speed regulating performance for further research And with the research of motor the simulation has become an important means to study the Matlab software with its convenient efficient and intuitive features are widely used in the simulation research of asynchronous motor is convenient and save resources to solve some complex problems has brought great convenience Based on the Matlab software simulation the asynchronous motor starting speed and braking methods in order to find ways to improve its performance and compared with the theory proves the correctness and the effectiveness of the model

    Key words Matlab simulation asynchronous motor
    1 设计目意义
    11 概述
    科学技术发展迅速社会电机已成生活中必少部分生产生活提供极方便电机缺性生产生活水极推动性国电机进行较深入研究求国际竞争中更加具优势
    着电机研究断深入电机控制系统变越越复杂实验增加难度仿真出现予复杂实验极方便降低实验成提供种方便快速实验方法仿真已进行电机研究重缺手段时更需找仿真结果快速方便精确软件加研究应Matlab软件实现求众需进行效数值计算科学领域提供种全面解决方案集成度高方便输入简捷运算高效容丰富中Simulink模块Matlab中种视化仿真工具需书写程序需鼠标操作构造出复杂系统广泛应控制理数字信号处理复杂仿真设计
    12 研究意义
    异步电动机具结构简单运行价格低维护方便等系列优点广泛应电力拖动系统中机械性说目前存少研究问题起动调速制动更应生产生活中提高济效益必须点问题进行深入研究首先三相异步电动机起动动态问题电机起动瞬间定子绕组中通电流约额定电流47倍果起动持续时间长起动次数起动电流会电机热甚烧毁影响线路电设备正常工作次三相异步电动机领域中广泛应调速性制动性直流电机交流电机电力拖动系统逐步取代直流电机拖动系统必须改进异步电动机调速性制动问题具更济效益

    2 设计求设计容
    21 设计求
    matlab软件台搭建三相异步电动机模型求:
    1)解三相异步电动机相关理知识
    2)掌握三相异步电动机起动调速制动方法
    3)掌握Matlab电力系统相关元件参数设置完成仿真
    22 设计容
    1)三相异步电动机仿真图部分模块参数设置图
    2)完成异步电动机常见起动调速制动特性仿真
    3)仿真运行结果分析
    4)根设计报告模板求撰写设计报告

    3 三相异步电动机起动特性仿真
    异步电动机起动性衡量两标准:起动电流倍数起动转矩倍数起动电流起动转矩两性参数相互矛盾减电动机承受击电流避免绕组热甚损坏减电网电动机产生电压降落避免引起电网电压幅度降影响电气设备正常运行求起动电流太起动电流产生起动转矩足起动负载电机迅速转动起快达额定转速进入正常工作状态求电机足够起动转矩起动程较短暂果缺乏完善预防措施会导致严重果希够起动电流较情况够获较起动转矩
    31 直接起动
    直接起动称全压起动三相异步电动机简单种起动方法起动时通接触器电机直接接入电网设备简单起动速度快起动转矩直接起动适容量电机带轻载情况容量电机言种起动方式具十分显著缺点起动电流较达额定电流47倍易电机电网造成利影响额定功率75kW时采直接起动
    仿真模型:

    图31 异步电动机直接起动仿真模型
    参数设置:1)交流电压源电压峰值311V相相角相差120度频率50Hz
    2)增益取30p
    3)三相异步电动机

    仿真结果:

    图32 异步电动机直接起动仿真波形
    结果分析:刚起动时转差率转子电流定子电流达165A183A转矩500N*m着转速升电流逐渐减终电机转速稳定1500rmin左右非常接步转速轻载转子电流定子电流负载转矩接零该直接起动系统起动时间约012s左右启动速度较快知直接起动优缺点起动方式简单起动时间短起动电流较易电机电网造成击导致电机损坏电网电压降低
    32 串电阻起动
    电动机全压起动引起配电系统压降条件允许采全压起动时采取降压起动串电阻起动降压起动中种串电阻起动时电机定子电路中接入电阻电阻起动程中起分压作减机端电压达减起动电流目电机起动程结束电阻短接电路中切电动机正常电压运行种起动方式受电动机接线形式限制设备简单常应中型机床中缺点十分明显串入电阻电机起动时电阻通起动电流会产生热损耗带必电损失造成源浪费降低济效益起动时间较长满足需频繁起动系统求
    仿真模型:

    图33 异步电动机串电阻起动仿真模型
    参数设置:1)三相电阻值10欧
    2)阶跃信号触发时间02s
    3)余参数直接起动相
    仿真结果:

    图34 异步电动机串电阻起动仿真波形
    结果分析:串电阻起动目降低起动电流仿真结果知02s前电阻分压作施加电机电压未达全压达减机端电压目起动电流远远直接起动时起动电流约28A左右转速呈缓慢升状态02s断路器合闸电机投入全压运行参数呈现出较波动终转速稳定1500rmin轻载原参数接零缺点起动时间较长起动转矩相直接起动减利电动机起动

    4 三相异步电动机调速特性仿真
    直流电动机转速相较交流电动机更容易控制调节交流调速系统相长时期性落直流调速直流调速调速范围广静差率稳定性具良动态性等优点占优势着科学技术断发展直流调速系统缺点逐渐显现直流调速系统电刷换器电机运行程中易产生火花电机寿命造成影响维护工作量较高转速单机容量环境等受定限制应范围较窄
    三相异步电动机身结构特点制约身调速技术发展调速较困难常作缺点提出着科学技术发展特电力电子计算机技术发展交流调速系统取相进展正逐步取代直流调速系统
    异步电动机转速公式:

    该转速公式出改变电动机定子电源频率转差率s极数p达调速目
    41 变频调速
    变频调速指改变电动机定子电源频率改变步转速调速方法变频调速技术飞速发展异步电动机实现滑调速提供实现频率连续调节滑调节转速变频调速系统设备变频器目前交直交变频器特点效率高调速程中没附加损耗应范围广调速范围精度高技术复杂造价高检修维护较困难
    研究频率转速影响省略前面变频器变频实现部分采取直接改变三相电源频率方法进行研究
    仿真模型:
    图41 异步电动机变频调速仿真模型
    参数设置:1)交流电源频率50Hz变40Hz
    2)三相断路器状态切换时间04s
    3)余参数直接起动相
    仿真结果:

    图42 异步电动机变频调速仿真波形
    结果分析:变频调速通改变定子电源频率改变基波旋转频率改变转差率达调速目仿真结果知04s时定子电源频率50Hz变40Hz转差率减终转速1500rmin降1200rmin根频率转速关系n60fp知结果正确达调速目
    42 调压调速
    谓调压调速通改变定子外加电压改变电磁转矩较调速范围定输出转矩达改变电动机转速目根异步电动机机械特性方程式

    中 ——电动机极数转差率
    ——电动机定子相电压供电角频率
    ——定子相电阻折算定子侧转子相电阻
    ——定子漏感折算定子侧转子相漏感
    见转差率定时电磁转矩定子电压方成正通改变定子电压机械特性实现调速
    交流调压调速系统般采晶闸三相交流调压电路优点线路简单调试容易维修方便成低廉广泛应处讨电压变化转速影响省略调压实现部分采直接改变三相电源电压方法模拟调压结果
    仿真模型:

    图43 异步电动机调压调速仿真模型
    参数设置:1)三相电源电压峰值311V变100V
    2)三相断路器状态切换时间3s
    3)三相负载相电压220V频率50Hz功1e3W感性容性功100var
    4)余参数直接起动相
    仿真结果:

    44 异步电动机调压调速仿真波形
    结果分析:空载时电压变化明显增负载转矩20三相电源峰值311V时转速终稳定1475rmin左右02s时电源峰值切换100V转速终稳定1126rmin左右达调速目
    43 变极调速
    通改变异步电动机绕组极数改变步转速方式称变极调速电网频率固定三相异步电动机步转速磁极数成反改变异步电动机定子绕组磁极数改变电动机步转速改变转子转速改变定子极数时转子极数改变避免转子进行变极改接麻烦变极电动机常笼形转子笼形转子身没固定极数极数定子磁场极数确定改装采方法调速变极速异步电动机结构普通异步电动机相似
    变极调速通外部开关切换改变定子绕组串联关系改变极数特点接线简单控制方便附加转差损耗电气传动效率高设备费较低缺点级调速连续调节转速法实现较高效率滑调速
    仿真模型:

    图45 异步电动机变极调速仿真模型
    参数设置:1)电机极数2变3

    2)余参数直接起动相
    仿真结果:

    图46 极数2时仿真波形

    图47 极数3时仿真波形
    结果分析:极数2时转速稳定1500rmin极数变3转速稳定1000rmin符合转速极数间应关系达调速目
    5 三相异步电动机制动特性仿真
    切断电源利电气原理机械装置电动机迅速停转方法称三相异步电动机制动制动方法致分两类:电气制动机械制动
    电气制动电动机产生转子转速方相反电磁转矩电动机转速迅速降般包括反接制动耗制动回馈制动
    机械制动利机械装置电动机迅速停转制动方法常方法电磁抱闸电磁离合器制动
    处仅讨电气制动中反接制动耗制动
    51 反接制动
    反接制动需电动机停转时定子电源意两相反接产生制动力矩迫电动机迅速停转反接制动优点制动力强制动迅速缺点制动准确性差制动程中击强烈易损坏传动零件宜常
    反接制动时般速度继电器相配合检测电动机转速降接零时切断电源电动机停止转动Matlab中没速度继电器采三相断路器模拟方法观察反接时波形找转速零点该时刻设置三相断路器断开切断电源电动机停转
    仿真模型:

    51 异步电动机反接制动仿真模型
    参数设置:1)三相断路器12状态转换时间设04s
    2)三相断路器3状态转换时间04255s
    3)余参数直接起动相
    仿真波形:

    图52 异步电动机反接制动仿真波形
    结果分析:04s前电动机正常运行04s时三相电源中两相反接转速开始迅速减变反转趋势转速接零时断路器3断开交流电源避免电动机反转迅速停止定子转子波形知反接时定子转子电流迅速反相增会电机造成击反接时转矩突然增易损坏传动零件优点显易见:制动迅速002s左右
    52 耗制动
    异步电动机处运行状态时断开三相交流电源时直流电源接入定子意两相时电动机进入耗制动状态制动时先断开电源开关切断电动机交流电源时转子原方惯性运转电动机两相定子绕组通入直流电定子中产生恒定静止磁场样作惯性运转转子切割磁力线转子绕组中产生感应电流受静止磁场作产生电磁转矩正电动机转相反电动机受制动迅速停转种制动方法定子绕组中通入直流电消耗转子惯性运转动进行制动称耗制动
    耗制动点制动准确稳量消耗较缺点需增加直流电源装置设备费较高制动力较弱耗制动般求制动准确稳场合
    仿真模型:

    图53 异步电动机耗制动仿真模型
    参数设置:1)直流电源100V
    2)电阻R1欧
    3)短路器动作时间均04s
    4)余参数直接起动相
    仿真结果:

    图54 异步电动机耗制动仿真波形
    结果分析:定子间串入电阻电机惯性继续转动程中转子继续切割磁力线产生电流定子存回路感应出电消耗串入电阻值中机械转化电消耗电机部仿真结果见制动瞬间定子电流转子电流转矩幅度波动转速降速度相停车程明显加快耗制动效缩短制动时间提高电机制动效率

    6 总结
    异步电动机结构简单运行效率较高成较低等特点日常生活中广泛异步电动机调速性制动性度落直流电机着科学技术发展电力电子技术出现问题已基解决交流电机性已普遍优直流电机正逐步取代直流电机次设计异步电动机容研究起动调速制动特性通MatlabSimulink工具箱进行建模仿真根仿真结果该系统种输出关系进行研究
    异步电动机种起动调速制动方法特点总结:
    1)直接起动串电阻起动
    直接起动:设备简单起动时间短起动转矩起动电流较易电机造成较击电网电压降般容量电机带轻载情况
    串电阻起动:起动电流较减电机击电网电压影响设备简单起动转矩相应减起动时间较长串入电阻会产生热损耗带额外电损失般允许采全压起动需频繁起动场合
    2)变频调速调压调速变极调速
    变频调速:调速范围精度高实现转速滑调节计数复杂造价高检修维护较困难般需滑调速场合
    调压调速:结构简单调试容易维修方便成低廉效率较低适风机类负载调速
    变极调速:接线简单控制方便附加转差损耗设备费较低级调速法实现效率较高滑调速般求实现滑调速场合
    3)反接制动耗制动
    反接制动:制动力强制动迅速制动准确性差制动程中击强烈易损坏传动零件宜常
    耗制动:制动准确稳量消耗较需增加直流电源装置设备费较高制动力较弱般求制动准确稳场合
    参考文献
    [1] 汤蕴璆 电机学[M] 北京:机械工业出版社2011
    [2] 王晶翁国庆张兵 电力系统MATLABSIMULINK仿真应[M] 西安:西安电子科技学出版社2008
    [3] 范国伟 电机原理电力拖动[M] 北京:民邮电出版社2012
    [4] 陈亚爱周京华 电机拖动基础MATLAB仿真[M] 北京:机械工业出版社2011
    [5] 陈伯时 电力拖动动控制系统[M] 北京:机械工业出版社2010
    [6] 孙克军常宇健孙会琴 电力拖动基础[M] 北京:机械工业出版社2011
    [7] EOttenThe Motor System The Whole and its Parts[M] Neural Plasticity2001
    [8] Francesca FerriFrancesca FrassinettiMarcello CostantiniVittorio Gallese Motor Simulation and the Bodily Self[M]The University of Melbourne2011
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