基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机仿真模型分析 作者：尚敬 作者单位：西南交通大学,610031 刊名： 电机技术 英文刊名：ELECTRICAL MACHINERY TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002(2) 被引用次数：17次 参考文献(4条) 1.沈本荫现代交流传动及其控制系统 1997 2.陈坚交流电机数学模型及调速系统 1989 3.阮毅异步电机非线性解耦控制与矢量控制系统的解耦性质 1996 4.陈桂明应用MATLB建模与仿真 2001 本文读者也读过(3条) 1.郑修艳.曹立莉.杜冠华新型弹性蛋白酶抑制剂西维来司钠临床前药理及机制研究[期刊论文]-中国新药杂志2004,13(4) 2.贺超英.黄美成基于MATLAB/SIMULINK的鼠笼异步电动机仿真[期刊论文]-微电机2004,37(6) 3.周立求.沈记全基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机建模与仿真[期刊论文]-电机电器技术2003(4) 引证文献(12条) 1.陈四连,林瑞全,丁旭玮异步电动机变频调速系统的MATLAB建模与仿真[期刊论文]-电工电气 2009(11) 2.李建华基于S函数的异步电机SPWM调速系统建模与仿真[期刊论文]-机电技术 2007(04) 3.韩林,赵荣祥,柳鹏基于Saber Sketch/Scope的无刷直流电机仿真分析[期刊论文]-微电机 2004(05) 4.勇娅询,刘维亭,魏海峰,陈源船舶电力推进感应电机矢量控制系统仿真研究[期刊论文]-电气自动化 2015(5) 5.朱元玉,杨先海,董敏基于MATLAB的大型动态雕塑交流调速系统建模与仿真[期刊论文]-山东理工大学学报（自然科学版） 2009(06) 6.祝敏泵用电动机技术改进研究[期刊论文]-贵州师范大学学报（自然科学版） 2013(06) 7.赵射带指针指示的数字式显示记录仪[学位论文]硕士 2004 8.刘红星异步电机自适应矢量控制系统的研究[学位论文]硕士 2007 9.姜辉电动汽车传动系统的匹配及优化[学位论文]硕士 2006 10.王宏亮纯电动汽车整车建模与仿真[学位论文]硕士 2005 11.徐鲁辉绕线式异步电动机转子变频调速性能研究[学位论文]硕士 2011 12.郭爽静止进相器的仿真研究[学位论文]硕士 2006 引用本文格式：尚敬基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机仿真模型分析[期刊论文]-电机技术 2002(2)
普通三相异步电动机与变频电动机的区别 普通的三相异步电动机可以用变频器驱动吗 普通的三相异步电动机与变频调速的三相异电动机有何区别 普通异步电机与变频电机的区别——普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。 以下为变频器对电机的影响： 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。据资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%~20%。 2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5、低转速时的冷却问题 首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。
电动机绕组的结构主要分下列几种型式： 一、以定子绕组形成磁极来区分 定子绕组根据电动机的磁极数与绕组分布形成实际磁极数的关系，可分为显极式与庶极式两种类型。 1.显极式绕组 在显极式绕组中，每个（组）线圈形成一个磁极，绕组的线圈（组）数与磁极数相等。 在显极式绕组中，为了要使磁极的极性N和S相互间隔，相邻两个线圈（组）里的电流方向必须相反，即相邻两个线圈（组）的连接方式必须尾端接尾端，首端接首端（电工术语为“尾接尾、头接头”），也即反接串联方式。 2.庶极式绕组 在庶极式绕组中，每个（组）线圈形成两个磁极，绕组的线圈（组）数为磁极数的一半，因为另半数磁极由线圈（组）产生磁极的磁力线共同形成。 在庶极式绕组中，每个线圈（组）所形成的磁极的极性都相同，因而所有线圈（组）里的电流方向都相同，即相邻两个线圈（组）的连接方式应该是尾端接首端（电工术语为“尾接头”），即顺接串联方式。 二、以定子绕组的形状与嵌装布线方式区分 定子绕组根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类。 1.集中式绕组 集中式绕组一般仅有一个或几个矩形框线圈组成。绕制后用纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后嵌装在凸磁极的铁心上。直流电动机、通用电动机的激磁线圈，以及单相罩极电动机的主极绕组都采用这种绕组。 2.分布式绕组 采用分布式绕组的电动机定子没有凸性的极掌，每个磁极都是由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组。根据嵌装布线排列的形式不同，分布式绕组又可分为同心式、迭式两类。 （1）同心式绕组同心式绕组是同一线圈组的几个大小不同矩形线圈，按同一中心的位置逐个嵌装排列成回字形的型式。同心式绕组又分单层与多层。一般单项电动机和部分小功率三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。 （2）迭式绕组迭式绕组是所有线圈的形状大小完全相同（单双圈例外），分别以每槽嵌装一个线圈边，并在槽外端部逐个相迭均匀分布的型式。迭式绕组又分单层迭式和双层迭式两种。在每槽里只嵌一个线圈边的为单层迭式绕组，或称单迭绕组；每槽嵌两个属不同线圈组的线圈边（分上下层）为双层迭式绕组，或称双迭绕组。迭式绕组由于嵌装布线方式的变化不同，又有单双圈交叉布线排列与单双层混合布线排列之分；此外，从绕组端部的嵌装形状称为链形绕组、篮形绕组，实际上均属迭式绕组。一般三相异步电动机的定子绕组较多采用迭式绕组。 三、转子绕组 转子绕组基本上分鼠笼型和绕线型两类。鼠笼型结构较简单，其绕组过去为嵌铜条，目前多数采用浇铸铝，特殊的双鼠笼转子具有两组鼠笼条。绕线型转子绕组与定子绕组相同，也分迭式与另外一种波型绕组。波型绕组的外形与迭式绕组相似，但布线方式不同，它的基本元件不是整个线圈，而是单匝单元线圈，嵌装后需逐个焊接成线圈组。波形绕组一般应用于大型交流电动机的转子绕组或中大型直流电动机的电枢绕组。
中国石油大学胜利学院综合课程设计总结报告 题目：三相异步电机直接启动特性实验模型 学生姓名：潘伟鹏 系别：机械与电气工程系 专业年级： 2012级电气工程专业专升本2班 指导教师：王铭
2013年 6 月 27日
一、设计任务与要求 普通异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条的使用寿命。但在电网条件和工艺条件允许的情况下，异步电动机也可以直接启动。本次课程设计通过MATLAB软件建模模拟三相异步电动机直接启动时的各个元器件上的电量变化。 参考： 电力系统matlab仿真类书籍 电机类教材 二、方案设计与论证 三相异步电动机直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。 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： （1-1）式中——转矩常数 ——每级下磁通 ——转子功率因数 式(1-1)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， （1-2） （1-3）将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：
1 电动机分为（交流电动机）（直流电动机），交流电动机分为（同步电动机）（异步电动机）异步电动机分为（三相电动机）（单相电动机） 2电动机主要部件是由（定子）和（转子）两大部分组成。此外，还有端盖、轴承、风扇等 部件。定子铁心：由内周有槽的（硅钢片）叠成三相绕组，机座：铸钢或铸铁。 3根据转子绕组结构的不同分为：（笼型转子转子）铁心槽内嵌有铸铝导条，（绕线型转子）转子铁心槽内嵌有三相绕组。 4笼型电机特点结构简单、价格低廉、工作可靠；（不能人为）改变电动机的机械特性。绕线 式转子电机特点结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子（外加电阻可人为改变）电动 机的机械特性。 5分析可知：三相电流产生的合成磁场是一（旋转的磁场），即：一个电流周期，旋转磁场在空 间转过（360°）旋转磁场的旋转方向取决于（三相电流的相序），任意调换两根电源进线则旋 转磁场（反转）。 6若定子每相绕组由两个线圈（串联），绕组的始端之间互差（60°），将形成（两对）磁 极的旋转磁场。旋转磁场的磁极对数与（三相绕组的排列）有关。旋转磁场的转速取决于磁 场的（极对数）。 p=1 时 (n0=60f 1)。旋转磁场转速n0 与（频率f1）和（极对数p）有关。 7 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为（转差率S）异步电动机运行中S=（ 1--9）％。 8 一台三相异步电动机，其额定转速 n=1460 r/min ，电源频率 f1=50 Hz 。试求电动机在额定负载 下的转差率。 解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1500 r/min ,即 s n0 n 100% 1500 1460 100% 2.7% n0 1500 9 定子感应电势频率 f 1 不等于转子感应电势频率 f 2。 10 电磁转矩公式 sR2 U 12 T K ) 2 R2 (sX 20 2 2 由公式可知 :1. T 与定子每相绕组电压 U 成（正比）。 U 1 ↓则 T↓ 。 2.当电源电压 U1 一定时， T 是 s 的函数 , 3. R2 的大小对T 有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变（转子电阻R2 ），从而改变转距。 11 三个重要转矩：(1) ( 额定转矩 TN) 电动机在额定负载时的转矩(2) (最大转矩Tmax) 电机带动最大负载的能力,(3) ( 起动转矩Tst)电动机起动时的转矩。 12 如某普通机床的主轴电机(Y132M-4 型 ) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为（T P N 9550 7 . 5 N . m ）。 N 9550 49 . 7 n N 1440 13 转子轴上机械负载转矩T2 不能（大于 Tmax ），否则将造成堵转(停车 )。 过载系数 (能T m ax 一般三相异步电动机的过载系数为 1.8 ~ 2.2 T N 力 ) 14 K st T st 启动条件（ Tst>TL ）否则电动机不能启动，正常工作条 起动能力 T N 件：所带负载的转矩应为（TL 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1]。在研究异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设： (1)三相绕组在空间对称互差ο120，磁势在空间按正弦分布； (2)忽略铁芯损耗； (3)不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的； (4)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 异步电机在两相静止坐标系上的数学模型： 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。在实际过程中，系统可能太复杂，无法求得其解析解，可以通过仿真求得其数值解。计算机仿真是利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者——人的思维过程和行为，进行动态性的比较和模仿，利用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。 系统仿真软件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有着其他类似软件难以匹敌的优势。界面友好，编程效率高，扩展性强。MATLAB 提供的SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMULINK 的目的是让用户能够把更多的精力投入到模型设计本身。它提供了一些基本的模块，这些模块放在浏览器里面，用户可以随时调用。当模型构造之后，用户可以进行仿真，等待结果，或者改变参数，再进行仿真。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其动态和静态特性都相当复杂。以下将介绍用SIMULINK 如何来建立三相异步电机的计算机仿真模型，为以后的系统仿真做好准备。 经过三相静止/两相静止坐标变换及两相旋转/两相静止坐标变换，可得异步电机在两相静止坐标系上的数学模型。 电压方程： ?????? ? ???????????????????+--+++=??????????????βαβαβαβαωωωωr r s s r r r m m r r r r m r m m S m S r r s s i i i i P L R L P L L L P L R L P L P L P L R P L P L R u u u u 22110000 三相异步电动机结构的各部件起什么作用？ 异步电动机的结构主要由两个基本部分组成，即定子（静止部分）和转子（旋转部分）。一．定子它由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。 （1）定子铁心。它是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚表面涂有绝缘漆或氧化膜的薄硅钢片叠压而成，固定在机座内。定子铁心的内圆冲有均匀分布的槽口，用来嵌放三相定子绕组。绕组与铁心之间是互相绝缘的。 （2）定子绕组。由于它是能量转换的“枢纽”，又称电枢绕组。它是异步电动机的电路部分，通入三相电源后，就会产生三相旋转磁场。三相定子绕组是3个彼此独立、按一定方式连接的对称绕组，它们按一定的空间角度依次嵌在定子槽内。为了便于变换接法，绕组6个端头都引到接线盒内。 （3）机座。它一般由铸铁或铸钢制成。其作用是固定定子铁心和定子绕组。机座两端的两个端盖，以支承转子轴。 二．转子它是异步电动机的旋转部分，电动机的工作转矩就是从转子轴上输出的。它由转子铁心、转子绕组和转轴3部分组成。 （1）转子铁心。它是电动机磁路的一部分，是由圆形薄硅钢片叠装而成。在硅钢片外圆上冲有均匀分布的槽口，用来嵌放转子绕组。转子铁心压装在轴上。 （2）转子绕组。它又分为笼型和线绕式两种。目前中小型异步电动机的笼型转子，一般都用熔化的铝浇入转子铁心槽内，并将两个端环（短路环）与冷却用风扇浇铸在一起而成。由于转子绕组形状像鼠笼，故称为笼型异步电动机。线绕式转子绕组和定子绕组相似，也是三相对称绕组，一般都接成星形。3个出线端通过转轴内孔分别接到与转轴固定的3个铜制互相绝缘的滑环上（集电环），滑环靠电刷与外接变阻器电路相连接，接入变阻器主要是为了改善电动机的起动性能或调节电动机的转速。 三相异步电动机结构详细图解 图1封闭式三相异步电动机的结构 1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子 6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒 异步电动机的结构也可分为定子.转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定.转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为～2mm。 三相异步电动机外形有开启式.防护式.封闭式等多种 形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式.潜水泵式等。不管外形如何电动机结构 基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。 1.定子部分 定子部分由机座.定子铁心.定子绕组及端盖.轴承等部件组成。 (1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中.小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。 (2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。 (a)直条形式(b)斜条形式 图2 笼型异步电动机的转子绕组形式 (3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间.绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。 (4)轴承。轴承是电动机定.转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 2.转子部分 转子是电动机中的旋转部分，如图中的部件5。一般由 三相异步电动机的结构原理（定子、转子）讲解 三相异步电动机定子 0.35?0.5毫米厚，表面涂有绝缘漆的环状冲片槽的硅钢片叠压而成，如右图所示。 定子绕组：定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 U1 Vt W t U1 Vi Ii 定子三栩绕组的接线方法 小型号异步电动机定子绕组通常用高强度漆包线 （铜线或铝线）绕制成各种线圈后，在嵌放在定子铁芯槽内。大中型电动机则用各种规格的铜条经 过绝缘处理后，再嵌放在定子铁芯槽内。为了保证绕组的各导电部分与铁芯之间的可靠绝缘以及绕 组本身之间的可靠绝缘，故在定子绕组制造过程中采取了许多绝缘措施，三相异步电动机定子绕组 的主要绝缘项目有以下三种： 1. 对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心之间的绝缘。 2. 相间绝缘：各相定子绕组之间的绝缘。 3. 匝间绝缘：每相定子绕组各线匝之间的绝缘。 定子三相绕组的槽内嵌放完毕后共有六个出线端引到电动机机座的接线盒内，可按需要将三相绕组 接成星形接法（Y 接）或三角形接法（△接），如右图所示。 机座：它的作用是固定定子铁芯和定子绕组，并以两个端盖支撑转子，同时起保护整台电动机的电 磁部分和散发电动机运行中产生的热量，一般是铁或铝铸造而成。 三相异步电动机转子 Ife 1 i % 1 1 1 1 U1 Vi 11 1 1' * 1 电动机的静止部分称为定子，其组成部分主要包括定子铁芯、定子绕组、机座等部分 定子铁芯：定子铁芯的作用是作为电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁芯一般由 转子是电动机的旋转部分，包括转子铁芯，转子绕组和转轴等部分 转子铁芯：作为电机磁路的一部分，并放置转子绕组。一般由 图所示。 转子绕组：其作为切割定子磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下受力使转子转动。根 据构造的不同可分为鼠笼式和绕线式转子两种类型。 1. 鼠笼式转子：它的结构是转子铁芯的槽沟内插入铜条，在铜条两端焊接两个铜环，如下图（ 这样转子绕组好像一个鼠笼型转子。 为了节约铜材和便于制造。 目前绝大部分鼠笼均采用铝代替。 如下 2. 绕线式转子：绕线式转子绕组也和定子绕组一样做成三相对称绕组，经过适当的排列和组合 三个引出线分别接到固定的转轴上的三个铜滑环上， 在各个环上，分别放置着固定不动的电刷， 通过电 刷与滑环的接触，使转子绕组与外加变阻器接通，一边启动电机。如右图所示。 3. 转轴：用以传递转矩及支撑转子的重量。一般都由中碳钢或合金钢制成。除了定子和转子两大部分外， 还有端盖，风扇等其他附件。 （注：范文素材和资料部分来自网络，供参考。只是收取少量整理收集费用，请 预览后才下载，期待你的好评与关注） 0.5毫米厚的硅钢片冲制叠压而成。如右 a ）所示。 绕组式转子 嵌入并固定转子铁芯槽内，最后使三组绕圈接成星形连接, 图（b ）所示。 目录 1 设计意义及要求 (3) 1.1设计意义 (3) 1.2设计要求 (3) 2 异步电动机动态数学模型 (4) 2. 1 异步电动机动态数学模型的性质 (4) 2. 2 异步电动机的三相数学模型 (5) 2.3坐标变换 (7) 2. 3.1坐标变换的基本思路 (7) 2. 3.2三相 - 两相变换（ 3 / 2 变换） (7) 2. 3.3静止两相 - 旋转正交变换（ 2 s / 2 r 变换） ...................................... 2.4状态方程 (10) 3 模型建立 (12) 3. 1 ACMo t o r 模块 (12) 3.2坐标变换模块 (13) 3. 2.1 3/ 2 t r a n s f o r m 模块 (13) 3. 2.22s/2rtransform 模块 (13) 3. 2.32r / 2s t r an s f or m 模块 (14) 3. 2.4 2/ 3 t r a n s f o r m 模块 (15) 3. 2.5 3/ 2 r t r a ns f o r m 模块 (16) 3.3仿真原理图 (17) 4 仿真结果及分析 (20) 5 结论 ........................................................ 参考文献..................................................... 摘要 对一个物理对象的数学模型，在不改变控制对象物理特性的前提下采用一定的变换手段，可以获得相对简单的数学描述，以简化对控制对象的控制。对异步电机的数学分析也不例外，在分析异步电机的数学模型时主要用到的是坐标变换。 运动控制论文 课题：异步电动机数学模型和电压空间矢量PWM控制技术研究 姓名：xxxxxxxxx 专业：电气工程及自动化 班级：电097 学号：0912002167 日期：2013年3月30日 摘要 由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,以及计算机技术和电力电子器件的不断发展,交流异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。目前广泛研究应用的交流异步电动机调速技术有恒压频比控制方式，矢量控制，直接转矩控制等。本论文中所讨论的异步电动机调速技术叫做空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)。相对于直接转矩控制,它有可连续控制,调速范围宽等显著优点。 本文首先对交流异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述，通过对交流异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，逐步引出了异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。采用MATLAB /SIMULINK软件包,实现异步电动机动态数学模型的仿真。仿真研究显示,该方法简洁、方便、实时交互性强,能充分融合到其它控制系统中,并具有良好地扩展性。 其次阐述了异步电动机电压空间矢量PWM控制技术的原理和矢量变换方法实现的步骤，据交流电机坐标变换及矢量控制理论提出了异步电机在任意同步旋转坐标系下仿真结构图的建模设想,得出了一种按转子定向磁场下的动态结构图,利用该结构图可以方便的构成电机的仿真模型,进行仿真计算。然后运用MATLAB软件搭建模型进行仿真分析，结果表明电机有良好的稳、动态性能。 通过对仿真软件的应用也表明在进行复杂系统设计时运用仿真工具对设计进行仿真分析是行之有效的方法，可以提高系统设计效率，缩短系统设计时间，并能够较好的进行系统优化。经试验表明，空间电压矢量调制的方法正确可行， 可调高电压利用率和系统精度。 关键词：异步电动机；矢量控制；数学模型；仿真 三相异步电机定子绕线方法 交流绕组的构成原则 均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等。 每极槽数用极距τ表示 每极每相槽数（举例） 对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。 如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α。（举例） 电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。（举例） 三、三相单层绕组 ★构造方法和步骤 分极分相: （看图1000-1） 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。； 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。 连线圈和线圈组：（看图1000-2） 将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则 连相绕组：（看图1000-3） 将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。 按照同样的方法构造其他两相。 连三相绕组（看图1000-4） 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 △接法或者Y接法。 ★单层绕组分类 等元件式整距叠绕组（看图1000-3） 同心式绕组（看图1000-6） 链式绕组（看图1000-7） 交叉链式绕组（看图1000-8） 单层绕组主要用于小型异步电动机。 四、三相双层绕组 ★构造方法和步骤（举例：Z1=24,2p=4,整距,m=3) 分极分相:（看图1001-1） 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向； 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。 连线圈和线圈组：（看图1001-2） 根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈） 以上层边所在槽号标记线圈编号。 将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则 连相绕组：（看图1001-3） 将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。 按照同样的方法构造其他两相。 连三相绕组 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 △接法或者Y接法 ★10kW以上的电机主要采用双层绕组 基于Matlab/Simulink异步电机矢量控制系统仿真 一．理论基础 矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC ，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流isα和isβ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流ism和ist。 图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型 从图1-1的输入输出端口看进去，输入为A、B、C三相电流，输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和旋转变换2s/2r，变成一台以ism和ist为输入、ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ism相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，ist相当于与转矩成正比的电枢电流。 按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值，图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。 图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量i sm 和转矩分量i st ，转子磁链r ψ仅由定子电流分量i sm 产生，而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。 图1-3简化后的等效直流调速系统 二．设计方法 1.电流模型设计 转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。本设计采用在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。 由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流i sα和i sβ，在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量 ?? ? ?? ?? ++-=+--=β αβχαβααωψψψωψψψs r r r s r r r i Tr Lm Tr dt d i Tr Lm Tr dt d 11 (2-1-1) 也可表述为： 安徽新闻出版职业技术学院教案 科目电机与拖动技术基础年级15 包装自动化技术 1 班任课教师付学敏第 4 章三相异步电动机 课 题 1、知识方面：了解三相异步电动机的基本结构、理解工作原理、电磁转矩和机械特教 性，理解起动、调速、制动方法。 学 2、德育方面：科学技术就是生产力。 目 3、技能方面：识别三相异步电动机的基本结构。 的 重三相异步电动机的感应电动式和磁动势 点三相异步电动机的工作原理 难三相异步电动机的工作特性 点 挂（ a）简化的三相绕组分布图 图（ b）按星形连接的三相绕组接通三相电源 或（ c）三相对称电流波形图 实（ d）两极绕组的旋转磁场 验 用 具 作 业 本 课 小 结 安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸 导入：三相异步电动机结构简单、制造方便、坚固耐用、维护容易、运行效率高、工作特性好；和同容量的直流电动机相比，异步电动机的 重量约为直流电动机的一半，其价格仅为直流电动机的 l/3 左右；而且异步电动机的交流电源可直接取自电网，用电既方便又经济。所以大部 分的工业、农业生产机械，家用电器都用异步电动机作原动机，其单机容量从几十瓦到几千千瓦。我国总用电量的 2/3 左右是被异步电动机消耗掉 的。 教三相异步电动机的基本结构与工作原理 学过程一、基本结构 三相异步电动机主要是由定子部分（静止的）和转子部分（转动的）两大部分组成，定、转之间是空气隙。另外还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。 （一）异步电动机的定子结构 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。 1.机座 异步电动机的机座主要是固定和支撑定子铁心和绕组。中小型电机 一般采用铸铁机座、大中型电机采用钢板焊接的机座。电机损耗变成的 热量主要通过机座散出，为了加强散热面积，机座外部有很多均匀分布 的散热筋。机座两端面上安装端盖，端盖支撑转子，保持定、转子之间 的气隙值。 2.定子铁心 定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心 的铁损耗，定子铁心用厚的硅钢冲片叠成，硅钢片两面还应涂上绝缘漆，用以降低交变磁通在铁心中产生的涡流损耗。在定子铁心内圆上开有 槽，槽内放置定子绕组 ( 也叫电枢绕组 ) 。 3.定子绕组 异步电机的定子绕组是电动机电路部分。小型异步电动机定子绕组 通常由高强度漆包圆线绕成线圈嵌入铁心槽内；大、中型电机使用矩形 截面导线预先制成成型线圈，再嵌入槽内。每相绕组按一定规律连接， 三相异步电动机结构图解 图1封闭式三相异步电动机的结构 1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子 6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒 异步电动机的结构也可分为定子.转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定.转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为 0.2mm～2mm。 三相异步电动机外形有开启式.防护式.封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式.潜水泵式等。不管外形如何电动机结构 基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。 1.定子部分 定子部分由机座.定子铁心.定子绕组及端盖.轴承等部件组成。 (1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中.小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。 (2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。 (a)直条形式(b)斜条形式 图2 笼型异步电动机的转子绕组形式 (3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间.绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。 (4)轴承。轴承是电动机定.转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 目录 1 引言 (1) 2 异步电动机动态数学模型 (2) 2.1异步电动机动态数学模型的性质 (2) 2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型 (2) 2.2.1电压方程 (3) 2.2.2磁链方程 (4) 2.2.3转矩方程 (6) 2.2.4电力拖动系统运动方程 (7) 2.2.5三相异步电机的数学模型 (8) 3 坐标变化和变换矩阵 (9) 3.1三相--两相变换（3/2变换） (9) 3.2三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 (10) 3.2.1三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程 (11) 3.2.2两相静止坐标系中按定子磁链定向的状态方程 (11) 4 软件介绍及模型实现 (13) 4.1 Matlab/Simulink简介 (13) 4.2模型实现 (13) 4.2.1 Simulink模型设计 (13) 4.2.2模型参数设置 (15) 4.2.3仿真结果 (18) 5 结论 (21) 参考文献 (22) 1 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[1]。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。 5.1 有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50H Z ，满载时电动机的转差率为0.02求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。 n 0=60f/p S=(n -n)/ n =60*50/2 0.02=(1500-n)/1500 =1500r/min n=1470r/min 电动机的同步转速1500r/min.转子转速1470 r/min, 转子电流频率.f 2=Sf 1 =0.02*50=1 H Z 5.2将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调，此电动机是否会反转？为什么？ 如果将定子绕组接至电源的三相导线中的任意两根线对调,例如将B,C 两根线对调,即使B相遇C相绕组中电流的相位对调,此时A相绕组内的电流导前于C相绕组的电流2π/3因此旋转方向也将变为A-C-B向逆时针方向旋转,与未对调的旋转方向相反. 5.3 有一台三相异步电动机，其n N =1470r/min,电源频率为50H Z 。设在额定负载 下运行，试求： ①定子旋转磁场对定子的转速； 1500 r/min ②定子旋转磁场对转子的转速； 30 r/min ③转子旋转磁场对转子的转速； 30 r/min ④转子旋转磁场对定子的转速； 1500 r/min ⑤转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。 0 r/min 5.4当三相异步电动机的负载增加时，为什么定子电流会随转子电流的增加而增加？ 因为负载增加n 减小,转子与旋转磁场间的相对转速( n0-n)增加,转子导体被磁感线切割的速度提高,于是转子的感应电动势增加,转子电流特增加,.定子的感应电动使因为转子的电流增加而变大,所以定子的电流也随之提高. 5.5 三相异步电动机带动一定的负载运行时，若电源电压降低了，此时电动机的转矩、电流及转速有无变化？如何变化？ 若电源电压降低, 电动机的转矩减小, 电流也减小. 转速不变. 5.6 有一台三相异步电动机，其技术数据如下表所示。 试求：①线电压为380V 时，三相定子绕组应如何接法？ ②求n 0,p,S N ,T N ,T st ,T max 和I st ； ③额定负载时电动机的输入功率是多少？ ① 线电压为380V 时，三相定子绕组应为Y 型接法. ② T N =9.55P N /n N =9.55*3000/960=29.8Nm Tst/ T N =2 Tst=2*29.8=59.6 Nm T max / T N =2.0 T max =59.6 Nm I st /I N =6.5 I st =46.8A 一般n N =(0.94-0.98)n 0 n 0=n N /0.96=1000 r/min SN= (n 0-n N )/ n 0=(1000-960)/1000=0.04 P=60f/ n 0=60*50/1000=3 ③ η=P N /P 输入 P 输入=3/0.83=3.61 5.7 三相异步电动机正在运行时，转子突然被卡住，这时电动机的电流会如何变化？对电动机有何影响？ 电动机的电流会迅速增加,如果时间稍长电机有可能会烧毁. 第九章异步电动机的基本结构和运行分析异步电动机也称感应电动机，是工农业生产中应用最为广泛的一种电机。例如，中小型轧钢设备、矿山机械、机床、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品用的加工机械，大多采用异步电动机拖动。与其他电动机相比，异步电动机具有结构简单、坚固耐用、使用方便、运行可靠、效率高、易于制造和维修、价格低廉等许多优点。但是，异步电动机的应用也有一定的限制，这主要是由其调速性能差、功率因数低而引起的。 异步电动机是一种交流电机，它可以是单相的，也可以是三相的。但它的转速和电网频率没有同步电机那样严格不变的关系。本章将分别介绍三相异步电动机的基本结构、工作原理、运行特性以及单相异步电动机的基本结构和工作原理等。 第一节异步电动机的基本结构、分类及铭牌 一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由固定的定子和旋转的转子两个基本部分组成，转子装在定子内腔里，借助轴承被支撑在两个端盖上。为了保证转子能在定子内自由转动，定子和转子之间必须有一间隙，称为气隙。电机的气隙是一个非常重要的参数，其大小及对称性等对电机的性能有很大影响。图9-1所示为三相鼠笼式异步电动机的组成部件。 图9-1 三相鼠笼式异步电动机的组成部件 1．定子 定子由定子三相绕组、定于铁心和机座组成。 定子三相绕组是异步电动机的电路部分，在异步电动机的运行中起着很重要的作用，是把电能转换为机械能的关键部件。定子三相绕组的结构是对称的，一般有六个出线端1U 、2U 、1V 、2V 、1W 、2W 。置于机座外侧的接线盒内，根据需要接成星形（Y ）或三角形（?），如图9一2所示，定子三相绕组的构成、连接规律及其作用将在第二节专门介绍。 图9一2 三相鼠笼式异步电动机出线端 定子铁心是异步电动机磁路的一部分，由于主磁场以同步转速相对定子旋转，为减小在铁心中引起的损耗，铁心采用0.5mm 厚的高导磁电工钢片叠成，最新异步电机数学模型
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