1、异步电动机工作特性仿真摘 要文章首先详细介绍了异步电动机的工作原理、特点以及异步电动机的工作特性，再运用MATLAB来分析异步电动机特性。用MATLAB绘图函数绘制三相异步电动机的特性曲线， 利用MATLAB/SIMULINK进行仿真，其中包括：三相异步电动机的机械特性仿真；三相异步电动机的启动特性仿真；三相异步电动机的调速特性仿真和三相异步电动机的制动特性仿真。论文分四大部分，第一对电机的应用发展始做了相关的描述。第二对异步电动机的结构和原理做了详细的介绍，通过对异步电动机结构的了解，为异步电动机工作特性仿真做基础。第三，对MATLAB仿真软件的发展始、基础知识等做了相关介绍，尤其对SimP
2、owerSystems做详细阐述，在Simulink的仿真中，主要是运用到SimPowerSystems里的相关模块。第四，绘制出三相异步电动机的特性曲线，利用MATLAB调试出仿真结果关键词：机械特性；起动特性；调速特性；制动特性；MATLABABSTRACTThe article first in detail introduced asynchronous motors principle of work， the characteristic as well as asynchronous motors operational factor，analyzes the asynchron
3、ous motor again using MATLAB，draws a chart the function with MATLAB to draw up three asynchronous motors characteristic curve，carries on the simulation using MATLAB/SIMULINK，including: Three asynchronous motors physical characteristics simulation; Three asynchronous motors start characteristic simul
4、ation; Three asynchronous motors velocity modulation characteristic simulation; Three asynchronous motors brake characteristic simulation.An entire chapter paper minute four major part， the first pair of electrical machinerys application development beginning has made the related description. The se
5、cond pair of asynchronous motors structure and the principle have made the detailed introduction， through to the asynchronous motor structures understanding， is used as the basis for the asynchronous motor operational factor simulation. Third， to the MATLAB simulation softwares development beginning
6、， the elementary knowledge and so on did introduced related， especially made the detailed elaboration to SimPowerSystems，in the Simulink simulation，was mainly utilizes in SimPowerSystems the related module. Fourth，draws up the three-phase asynchronous motors characteristic curve，debugs the simulatio
7、n result using MATLAB.Key words： Physical characteristics; Starting characteristic; Velocity modulation characteristic; Brake characteristic; MATLAB 第一章 绪论 11.1 引言 11.2 选题的背景与意义 11.3 本文的结构 2第二章 异步电动机 32.1 异步电动机的特点 32.2 三相异步电动机的原理 3第三章 MATLAB 53.1 MATLAB 背景和基本知识 5 3.1.1 MATLAB 背景 5 3.1.2 MATLAB 基本知识
8、63.2 Simulink 概述 73.3 SimPowerSystem 83.1.1 SimPowerSystem 简介 8 3.1.2 Simulink和MATLAB集成 9 3.1.3 仿真和分析 9第四章 三相异步电动机工作特性仿真 104.1 三相异步电动机的机械特性仿真 104.1.1 三相异步电动机的机械特性 104.1.2 三相异步电动机的机械特性程序设计 114.1.3 三相异步电动机机械特性仿真结果 124.2 三相异步电动机的起动特性仿真 134.2.1 三相异步电动机起动特性曲线 134.2.2 三相异步电动机直接起动仿真模型 154.2.3 三相异步电动机直接起动仿真
9、结果 154.3 三相异步电动机的调速特性仿真 164.3.1 三相异步电动机调速方法 164.3.2 三相异步电动机调压调速仿真模型 164.3.3 三相异步电动机调压调速仿真结果 164.4 三相异步电动机的制动特性仿真 174.4.1 三相异步电动机的能耗制动特性 174.4.2 三相异步电动机能耗制动仿真模型 184.3.3 三相异步电动机能耗制动仿真结果 19第五章 结论 20致 谢 21参考文献 22第一章 绪 论1.1引言电能是现今社会最主要的能源，在电能的应用中，电动机起着关键的作用。在机械工业、冶金工业、化学工业、交通运输及日常生活等方面，电动机将电能转化为机械能，为各种工作
10、机械提供动力。目前，异步电动机特别是三相异步电动机的应用非常广泛，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，其电机容量从几十瓦到几千千瓦。据统计，我国总用电量的2/3左右是被异步电动机消耗的。近年来，异步电动机已逐步替代直流电动机，成为电力拖动领域中最重要的动力装置。与其他电机相比，异步电动机以其结构简单，运行可靠，效率高，制造成本低，坚固耐用等诸多优点成为使用最广泛的电动机。随着控制理论的不断发展，控制技术和电力电子技术的不断进步，异步电动机已经克服了诸多使用中的问题，成为使用越来越广泛的拖动元件，并与其他元件一起构成性能优异的电力电气拖动系统。在科学研究和工程应用的过程中
11、，往往需要大量的数学计算，传统的纸笔和计算机已经不能从根本上满足海量计算的要求，一些技术人员尝试使用Basic，Fortran；C/C+等语言编写程序来减轻工作量。但编程不仅仅需要掌握所用语言的语法，还需要对相关算法进行深入分析，这对大多数科学工作者而言有一定的难度。与这些语言相比，MATLAB的语法更简单，更贴近人的思维方式。用MATLAB编写程序，犹如在一张演算纸上排列公式和求解问题一样高效，因此被称为“科学便笺式”的科学工程计算语言。1.2 选题背景与意义电动机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的一个很重要的基础，可称为电器化、自动化的心脏。电动机的发展与电能的发展紧密的连在一
12、起，电能是是现今社会最主要的能源，是现代工农业生产、交通运输、科学技术和日常生活等最常用的一种能源。电动机是与电能的生产、传输和使用相关的最重要的能量转换设备，不仅是工业、农业和交通运输业的重要设备，而且在日常生活中包括各类加电在内的应用也愈来愈广泛。电动机、变压器是电力工业的主要设备。在发电厂，发电动机将热力、水力、化学能、核能、风力、太阳能转换为电能；在电能远距离传输前，升压变压器把大型发电动机发出的低电压的交流电转换成高电压的交流电；而在供给用户使用前，来自高压输电网的电能经过降压变压器降压后再供给用户才能安全使用。变压器在经济地传输和分配电能过程中起了很大的作用。因此，在电能的生产、传
13、输和分配过程中，发电动机和变压器起着重要作用。而在电能的应用中，电动机起着关键的作用。在机械工业、冶金工业、化学工业、交通运输及日常生活等方面，电动机将电能转换为机械能为各种工作机械提供动力。电力拖动系统容易控制，能够获得控制系统所需的各种静态特性和动态特性，具有良好的起动、制动性能和较宽的调速范围，特别是便于实现自动控制，所以当今自动控制系统都采用电动机作为原动机。随着新型电动机、大功率半导体器件、大规模集成电路的发展和计算机技术的应用，电力拖动系统的品种、质量和性能都有了进一步的提高，以全数字式的三相永磁同步电动机伺服系统、三相异步电动机伺服系统和直流电动机伺服系统为代表的新型电力拖动系统
14、的出现，带动了数控机床、工业机器人、交通运输、航空航天及家用电器等的一系列高质量、高性能的、以电力来拖动的机电一体化高科技产品的迅速发展，工业、农业、国防等各部门都要求有性能更好的新型电动机，以满足各种不同的要求。随着MATLAB软件的推出与发展，该软件强大的计算能力和完善的电力系统模型使得异步电动机的仿真问题变得简捷而准确。本文通过编写相关程序、绘制仿真模型，分析了异步电动机，对比仿真与试验结果，证明MATLAB的仿真模型能够满足实际电力系统研究的需要，结果比较理想工作特性曲线。本次毕业设计的研究对象是异步电动机中最基本的工作特性曲线，运用仿真界著名的MATLAB软件对它的不同状态的工作特性
15、进行仿真，起到节约实际成本，减少认为因素的干扰，最大限度的使我们对三相异步电动机有更深层次的运用和探讨，为今后的真实现场操作以及电动机以后的发展方向起到非常深远的意义。并且通过此次的设计研究，可以让MATLAB在工业设计、调试中发挥出它更强大的实际效果。1.3本文的结构本课题借助MATLAB7.0软件，对三相异步电动机工作特性进行仿真。全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章 扼要地介绍了本课题的选题背景、意义与研究现状。第二章 对三相异步电动机的原理、特点进行与设计相关的介绍。第三章 对MATLAB语言系统进行介绍。第四章 运用MATLAB来分析异步电动机，用MATLAB绘图函数绘制三相异
16、步电动机的特性曲线， 利用MATLABSIMULINK进行仿真。得到三相异步电动机机械特性、起动特性、调速特性、制动特性仿真图。 第五章 小结。第二章 三相异步电动机2.1异步电动机的特点三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。定子绕组成接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又产生电磁转柜（即异步转柜），使电动机旋转。异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电动机相比，异步电动机的结构简单，制造、
17、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电动机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等
18、）不如用同步电动机合理。2.2三相异步电动机的原理异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式（鼠笼式异步电动机）、绕线式异步电动机。三相异步电动机主要由定子、转子和气隙三部分组成。定子主要由定子铁心和定子绕组组成，定子铁心一般由0.5mm厚的硅钢片冲制叠成，目的是为了减少铁心损耗。定子绕组由三个完全相同的、在空间互差120电角度安放的对称绕组组成，用来产生三相对称的电动势和旋转磁场，三相对称绕组可以连接成Y形或形。三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转
19、磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、
20、变频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。 旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n
21、。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。第三章 MATLAB3.1MATLAB背景和基本知识3.1.1 MATLAB背景在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库.在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler在
22、给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵(matrix)和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天，Cleve Moler到Standford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师John Little。John Little敏锐
23、地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景.同年，他和Cleve Moler，Steve Bangert一起，用C语言开发了第二代专业版.这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类.一类是数值计算型软件，如MATLAB，Xmath，Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软Mathematica，Maple等，这
24、类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算，文字处理，可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争，MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学
25、科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB 4.0版、1995年推出4.2C版（for win3.X）、1997年推出5.0版、1999年推出5.3版。MATLAB 5.X较MATLAB 4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3.0或IE 4.0及以上版本，Acrobat Reader中可以方便地浏览。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大的
26、大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。3.1.2 MATLAB基本知识MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理计算系统环境，除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业
27、水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多.MATLAB是国际公认的优秀数学应用软件之一。概括地讲，整个MATLAB系统由两部分组成，即MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能.MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句，函数，数据结构，输入输出及面向对象等特点的高级语言，它具有以下主要特点。（1）运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高，MATLAB除了提供和C语言一样的运算符号外，还提供广
28、泛的矩阵和向量运算符.利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能。 （2）既具有结构化的控制语句(如for循环，while循环，break语句，if语句和switch语句)，又有面向对象的编程特性。（3）图形功能强大.它既包括对二维和三维数据可视化，图像处理，动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以修改图形及编制完整图形界面的，低层次的绘图命令。（4）功能强大的工具箱.工具箱可分为两类:功能性工具箱和学科性工具箱.功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能.而学科性工具箱是专业性比较
29、强的，如优化工具箱，统计工具箱，控制工具箱，小波工具箱，图象处理工具箱，通信工具箱等。（5）易于扩充.除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加入自己的文件，它们可以与库函数一样被调用.MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本数据结构是矩阵。正如其名“矩阵实验室”，MATLAB起初主要是用来进行矩阵运算的。经过MathWorks公司的不断完善，时至今日，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。MATLAB提供了一种科学工程计算的高级语言，是进行数据分析算法开发的忌辰开发环境。MATLAB7针对编程环境、代
30、码效率、数据可视化、数学计算、文件I/O等方面进行了升级，概括起来有以下几个方面。（1）窗体：重新设计的桌面环境，针对多文档界面应用提供了简便的管理和访问方法；增强 数组编辑器和工作空间浏览器的功能；增强了M文件编辑器，支持多格式源代码分析。（2）编程：支持创建嵌套函数和匿名函数功能，同时增强了模块化注释的功能。（3）数学：支持整数的算术运算和单精度数学类型运算，使用了Qhull2002.1。（4）图形：新的图形窗体界面和图形窗体注释，同时使用了数据侦测工具，提供了丰富的数据观测手段。（5）接口：新增文件I/O函数，使得具有压缩功能的MAT文件格式具备了支持快速数据文件I/O的能力；支持COM
31、、VBS、SOAP、FTP和Unicode编码格式。（6）仿真：Simulink6.0改善了性能，针对大规模的系统开发进行了性能优化。许多工具箱都得到了升级的同时，在Release 14中添加了学多新特性。3.2 Simulink 概述Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的
32、第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。3.3 SimPowerSystem3.3.1 SimPowerSystem简介SimPowerSystem 是在 Simulink环境下进行电力电子系统建模和仿真先进 工具。作为一款电力电子系统的建模和仿真工具，它为发电输变电系统和电力分配计算方面提供了强有力的解决方法，尤其是
