三相感应电机仿真.docx

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1、标准文档三相感应电动机起动动态过程仿真软件的开发及应用实用文案摘 要：本文利用 MATLA琳言强大的计算功能和计算结果可视化功能，对电动机起动动态过程进行 仿真软件的开发，通过对一台投入使用中的电机进行起动动态过程的仿真，并对其结果进行分析。关键词：感应电动机，软件开发，动态仿真Abstract : Using the calculating and consequence visualization functions of MATLAB , this article developed a simulation softwares for start dynamic processes o

2、f motor , simulated dynamic processes for one working motors and analysised the consequences.Key words : Induction Motor , SoftwareDevelopment, Dynamic Analysis随着科学技术的不断发展，电机已成为提高生活效率和科技水平以及提高生活质量的主 要载体之一，这就要求我们对电机的运行特性有进一步的了解与掌握。本文主要针对感应电 动机的起动动态过程进行仿真软件开发及仿真。1仿真软件开发将电机的数学模型与MATLABg言的功能相结合，来编制电机在起动

3、工况下的动态仿真软 件。在simulink中建立感应电机的仿真模型，随后在MATLAB勺工作空间调用龙格-库塔函数， 即可得到电机在起动条件下的仿真结果，再应用 plot（）命令，得到感应电机的起动仿真曲 线。仿真程序流程图如图1所示。对仿真软件的开发，主要可分为以下几个步骤：1.1参数的选定为了编制程序的方便（包括界面可视性效果）及验证程序的正确性，首先选定一台由我 公司制造的已知电机作为原型机，用其参数进行仿真软件的开发及模拟。输入的参数包括：额定功率 Pn =1800 KW额定转速nN =1491r/min ,定子绕组接线系 数k = 0 （星接），定子绕组相电阻Rs = 0.08999

4、。，转子绕组相电阻Rr = 0.10999 0 ,定子绕组相漏抗 Xls = 0.0858夏,转 子 绕组相漏抗X. =0.1405Q，定子绕组激磁电抗Xm = 3.2895Q ,转子外径 D2 =0.65m,铁芯长 Lt =0.83m ,转动惯量 Jm =113.4Kg m2,旋转阻力系数 Roma =0.0225 N m s / rad ,定子 绕组每相串联匝数 O1 =180 ,定子绕组系数K01 = 0.936 ,转子槽数Z2 =47 ,电机极对数 p = 2 ,额定电压 U N = 6000V ,频率 f =50Hz。输出的数据包括：不同的时间t时，定、转子的三相电流iA、iB、iC

5、、ia、ib、ic ;转 aac子导条电流、电机转速及电磁转矩等数据。图1仿真程序流程图1.2 仿真时长的确定一般电机在起动后的0.2s内就会进入稳态运行状态，所以本文将仿真时长定为0.5s ,来分析电机的动态变化过程曲线。1.3 状态变量初值的确定设t =0时电动机的定子三相绕组同时投入电网，定转子各相电流的初值均为0,电动机从静止开始起动，负载转矩Tl=0o1.4 积分步长的确定由于四阶龙格-库塔法计算精度较高，稳定性较好， 计算量适中，且已经有不少可以利用 的专用软件，所以本文采用了四阶龙格-库塔法来进行。选定的积分步长都为 0.0001s。 1.5绘制曲线仿真程序运行结束之后在 MAT

6、LAB勺工作空间(workspace)中会存放所有的仿真数据。本文将所有状态变量在每一个积分步长内积出的结果按时间顺序存放在相应的数组中，这样 就可以方便的绘制出所有状态变量随时间变化的曲线和任意两个状态变量之间的变化曲线。根据感应电机起动动态过程及仿真所需输入和输出的相关参数等，利用MATLAB言的强大功能及界面可视化优点，将电机动态分析的仿真界面设计成如图2所示：标准文档如图2所示的界面中，起动动态过程中的输出曲线包括了定子绕组相电压和时间，定子 绕组相电流和时间，转子绕组相电流和时间，转子导条电流和时间，电机转速和时间，电磁 转矩和时间，电磁转矩和转速这七个方面的关系曲线。图2感应电机起

7、动过程动态分析的输入界面2起动动态过程的仿真选才 1台由我公司生产的样机进行分析，输入的参数同 1.1。t = 0时刻电动机的定子三相绕组同时投入电网，定、转子各相电流的初值均为零，电 动机从静止开始起动，负载转矩 Ti=0o不计铁心的磁饱和和与转子导体中的集肤效应，即认 为电机的参数均为常值，电网电压亦为给定。将原动机的参数按要求输入起动过程的界面中， 取步长为0.0001s,时间终值为0.5,由于笼型转子是自行短路，转子转角的初值可设为零， 其余初值均取为零。利用四阶龙格-库塔法，通过开发的软件即可算出电动机的动态起动过程, 并得到变化曲线。由于定子绕组直接与电网相连，绕组的相电压为电网给

8、定的相电压，且电机的绕组三相 对称。定子绕组的A、B、C三相的相电压幅值相等，相角互差 120。感应电机在起动时, 对电网呈现短路阻抗Zk ,通过感应电机的等效电路，并忽略励磁支路，则感应电动机的定子 侧起动电流（相电流）%为：_U_U_st &R + Rrf + ( X(2叹 2 ZK 感应电机在直接起动时，由于Zk的标幺值ZJ较小，一般只有0.140.25 ,而电压的标幺值U*=1。所以，冲,即起动电流1ST约为额定电流的47倍。随着电机的转速的不断提高，对电网弱血管抗4 Z7也增大，所以起动电流也逐渐减小，经过短暂的振荡后成较小值正弦波动，直到稳定，即为额定电流In。定子绕组的B、C相的

9、相电压、相电流的幅值与A相相等，只是相角与A相差120口和2401且A、B、C各相的相电流5000 4000 3000-4000与对应相的相电压相角相等。如图 3所示。)2000V 1000电相 0 组绕-1000 子 定-2000实用文案-3000图3定子绕组相电压、相电流和时间曲线当感应电机的定子接到三相电源上时，定子绕组上将流过三相对称电流，气隙中将建立 形成基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速决定于电网频率和绕组的极对数:ni60 fP(2.2)这个基波旋转磁场在短路的转子绕组中感应产生电动势E ,并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用，产生电磁转矩

10、。在电源接通初期，转子转速很 小，也即转差率s很大。转差率s是描述转速引入的量，转差率s为同步转速n1与转速n之差对 同步转速r的比值。(2.3)n1 -ns =ni在转子绕组中感应电动势E = BLV ,其中B为气隙中的磁通，与气隙的磁势有关，当输入 电源一定时，则电机气隙中的磁通也为定值；L为电机转子的在气隙磁场中的有效长度，也为定值；V为转子导体相对气隙中旋转磁势的相对转速，即为 V = n1-n,可化为V = sMn。 所以，在电源接通初期，由于转子转速很小，相应的转差率很大，所以，转子中的感应电动 势相应较大，则转子中的电流也较大；随着电磁转矩的进一步作用，转子的转速继续增大， 转差

11、率相应减小，感应电动势减小，则转子中的电流不断减小；当转子的转速增大到接近同 步转速n1时，转差率很小，转子与气隙中的旋转磁势相对转速也很小，感应电动势也较小， 所以感应电流也很小，接近为零。但转子仍受到电磁转矩的作用，转速还会继续增大，然而， 当转速增大到与同步转速 R相等时，转差率$=0即丫=$父口 = 0,所以感应电动势E也为零， 电磁转矩也为零，转子没有受到感应转矩的作用，转子转速n将减小，此时，转子与旋转磁场出现相对运动，立即产生感应电动势，同时产生相应的感应电流，电流与旋转磁场相互作 用，也同时产生电磁转矩，使电机转子转速 n提高，直到同步转速然后再减小。如此反 复。因此，电机转子

12、绕组中的电流无限趋近于零，却不等于零。转子绕组相电流与时间关系 曲线如图4所示：200015001000)5000实用文豪 子-500 转-1000-1500标准文档61图4电机起动时转子绕组相电流与时N04X 10543 2 矩转磁电在投入电网的初期阶段，由于气隙旋转磁场和转子的转场f00.10.20.30.40.50.60.7的绕组上产生感应电动势，并由感应电动势产生感应电流，此瞬间感应电动势与感应电流同向，设为正方向。且气隙磁场和转子绕组上感应电流互相作用，产生正向电磁转矩Teo然而,气隙旋转磁场的同步转速以远远大于转子的转速n ,当气隙旋转磁场超过转子旋转过一定角 度，在转子的同一绕组

13、上就可能形成负的感应电动势。由于电动势的变化为瞬态的，而转子 绕组却为感性元件，电流不能在瞬间变为零并且改变方向，所以电流逐渐减小，仍然为正，感应电动势和感应电流的方向出现不一致。此时，气隙磁场和转子绕组上的感应电流相互作 用产生总体的电磁转矩将减小，甚至可能出现反向的电磁转矩。随着转子转速不断增大，转 差率不断减小，旋转磁场在转子的同一绕组上形成的感应电动势逐渐稳定，包为正或恒为负。因此，转子绕组和气隙磁场互相作用形成的电磁转矩也逐渐趋于稳定，围绕着某一正的平均值，电磁转矩有一较大的由定子电流中的瞬态直流分量所引成的50 Hz振荡，然后振荡逐渐衰减。对于对称三相电动机，虽然定子各相直流瞬态分

14、量的大小与合闸瞬间有关，但是总体来 看，它们所形成的空间向量的幅值却与合闸的瞬间无关，因此，电磁转矩的振荡幅值亦与合 闸瞬间无关36。由于转子转速的不断增大，转子与气隙磁场的相对转速不断减小，转子绕 组上的感应电动势也不断减小，因此转子绕组上的相电流逐渐减小，电机的电磁转矩也不断 减小，最终会趋于零，但却不能为零。如图5所示图5电机起动时电磁转矩与时间关系曲线综合电机的转子电流和电磁转矩的动态曲线分析可知，电机的转速受到电磁转矩的作用，定子电流、转子绕组电流的影响，转子转速从零开始加速。电机的加速转矩Ta应为电机的电磁转矩Te减去空载起动转矩T。，即： _2d1GD 2二 dna e 0 dt

15、 4 g 60 dt（2.4）2 其中J为机组的转动惯量，为常数，GD为机组的飞轮矩，也为常数。因为空载时电机的空载转矩比电磁转矩小得多，To可以忽略不 计，式(2.4)可化为：2 _GD 2二 dndn(2.5)Ta -5 Te =二 K4g 60 dtdt由式(2.5)可以看出电动机转速的加速度与电磁转矩成正比。所以起动初期，电机的电磁转矩很大，电机转速加速度也很大，电机的转速迅速增大；随后，电磁转矩逐渐下降，电机 转速加速度也下降，电机逐步趋于稳定，达到额定转速 nN =1490r/min )。其转速与时间动 态曲线如图6所示。4实用文案转子转速和时间关系曲线图6电机起动时电磁转矩、3结

16、语本文利用MATLABg言对感应电机的起动动态过程进行了软件开发。针对感应电机的起动 动态过程，进行了仿真软件的编制，并利用 MATLAB勺GUI功能进行了人性化的界面设计，增 强了软件的可操作性及实用性。通过实例仿真电机的动态起动特性，验证了仿真软件的正确性，为电机制造部门和使用 部门分析三相感应电机的动态特性提供了一个有力的工具。参考文献1凌岳伦，王勉华.电机技术2010年第2期（基于ANSOFTF关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究）2喻多祥，刘以建.电机技术2009年第1期（基于s-fuction 的永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究）3李岩，苏学军，钱罗珍.MATLAB在同步电机动态分析中的应用.青岛大学出版社，2001.4陈文纯.电机瞬变过程.北京：机械工业出版社，1982.5汤蕴珍.交流电机动态分析.北京：机械工业出版社，2004.6刘瑞叶，任洪林，李志民.计算机仿真技术基础.北京：电子工业出版社，2004.