基于matlab的绕线式异步电机仿真分析

' R2 sm
Pem max
' R2 ' 2 ( R1 ) 2 ( X 1 X 2 ) sm
（4
3 220 2
4 2 2 ） （6 6） 0.3162
4 0.3162
w 4.3606kw
（5.17）
最大电磁转矩：
Tem max Pem max 4360.6 N m 41.6406N m 1000 1 2 60
R '2 SN

m1pU 2 X
' （5.19） R2 ' 2 2f1[( R 1 ) 2 ( X 1 X 2 ) ] St
R '2 St
其中调速后的转差率：
st n1 c 6 1000 800 0 .2 n1 1000
（5.20）
带入相关参数，解得：
U X 126.0865 V
中北大学课程设计说明书
c0 = 1.2； c1 = 6 ； c2 =890 ； c3 = 0.02； c4 = 0.06； c5 = 3.6； c6 = 800。
①c2 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。 ②原参数为 c3 = 0.02 ,c4=0.06，c5 = 3.6；按此参数计算得电机额定运行时的效 率仅为 0.415%，严重不符合实际，故将电机的定转子电阻、漏抗和励磁电抗分别改 为 4 、 6 和 150 。
试求：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。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。 根据任务书所列数据，选择如下：
第 3 页 共 17 页
（5.3）
同步转速：
n1 60f1 60 50 r 1000 r min min p 3
（5.4）
额定运行时的转差率：
SN n1 n N 1000 960 0.04 n1 1000（5.）第 4 页 共 17 页
中北大学课程设计说明书 额定电磁功率：
R '2 m1 U SN
2
异步电动机的调压调速原理
图 2.1
改变定子端电压调速时的机械特性
改变定子端电压调速属于改变转差率 s 来实现调速，三相异步电动机在改变定
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中北大学课程设计说明书 子电压 U x 时，由于 n1 不变， Tem ∝ U 2 x ， Sm 不变，故其机械特性如上图所示。由上图 可知通过降低异步电机定子电压可以实现降低电机转速的目的。
2 1
Pem
( R1
' R2 ' 2 ) 2 ( X 1 X 2 ) SN

3 220 2
4 2 (4 ) ( 6 6) 2 0.04 1.3248kw
4 0.04
w
（5.6）
额定总机械功率：
Pmec （1 SN）Pem （1 0.04） 1.3248kw 1.2718kw （5.7）
（3.6）
总机械功率在扣除机械损耗 p mec 、附加损耗 p ad 之后才是由转轴输出的机械功率， 即：
P2 Pmec p mec p ad
（3.7）
能量传递的过程如下图所示：
图 3.2
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 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。
126.0865 A 4 （150 6）j
（5.24）
调速后的定子铜耗：
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中北大学课程设计说明书
p Cu1t m1 I12t R1 3 5.1285 2 4 w 315.6234 w
（5.25）
调速后的电磁功率不变：
Pemt Pem 1.3248kw
3
异步电动机的能量传递
异步电机的等效电路如下图所示：
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 m1 U1I1cos1
（3.1） （3.2）
定子铜耗为
2 p Cu1 m1I1 R1
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：
（5.18）
5.2 调压调速参数计算
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中北大学课程设计说明书 设调压至 U x 可使转速变为 500 r
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：
2 m1pU1
' R2 ' 2 2f1[( R 1 ) 2 ( X 1 X 2 ) ] SN
额定运行时的空载损耗：
P0 p mec p ad Pmec P2 1.2718 1.2kw 71.8248 w （5.8）
调速前的转子铜耗：
p Cu2 SN Pem 0.04 1.3248kw 52.9927 w
（5.9）
额定负载转矩：
TN PN 1200 N m 11 .9366 N m N 2 960 60 Pmec 1271.8 N m 12.6511 N m N 2 960 60 U1 (4 4 2 ) ( 6 6) 2 0.04
' p Cu2 m1I'2 2 R2 sP em
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：
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中北大学课程设计说明书 1 s ' Pmec Pem PCu2 m1I'22 R2 (1 s ) Pem s
4
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' = c3Ω，x1σ = x2σ'= c4Ω，xm = c5Ω，
ki = ke = 0.02，忽略铁耗。
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1
课程设计背景
异步电动机是一种交流电机，也称作感应电机，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，例如用于小水电站，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。转子通常分为笼型和绕线式。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。 然而异步电动机也存在着一些不足：启动电流较大， 会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调节 定子电压调速下的相关参数的数值、获取相应的机械特性以及进行计算机模拟仿真， 对今后的学习和研究能起到一定的启发作用。
（5.26）
调速后的电磁转矩不变：
Temt Tem 12.6511 N m
（5.27）
调速后的转子铜耗：
p Cu2t s t Pemt 0.2 1.3248kw 264.9635 w
（5.28）
调速后的总机械功率：
Pmect (1 st ) Pemt (1 0.2) 1.3248kw 1059 w
2.1014 6.5819 o A
（5.12）
调速前的定子电流：
' I1 I'2 I 0
2.1014 6.5819 o
220 A 4 （150 6）j
2.6895 37.8484 o A
（5.13）
调速前的定子铜耗：
p Cu1 m1 I12 R1 3 2.6895 2 4 w 86.8008 w
2 p Fe m1I0 Rm
（3.3）
P1 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电磁感应而获得的，故称之为电磁功率 Pem ，即：
Pem P1 p Cu1 p Fe m1I'22 R '2 s
（3.4） （3.5）
转子铜耗

126.8065 66 1 tan （ ）A 4 4 2 2 4 （4 ） （6 6） 0 .5 0 .5
（5.23）
4.6990 26.5651o A
调速后的定子电流：
' I1t I'2 t I 0 t
4.6990 26.5651o 5.1285 34.5586 o A