电机学课程设计-华中科技大学

学号U200912039
专业班号电气0910
姓名刘浩田
指导教师杨凯
日期2011年12月30日报告成绩
一、设计题目
一台绕线式异步电动机，Y/y 连接，已知数据为：额定功率P N =
120kW ，f = 50 Hz ，2p =4，U n = 380 V ，n N = 1440r/min ，R 1 =0.02Ω，
R 2 ‘=0.04 Ω，x 1σ = x 2σ’=0.06Ω，x m = 3.6Ω，k i = k e = 0.02，忽略铁耗。

试求：
若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到1000 r/min ，采用转子绕组串电阻调速，计算电阻及其它参数，做出机械特性图，分析能量的传递。

用Matlab 中的SIMULINK 设计调速仿真模型(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。

二、设计过程
1.原理描述
交流电动机调速的主要理论依据是： ()()
160f
n n 1s p 1s =-=-
式中： f ： 电源频率
P ： 电动机的极对致
s ：转差率
要实现调速主要就是通过改变上述三个参量f 、p 、s ，本次设计要阐述的串电阻调速属于改变转差率调速中的一种。

该方案主要原理就是在电动机转子侧串接不同阻值的电阻，使得电动机运行在不同的给定特性曲线上（如下图1）。

其主要优缺点在于：
1 ．对电网的容量、电压波动等要求不高；
2 ．起动特性较好，可以控制起动电流，但不影响起动转矩；
3 ．控制方案简便易行，系统造价较低，前期投入小；
4 ．有级调速。

电阻设计一旦确定，则速度档不易改变；
5 ．低速时，机械特性较软。

转速受转矩变化影响很大，效率较低。

图1 绕线式异步电动机转子串电阻调速的机械特性
2.参数计算
绕线式异步电动机T形等效电路如下
图2绕线式异步电动机T 形等效电路图
转子电感 1110.06
0.0001912100s x L H f σππ
=
== 定子电感 ''
2110.06
0.0001912100r x L H f σππ
===
励磁电感 1 3.6
0.01152100m m x L H f ππ
=== 额定负载转矩 N n N P 120000
T 795.8m 2n 21440
6060
N ππ=
==⋅⨯
同步转速 0160/6050/21500/min n f p r ==⨯= 额定转差率 N 15001440
s 0.041500
-=
=
调速前的电磁转矩 '
2211
em '
2'221112R m pU
s T R
2f [(R )(X X )]
s
σσπ==+++876.3N m ⋅ 调速后的转差 1150010001
s 15003
-==
要求为恒转矩调速，则有：
''22N 1
R R R s s Ω
+=
由上式可得 'R 0.29Ω=Ω
转子串电阻过程中，只要负载转矩不变，电机的定、转子电流也不变，在串电阻调速过程中，电机电流均为额定电流。

转子电流：
2
210.14
I A
'===；
'
60.11
I A
===
定子电流：''
102
218.56 5.536
I I I A
=+=∠-。

3.机械特性图
下面用matlab画出其机械特性图：
编程如下：
>> s=0.01:0.01:0.99;
>> p=2;m1=3;
>> u=380/sqrt(3);
>> f=50;
>> R1=0.02;
>> R2=0.04;
>> X1=0.06;
>> X2=0.06;
>> Tem=p.*m1.*u.^2.*R2./s./2./pi./f./((R1+R2./s).^2+(X1+X2).^2);
>> plot(Tem,s);
>> ylabel('转差率s');
>> xlabel('电磁转矩Tem/N*m');
>> Tem1=p.*m1.*u.^2.*(R2+0.29)./s./2./pi./f1./((R1+(R2+0.29)./s).^2+((X1+X2)).^2);
>> hold on;
>> legend('调速前','调速后');
图3 调速前后的机械特性
4.能量传递分析：
调速前的电磁功率 02/60132.1em em P T n kW π=⨯= 损耗为 132.112012.1p kW ∆=-= 调速后电磁功率不变，输出功率
212/60795.821000/6083.34N P T n kW ππ=⨯=⨯⨯= 调速后损耗 '132.183.3448.76p kW ∆=-=
下面分析损耗去向：
调速前：
定子铜耗： 2
1111 5.73cu m I R kW p ==
转子铜耗： 2221223*210.14*0.04 5.3Cu P m I R kW ''=== 电磁功率： 132.1emN P kW =；
500
1000
1500
200025003000
3500
4000
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91转差率s
电磁转矩T em/N*m
总机械功率：(1)0.96*132.1126.8mec emN P s P kW =-==；
忽略铁耗，总输入功率：11 5.73132.1137.83Cu emN P P P kW =+=+=； 空载损耗： 02126.8120 6.8mec ad mec N P p p P P kW =+=-=-= 调速后：2I '、'0I 、定子电流、定子铜耗、电磁功率都不变 定子铜耗不变： 2
1111 5.73cu m I R kW p ==
电磁功率不变：132.1emN P kW =；
转子铜耗增加：21132.144.033
Cu emN P s P kW =⋅=⨯=； 总机械功率减少：2(1)*132.188.073
mec emN P s P kW =-==； 忽略铁耗，总输入功率不变：11137.83Cu emN P P P kW =+=； 空载损耗减少：0288.0783.34 4.73mec ad mecN P p p P P kW =+=-=-=
转子串电阻调速，由于等效电路不变，从定子传送到转子的电磁
功率不变，但机械功率m P 和铜耗2Cu P 却发生了变化： 2(1)em mec Cu em em P P P s P sP =+=-+
转速越低时s 越大，那么机械功率部分m P 变小，而转子铜耗2Cu P 增大。

所以这种调速方法在低速运行时，损耗大，效率低，不宜长期运行。

5．Simulink 仿真：
图3 绕线式异步电机串电阻调速模型 图中封装模块为
图4 绕线式异步电机串电阻调速模型图中封装模块为
图5封装模块图
电机参数设置如下
图6 电机参数设置
仿真后示波器结果为：
图7 仿真结果
从上到下，依次为转子电流、定子电流、转速、转矩em T的波形图。

放大图如下：
图8 转子电流和定子电流放大图
我们可以从上图8得到0.5280198*2r A A I ≈≈, 0.5300212.2*2s A I ≈≈A
图9转速和转矩放大图
从上图可知，在t=1.0s 时，转速从1440r/min 下降到1020r/min ， 转矩em T 保持在801N*m 。

6.结果
由仿真结果可知，转子串入电阻后，转速从1440r/min下降到1020r/min，转子电流先变小再增大，周期变小，频率升高；定子电流大小不变，频率不变；电磁转矩先下降再上升，稳定在原电磁转矩大小，实现恒转矩调速。

三、设计总结
本次设计采用绕线式异步电动机转子电路外串电阻的调速方法，不可否认，其在运输起重机械、冶金机械和鼓风机等场合有很广泛的应用，这种调速方法具有调速线路简单, 初投资小的优点,但其一个很大的缺点是经济性不高,转子外串电阻的能耗大, 转速越低,外串电阻的数值就越大, 电机效率也越低。

如果能够找到降低能耗的方法其应
用必将更广泛。

这次课程设计距上电机课过了一个寒假，如果没有这次课程设计，所学的电机知识可能很快就会忘掉很多。

通过做这个课程设计，课本知识得以巩固和加强，我对绕线式异步电动机的调速方法、异步电动机的能量传递了解进一步加深。

在做这个设计中，由于要用Simulink 仿真，对matlab中各元器件的名称不是很熟，得到了其他同学的帮助，在这里，非常感谢老师和同学的帮助！
参考文献:
（1）电机学/辜承林陈乔夫熊永前编/华中科技大学出版社/ 2005
(2) MATLAB电机仿真精华50例/ 潘晓晟，郝世勇编/ 电子工业出版社/ 2007。