基于MATLAB的三相异步电动机的软起动仿真与特性的研究

基于MATLAB的三相异步电动机的软起动仿真与特性的研究

：对三相异步电动机的起动特性进行了分析，选用MATLAB 作为仿真软件，并提出了软起动措施，设计方案合理，在很大程度上改善了电机的性能，实用性很强。

：MATLAB、异步电机、软起动

Abstract: This article analyses the start-up characteristic of three-phase asynchronou s motor,using MATLAB as simulating software,propose the soft starting way.Practical result shows,the designing project is reasonable,improving the performance of the three-phase as ynchronous motor to a considerable degree,with high reliability and good practicability.

Key words: MATLAB、asynchronous motor、soft starting

1引言

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。它在电网条件(电机启动时的电网压降小于10%)和工艺条件(启动转矩满足)允许的情况下，可以直接启动。但过大的启动电流给电机和电网造成了极大的危害。

电机启动电流达到额定电流的6--7倍时，线圈发热量是电机在正常运行时的36--49倍。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(特别是转子常利用趋肤效应现象，降低启动电流，转子铜条在启动时，表面的温度达到350℃以上)的使用寿命。

2异步电动机起动工程原理分析

异步电动机运行过程是一个高阶非线性、强耦合的多变量系统，对其进行起动性能的仿真分析，不可避免地要进行矩阵的积分运算。传统的计算机编程语言，如fortran、C语言编出的程序冗长，调试费时，大部分时间和精力都花在矩阵的处理和图形生成上。虽然可以用Pspice来实现电子电路仿真，但由于其传递函数不足，因而在涉及复杂算法的仿真中(如电气传动系统)许多环节都要用简化传函表示，不但忽略了许多重要环节，而且仿真精度不高，而被誉为第四代计算机语言的Matlab，是以不定维矩阵运算为基础的科学计算软件，它很好地解决了矩阵的各种运算和图形处理，并提供了丰富的、常用的内部函数和各种仿真算法，提高了仿真精度。本文根据其上述特点并利用它的simulink仿真工具建立了一个通用的电机动态仿真模型，并把它应用到异步电动机起动过程的分析中，对电机的设计和防护具有较高实用价值。

在研究异步电动机起动特性时，文献给出了异步电动机在同步恒速旋转系统下的数学模型，该模型能真实地反映电机内部的实际物理过程：

3异步电动机在,,坐标系统下的数学模型

(1)定子方程为：

(2)转子方程为：

式中,分别代表轴，轴;下标1，2分别代表定子和转子;代表转子相对于轴，轴的旋转电角速度;,，分别代表电压、电流、磁链;,分别代表定、转子电阻。

(3)定子磁链方程为:

(4)转子磁链方程为：

式中：,分别为定、转子自感;为定、转子间互感。

(5)电磁转矩方程为：

式中为电机极对数;为电磁转矩

(6)运动方程为：

式中为负载转矩为电机转动惯量;为电机电角速度。

4异步电动机Simulink仿真模型的建立

4.1 异步电动机的直接起动仿真模型

使用Simulink建立三相异步电机的直接起动仿真模型，测取三相异步电机直接起动过程中的转速、电磁转矩和电枢电流的变化规律。其仿真模型包括三相异步电动机模块(Asynchronous Machine)、电源模块(Power source)、断路器模块(Circuit breaker)和测量模块(Machine measurements)等。电动机参数为：150kw，400v，50Hz，1487rpm。

图1：三相异步电动机直接起动时的仿真波形

图2、图3、图4、图5为三相异步电动机直接起动时转速、电磁转矩、定子电流、转子电流的波形。

图2 电机直接起动转速波形

图3 电机直接起动电磁转矩波形

图4 电机直接起动定子电流波形

图5 电机直接起动转子电流波形

4.2 异步电动机利用晶闸管进行软起动的仿真模型

利用MATLAB 中的Simulink 工具建立的异步电动机软起动控制系统仿真模型如图所示：包括三相交流电源晶闸管触发器双向晶闸管异步电动机相电流有效值计算子系统软起动触发角PI调节器，子系统及测量器显示器和示波器等其中晶闸管触发器，双向晶闸管相电流有效值计算模块软起动触发角PI调节器，封装好的子系统模块可从Simulink常用模块库(simulink)和电力系统模块库(power systems bloc kset)中获得。电动机参数为：150kw，400v，50Hz，1487rpm。给定初始触发角为100°，电机负载率为20%额定负载模型建立好后设置仿真参数对此模型的解法选择变步长ode15s法(可变阶次的数值微分公式算法属于多步阶法) 其他值采用缺省参数这样就可进行仿真。

图6：三相异步电动机软起动时的仿真波形

图6 三相异步电动机软起动时的仿真波形

图7、图8、图9、图10为三相异步电动机软起动时转速、电磁转矩、定子电流、转子电流的波形。

图7 电机软起动转速波形

图8 电机软起动电磁转矩波形

图9 电机软起动定子电流波形

图10 电机软起动转子电流波形

图11显示了用有效值表示的直接起动和软起动过程中的相电流变化情况。由图11可见直接起动时的瞬时冲击电流很大，这对电机本身拖动设备及电网都造成冲击。而软起动时的起动电流以一定的速率平稳地增加当增大到设定的电流限定值500A时保持恒定直至起动结束避免了瞬时冲击电流给电机本身拖动设备及电网带来的不利影响。

图11：直接起动和软起动相电流有效值的包洛线

图11 直接起动和软起动相电流有效值的包洛线

5结论

利用Matalab软件的Simulink功能建立的异步电动机通用动态仿真模型，具有直观、方便、灵活的特点。充分发挥了Matalab的强大矩阵运算功能及绘图方便和直观生成模型的优势，使得仿真运算更加方便、快捷，提高了效率和精度。

通过异步电动机起动过程的实例仿真结果，充分证实了动态仿真模型的正确性而且在仿真时可以随便改变仿真参数，并用Scope随时地观察仿真波形，使得仿真更加具有实时性、直观性。

参考文献：

[1] 许实章/电机学(第3版)[M]。北京：机械工业出版社，1996

[2] 陈桂明，张明照。应用MATLAB建模与仿真[M]。北京：科学出版社， 2001