电机学课程设计 - 图文

电机与拖动课程

课程名称：电机与拖动课程设计设计题目：三相异步电动机调速计算与仿真院 系：电气工程系班 级：设 计 者：孙兆晋学 号：同 组 人：李雷指导教师：任倩设计时间：设计报告

1202303 120230318 李煊红 2015.11.26—2015.12.5

课程设计（论文）任务书

专 业 学 生 题 目 子 题 设计时间 电气工程及其自动化 孙兆晋 班 级 指导教师 三相异步电动机调速计算与仿真 年 月 日 至 年 月 日 共 周 1202303 任倩 一台绕线式异步电动机，Y/y连接，已知数据为：额定功率PN = 120kW，f = 50 Hz，2p =4，Un = 380 V，nN = 1440r/min，R1 =0.02Ω，R2 ‘=0.04 Ω，x1σ = x2σ’=0.06Ω，xm = 3.6Ω，ki = ke = 2，忽略铁耗。试求： 设计内容： 1. 若维持转轴上的负载转矩为额定转矩，使转速下降到1000r/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SIMULK设计调压调速仿真模型。 2. 若维持转轴上的负载转矩为额定转矩，使转速下降到900r/min，采用变频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SIMULK设计调压调速仿真模型。 3. 若维持转轴上的负载转矩为额定转矩，采用串电阻调速，转速下降到1000r/min，分析能量的传递。用SIMULK设计调压调速仿真模型。 设计要求

1 原理描述

1.1 三相异步电动机的调速

三相异步电动机的转子转速可由下式子给出： n?60f1(1?s) （1-1） p根据上式，三相异步电动机的调速方法通常采取以下三种： （1）改变定子电压的调压调速，属于改变转差率的调速； （2）变频调速；

（3）转子串电阻调速，也属于改变转差率的调速。

1.2 三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率以及参数固定的条件下，机械轴上的转子转速n和电磁转矩Tem之间的关系n?f(Tem)。利用等效电路可以很方便地获得各种形式的机械特性表达式。

机械特性参数表达式如下： Tem?m1p2?f1r2'2'2[(r1?)?(x1??x2?)]sr2'Us21 （1-2）

上式给出了电磁转矩Tem与转差率s之间的关系，若将电磁转矩Tem作为横坐标轴，转子转速n作为纵坐标轴，并考虑到转子转速n?n1(1?s)，则可得到三相异步电动机的机械特性曲线n?f(Tem)，如下图所示：

图1.1 三相异步电动机的机械特性曲线

1.3 改变定子电压的调压调速

由式（1-2）可知，仅降低定子电压时，由于同步速n1不变，故不同电压下的人工机械特性均通过同步运行点。考虑到最大电磁转矩Tem和启动转矩Tst皆与定子电压的平方U12成正比，而产生Tem所对应的临界转差率sm与U1无关。根据这些特点绘出不同定子电压U1下的人工机械如下所示：

图1.2 改变定子电压U1时的人工机械特性

1.4 变频调速的原理

由E1?4.44f1N1kw1?m可知，要想确保主磁通不变即恒磁通?m调速，在变频过程中，必须采用E1/f1?常数控制。

考虑到三相异步电动机的定子电势E1难以直接测量。因此，对于实际调速系统，通常采用U1/f1?常数代替E1/f1?常数实现变频调速。

将式（1-2）变形可得： Tem?m1pU12()2?f1[(r1?r'2)?(x1??x2?)]s'22r2'f1s （1-3）

根据式（1-3）绘出保持U1/f1?常数时变频调速的典型机械特性如下图所示，

图1-3 三相异步电动机变频调速时的机械特性（U1/f1?常数）

1.5 异步电动机串电阻调速

三相绕线式异步电动机转子串电阻的人工机械特性如下所示：

图1-4 异步电动机转子串电阻的人工机械特性

''T?C?Icos?2，由于电源电压保持不变，故主磁通?m为定值。emTm2考虑到

调速过程中，为了充分利用电动机绕组，要保持I2?I2N，于是有

I2?I2N?E2(r22)?x2?sN?E2 （1-4）

r?R?2(2)?x2?sN由上式可得

r2r2?R???常数 （1-5） sNsN2 参数计算

转子电感 L1x?x1?0.06?=0.000191H 2?f1100?'x20.06定子电感 L???=0.000191H

2?f1100?'1r额定电感 Lm?xm3.6?=0.0115H 2?f1100?额定负载转矩 Tn?PN120000=795.84N·m ?2?nN2??14406060同步转速 n0?60f160?50?=1500r/min p21500?1440=0.04

1500额定转差率 sN?

m2R'2电磁转矩 T1pU1em?s2?fR'=876.04N·m 2s)2?(X'21[(R1?1??X2?)]3 调压调速设计与仿真

目的速度n=1000，转差率s=0.33，由

Tem2r'[rr'221?1?(x1??x2T??)]emax s[(r?r'22'21s)?(x1??x2?)]=1 得到Temax?Tem?TemN?876.04N·m

m2T1pU1emax?再由

2?f12[r2'21?r1?(x1??x2?)] =0.0591U21UTemax得定子相电压应调整为

1?0.059=121.75V 13.1 能量的传递

图3-1 能量流向

3.2 机械特性曲线和SIMULINK仿真

用m文件绘制调压调速机械特性曲线如下：

图3-2 调压调速机械特性曲线

3-1）3-2） （

（

用SIMULINK仿真图形如下：

图3-3 调压调速仿真模型

额定情况下的仿真结果：

图3-4 额定下的仿真结果

图3-5 定子电压降低后的仿真结果

分析：由电机原理可知，当转差率s基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。降压调速需要使电机的定子电压慢慢降低，这样能使电机稳定地调速到目的转速，以上就是使用该方法仿真出来的波

形。

4 变频调速设计与仿真 4.1 参数计算

由于转速降?n?1500?1440?60r/min，变频调速前后不变，因此变频后的同步速nN1=900+60=960r/min，由n?根据U1/f1?常数，解得U1=140V

60f1得f1=32Hz； p4.2 变频调速的仿真

用m文件画出的变频调速机械特性曲线如图所示：

图4-1 调压调速机械特性曲线

SIMULINK仿真模型和前面调压调速一样；得到的仿真波形结果如下：

图4-1 调压调速机械特性曲线

分析：变频调速可以保证机械特性的硬度基本不变，同时其转差率s较小，

转速稳定性高，调速范围大，所以其效率较高。且由电机原理可知，变频调速时，基频以下为恒转矩调速方式，基频以上为恒功率调速方式。

5 转子串电阻调速设计与仿真 5.1 参数计算

调速后的转差率为 s?0.33，由sN=0.04，

r2r2?R???'ssR?0.29?，R??1.16? NN?根据式子（1-5）常数 ，解得

5.2 SIMULINK仿真

用m文件画出的变频调速机械特性曲线如图所示：

图4-1 串电阻调速机械特性曲线

SIMULINK仿真模型和得到的仿真波形结果如下：

图4-1 串电阻仿真模型及其仿真波形

分析：异步电动机转子串入附加电阻调速，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属于有级调速，机械特性较软。

6 总结

为期两周的电机学课程设计终于告一段落了，在这段时间中，我学到了很多东西，有些表面上看起来比较简单的东西，实际做起来的就不像那么简单了，要考虑诸多参数的配合。

对于整个系统，因为课题要求是调压调速、变频调速和转子串电阻调速，所以首先从查资料入手。在我看来，其实这一部分也是最关键的，俗话说“好的开始是成功的一半”，而这属于初期的准备工作，是一个课程设计的切入口，所以这将会觉得我的设计思路和设计角度，因此我花了大量的时间来查询手中现有的资料，并且运用网络数据，搜索了相关的文献。然后，我复习了Matlab/Simulink的相关知识和使用方法，由于很久没有使用类似的软件，所以我花费了一段时间熟悉了Matlab/Simulink的相关使用。最后，我就进入了真正的设计阶段，我先在纸上用所知道的点击数据进行相关计算，分别算出了调压调速、变频调速和转子串电阻调速的相应变量的具体参数，再依照资料中的模型搭建了一个三相异步电动机，然后分别通过改变电压，改变频率，改变转子电阻大小的方法实现了调速，但是我发现使用计算的参数仿真出来的波形与预计的不相符，会出现达不到理论转速或者超过理论转速的情况，因此我不断修改变量的大小，使其最后达到理论转速。这种情况让我意识到理论数据与实际仿真的出入，也让我知道，在今后的学习中，一定要理论与实际相结合才能真正的搞明白所学的知识。

通过这次的电机学课程设计，让我对Matlab/Simulink模块有了更深入的了解，对调压调速、变频调速和转子串电阻调速的各自的特性也有了更深层次的认识。

参考文献：

[1]彭鸿才，电机原理及拖动，北京：机械工业出版社，1994年

[2]李岚等编，电力拖动与控制，北京：机械工业出版社，2003年 [3]唐介，控制微电机，北京：高等教育出版社，1987年 [4]杨长能主编，电力拖动基础，重庆：重庆大学出版社，1989年 [5]李发海等编，电机学，北京：科学出版社，1991年

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