电机课程设计 华中科技大学

电机学课程设计

绕线式异步电动机串电阻调速

学号 U200811939 专业班号电气0811 姓名杨大中 指导教师杨凯

日期 2011年3月6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 = 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：

n?n1??1?s??60f

p?1?s?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L1s?'x1?0.06??0.000191H 2?f1100?x2?'0.06定子电感L1r???0.000191H

2?f1100?励磁电感Lm?xm3.6??0.0115H 2?f1100?额定负载转矩Tn?PN120000??795.8N?m

2?nN2??14406060同步转速n0?60f1/p?60?50/2?1500r/min 额定转差率sN?1500?1440?0.04

150021R2'm1pUs调速前的电磁转矩Tem??876.3N?m 'R2?f1[(R1?2)2?(X1??X2?')2]s1500?10001? 调速后的转差s1?15003要求为恒转矩调速，则有：

R2'R2'?R? ?sNs1由上式可得R?'?0.29?

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：

U1(R1?'I0??I2?R?2)?(X1??X2)?sNU1??22?(0.02?38030.042)?(0.06?0.06)20.04 ?210.14A；

380/30.02?3.6622R?(X1??Xm)212?60.11A

'定子电流：I1?I0'?I2?218.56??5.536。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');

10.90.80.70.6转差率s调速前调速后0.50.40.30.20.1005001000150020002500电磁转矩Tem/N*m300035004000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Pem?Tem?2?n0/60?132.1kW 损耗为?p?132.1?120?12.1kW 调速后电磁功率不变，输出功率

P2?TN?2?n1/60?795.8?2??1000/60?83.34kW

调速后损耗?p'?132.1?83.34?48.76kW 下面分析损耗去向： ? 调速前：

定子铜耗：pcu1?m1I1R1?5.73kW

2?2?转子铜耗：PCu2?m1I2R2?3*210.142*0.04?5.3kW

电磁功率：PemN?132.1kW；

总机械功率：Pmec?(1?s)PemN?0.96*132.1?126.8kW；

忽略铁耗，总输入功率：P1?PCu1?PemN?5.73?132.1?137.83kW； 空载损耗：P0?pmec?pad?Pmec?P2N?126.8?120?6.8kW ? 调速后：I2?、I0'、定子电流、定子铜耗、电磁功率都不变 定子铜耗不变：pcu1?m1I1R1?5.73kW

2电磁功率不变：PemN?132.1kW；

转子铜耗增加：PCu2?s?PemN??132.1?44.03kW； 总机械功率减少：Pmec?(1?s)PemN?*132.1?88.07kW； 忽略铁耗，总输入功率不变：P1?PCu1?PemN?137.83kW； 空载损耗减少：P0?pmec?pad?PmecN?P2?88.07?83.34?4.73kW 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Pm和铜耗PCu2却发生了变化：

Pem?Pmec?PCu2?(1?s)Pem?sPem

2313转速越低时s越大，那么机械功率部分Pm变小，而转子铜耗PCu2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Tem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Ir?280A?198*20.5A,Is?300A?212.2*20.5A

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Tem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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tzaa.html