基于MATLAB的异步电机特性仿真.docx
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基于MATLAB的异步电机特性仿真
摘要
异步电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低等特点，在日常生活中得到广泛的使用。
目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。
MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，可用动作系统的建模和仿真。
在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。
全论文分为六个部分，第一章对异步电机的应用发展做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，从第三章到第六章则是对异步电动机的机械特性、启动、调速、制动进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。
经分析后，表明模型的搭建是合理的。
因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。
关键词：
异步电机数学模型MATLAB仿真
Abstract
Asynchronousmotorwithitssimplestructure,reliableoperation,highefficiency,lowcost,ineverydaylifearewidelyused.Atpresent,themotorcontrolsysteminpursuitofhighercontrolprecisiononthebasisofbecomesmoreandmorecomplex,anditssimulationisanimportanttoolinthestudyof.TheMATLABisanadvancedmathematicalanalysisandcalculationsoftware,availableactionsystemmodelingandsimulation.Ontheanalysisofthephysicsmodelandmathematicsmodelofthree-phaseasynchronousmotorbasedonMATLABsoftwareapplication,resumethecorrespondingsimulationmodel;inadditionthesamethree-phasevoltageandtorqueconditions,usingtheactualmotorparameters,andMALABgivenmotormodelwerecomparedwithsimulation.
Thewholethesisisdividedintosixparts,thefirstchapteroftheasynchronousmotorapplicationdevelopmentofthecorrespondingdescription,thesecondchapteroftheMATLABsimulationsoftwaretobeintroduced,fromthethirdchaptertothesixthchapterisonthemechanicalcharacteristicsofasynchronousmotors,speedcontrol,brake,startbytheoryanalysisandsimulationandthesimulationresultsanalysisof.
Afteranalysis,showthatthemodelbuiltisreasonable.Therefore,thedesignwillbebasedonthecharacteristicsofMATLAB,thethree-phaseasynchronousmotormodelingandsimulation,andthroughtheactualparametersofthemotor,themodelisvalidated.
Keywords:
asynchronousmotor.mathematicalmodel.simulationofMATLAB
引言
1985年，由Depenbrock教授提出的直接转距控制理论将运动控制的发展向前推进了一大步。
接着1987年把它又推广到弱磁调速范围。
不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转距进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。
直接转距控制从一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注。
系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。
建模可以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。
长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编制成计算机程序，并在计算机上运行。
显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。
近年来逐渐被大家认识的Matlab语言则很好的解决了这个问题。
1异步电动机的概述
1.1异步电动机的用途及分类
根据电机的可逆原理，异步电机既可以作为电动机，也可以用作发电机。
但其作发电机运行时性能较差，故很少采用。
而用作电动机时具有较好的工作特性，故其主要用作电动机。
异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制，因而是电动机中应用的最为广泛的一种。
异步电动机是一种交流电机，主要用作电动机，拖动各种生产机械，广泛应用于交通运输、农业生产及国防、文教、医疗和日常生活中。
异步电动机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。
异步电动机还便于派生成各种防护形式，以适应不同环境条件的需求。
随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以及经济性以可与直流调速系统相媲美，而且维护简便，因而应用愈来愈广泛。
由于异步电动机在运行过程中必须从电网中吸收感性无功功率，因此其功率因素较差，总是小于1，此外，异步电动机空载电流大，启动和调速性能都不够理想，是异步电机的主要缺点。
异步电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法
按照相数来分，有单相异步电动机，三相异步电动机。
大功率机械拖动时，一般都用三相异步电动机，日常生活中和工业控制装置则多用单相异步电动机。
按转子结构分，有鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，其中，鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式异步电动机。
按机壳的保护方式分，有防护式异步电动机、封闭式异步电动机，以及防爆式异步电动机。
1.2异步电动机的主要性能指标
异步电动机的主要性能指标有：
（1）效率：
电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分数表示。
（2）功率因数：
电动机输入有效功率与实际功率之比。
（3）启动电流：
电动机在额定电压、额定频率和转子启动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流
（4）启动转矩：
电动机在额定电压、额定频率和转子启动时所产生的转矩的最小测得值。
（5）最小转矩：
电动机在额定电压、额定频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。
（6）最大转矩：
电动机在额定电压、额定频率下所能产生的最大稳态异步转矩。
（7）噪声：
电动机在空载运行时的噪声功率级，以及在额定负载运行时超过空载运行的噪声功率级增量。
（8）振动：
电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。
1.3异步动电机的基本工作原理和运行特性
1.3.1基本工作原理
电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
如下图是三相交流异步电动机转子转动的原理图（图中只示出两根导线），当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。
电动势的方向由右手定则来确定。
因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。
在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。
该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。
由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
异步电机的工作原理用箭头简单的表示如下：
定子绕组通入三相交流电流→产生旋转磁场→切割转子绕组→转子绕组产生感应电势→转子中产生感应电流→转子电流与磁场作用→产生电磁转矩→运行。
1.3.2三相异步电动机的工作特性
异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。
（1）转差率特性
通常把同步转速和电动机转子转速n二者之差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示。
关于转差率的定义如下：
当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：
；如果两者转向相反，则：
。
式中的、n都理解为转速的绝对值，s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。
随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。
（2）转矩特性
异步电动机的输出转矩：
转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线。
（3）电流特性
空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。
（4）效率特性
其中铜耗随着负载的变化而变化；铁耗和机械损耗金丝不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗，点击达到最大效率。
异步电动机额定效率在74-94%之间；最大效率发生在（0.7-1.0）倍额定效率处。
（5）功率因数特性
空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。
如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。
2软件介绍及模型实现
2.1MATLAB简介
八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计的有利工具。
应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起电机及其传动、控制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的运行研究，替代真实电机在实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。
MATLAB是美国Mathworks公司自1984年推出的一种使用简便的工程计算语言，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在这里可以实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发（包括图形用户界面设定）等等功能，而且，MATLAB提供的工具箱为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源。
MATLAB语言具有以下特点：
（1）功能强大
MATLAB不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优势。
此外，MATLAB的Notebook为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能，MATLAB的SIMULINK功能则将而其应用扩展到各行各业的仿真领域。
不仅如此，公司更推出了针对各专业应用的MATLAB工具箱。
（2）界面友好、编程效率高
MATLAB是一种以矩阵计算为基础的程序设计语一言，其指令表达方式与标准教科书的数学表达式非常接近。
用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要求输入表达式，MATLAB将为用户计算出结果。
此外，使用语言设计的程序，其编译和执行速度远远超过了传统的C语言设计的程序，可以说，MATLAB在工程计算方面的编译效率远远高于其它编程语言。
（3）扩展性强
MATLAB的重要特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够自由地开发自己的应用程序，这些年来，许多使用MATLAB的数学家、工程师和科学家已经开发出相当多的不同应用领域的应用程序。
MATLAB的这些特点使它获得了对应用学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。
MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统建模，仿真和分析的软件包。
它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的，它具有相对独立的功能和使用方法。
SIMULINK的出现使得仿真工作以结构图的形式加以进行。
它提供各种功能模块，包括了连续系统（Continues）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）几类基本系统构成模块，还包括连接、运算类模块:
函数与表（Functions&Tables）、数学运算模块（Math）、信号与系统（Signals&System）。
而输入源模块（sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。
便于用户对模型进行仿真和分析。
用户只要从模块库中拖放合适的模块组合在一起（也可以是自己的系统），就可以直接对它进行仿真。
可以选择合适的输入源模块作信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。
各种数值算法，仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，省去了以往仿真研究中的大量手工编程过程，避免了编程错误造成的数值不稳定，计算结果错误等不该发生的意外事件出现，大大提高了算法研究与实际应用的效率和可靠性。
2.2MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用
启动SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，此时出现一个SIMULINK窗口。
这个窗口包含7个模块库，它们分别是信号源模块库（sources）、输出模块库（Sinks）、离散模块库（Diserete）、线性模块库（Linear）、非线性模块库（Nonlinear）、连接与接口模块库（Connections）和扩展模块库（Extrax）。
建立一个控制系统结构框图,则应选择文件（File）中的新文件（New）菜单项，这样SIMULINK就会自动打开一个空白的模块编辑窗口，允许用户输人自己的模块框图。
只要从各模块库中取出模块，定义好模块参数。
将各模块连接起来，然后设置系统参数，如仿真时间、仿真步长和计算方法等。
模块的取出可以采用在模块库中选中模块后拖动到编辑窗口的复制方法。
连接两个模块是相当容易，简单地用鼠标左键先点一下起点模块的输出端（三角符号），然后拖动鼠标器。
这时就会出现一条带箭头的直线，将它的箭头拉到终点模块的输入端再释放鼠标左键，则SIMULNIK会自动产生一条带箭头的连线，将两个模块连接起来。
如果连线出现错误，可以使用鼠标左键选中该线，然后再使用Edit中cut命令将该线删除掉。
定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图标的办法，即可得到模块参数设置对话框。
选择Start命令可以启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示，可以通过虚拟示波器Scope观察系统仿真结果输出。
把Scope连接到任何你想观测的点，调整好Scope的扫描量程与显示幅值量程，同时调整Scope的窗口大小及位置，观察系统的仿真过程。
众所周知，现代运动控制系统中的交流异步电动机本身就是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
这里从静止两相坐标系下的鼠笼异步电动机模型出发，推导出基于定子磁链磁场定向的电动机模型，并采用MATLAB/SIMULNIK实现之。
2.3模型实现
模型建立以后，所要做的就是从Simulink丰富的模型库中调用合适的模块来表示该模型。
随着系统规模的扩大和复杂性的增加，模型也在不断增大，这就使得模型窗中由于过多的模块而凌乱不堪。
为了避免这种情况，采用自上而下或自下而上的分级方法建立模型，即把功能相同或者相近的模块分组封装成子系统Subsystem，建立递阶结构框图。
3三相异步电机机械特性的仿真
3.1机械特性的表达式
3.1.1物理表达式
由《电机学》知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。
它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。
三相异步电机电磁转矩的表达式为：
（3-1）
式中——转矩常数
——每级下磁通
——转子功率因数
式（3-1）表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。
该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。
从三相异步电动机的转子等值电路可知，
（3-2）
（3-3）
将式（3-2）、（3-3）代入（3-1）得：
（3-4）
对于（3-4），我们做如下分析：
1.当s=0时，，M=0，说明电动机的理想空载转速为同步转速。
2.当s很小时，有，，说明电磁转矩T近似与s呈线性关系，即随着M的增加，略有下降。
因而，类似直流电动机的机械特性，是一条下倾的直线。
3.
当s很大时，有，，说明电磁转矩M近似与s成反比，即M增加时n反而升高。
4.当s=1时，n=0，=常数，此即三相异步电机的启动转矩。
从上述可见，三相异步电动机的机械特性由两段组成：
当s较小（n较高）时，n与M近似呈线性关系；当s较大（n较低）时，n随M增大而升高。
将两部分机械特性圆滑连接，既得三相异步电动机机械特性，如图3-1所示。
3.1.2参数表达式
由《电机学》知，三相异步电动机的电磁功率为
（3-5）
所以，电磁转矩为
（3-6）
由三相异步电动机近似等值电路知
（3-7）
而
（3-8）
将式（3-7）、（3-8）代入式（3-6）得
（3-9）
式（3-9）即为三相异步电动机机械特性的参数表达式。
3.2固有机械特性与人为机械特性
三相异步电动机的固有机械特性是指在额定电压、额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子无外接电阻（电感或电容）时，电动机转速与电磁转矩的关系，如图3-2所示，其中曲线1为电动机正向旋转时固有机械特性；曲线2为反向旋转时固有特性。
图3-2三相异步电动机固有机械特性
人为机械特性是人为的改变异步电动机的一个参数或电源参数，保持其他参数不变而得到的机械特性。
由式3-9可见，可供改变的量有：
电源电压、电源频率、极对数p、定子电路电阻或电抗和转子电路电流或电抗。
（1）降低定子电压时的人为机械特性
当电源电压降低时，由于，与电压无关，不变。
得，与成正比例，当下降时，与成正比例降低，而与无关，不变。
同理，启动转矩亦与成比例降低。
因此，电源电压降低时的人为机械特性是一组过同步转速、临界转差率不变、最大转矩和启动转矩均与成比例下降的曲线簇。
时的机械特性曲线如图所示：
图3-3降压时的异步电机人为特性
（2）转子电路串对称电阻时的人为特性
这种情况只对绕线式异步电动机才有意义。
由于，与转子电阻无关，当转子串电阻时不变。
则最大转矩亦不变；而临界转差率与转子电阻成比例变化。
因此，转子电路串对称电阻的人为特性是一组过同步转速点、最大转矩不变、临界转差率随转子电阻增加而成比例增大的线簇，如下图所示：
图3-4转子电路串对称电阻时的人为特性
从图3-4所示曲线可见，当转子电阻刚开始增加时，启动转矩随转子电阻增加而增加；当时，，即有最大启动转矩。
这是令计算，得：
当转子电路所串电阻大于（）时，启动转矩反而减小了。
由此可见，对于绕线式异步电动机，在一定范围内增加转子电阻，可以增加启动转矩，改善启动性能。
3.3基于MATLAB的异步电机机械特性仿真
3.3.1模型设计
本仿真采用仿真模型如下图所示：
图3-5异步电机人为机械特性仿真
3.3.2参数设置
各元件参数设置如下：
图3-6Ramp参数设置
图3-7Saturation参数设置
图3-8Fcn2参数设置
图3-9XYGraph1参数设置
3.3.3仿真结果
图3-10电压变化时的不同特性曲线
图3-11电压分别为时机械特性对比
4异步电机启动特性仿真
4.1起动理论分析
异步电动机的起动性能和直流电动机一样，包括以下几项：
起动电流倍数、起动转矩倍数、起动时间、起动时绕组中消耗的能量和绕组发热、起动设备的简单性和可靠性、起动时的过渡过程。
其中最重要的是起动电流和起动转矩大小。
为使电机能够转动起来，并很快达到额定转速而正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩；但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。
此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。
因此，我们总是希望在起动电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。
普通结构的鼠笼式异步电动机不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往不能满足上述要求。
因为它的起动电流很大而起动转矩并不大。
起动电流很大的原因，从物理现象看，起动时，n=0、s=1，旋转磁场以同步转切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电势和电流，引起与它平衡的定子电流的负载分量也跟着急剧增加，以致定子电流很大。
而起动转矩不大是由于起动时转子漏抗远大于转子电阻使转子功率因数接近90度，所以尽管电流很大但其有功分量却不大。
其次，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应电势减小，磁通也将成比例减小。
在选择异步电动机的起动方法时，必须根据电网容量和机械负载对起动转矩的要求等具体情况进行具体分析。
如果电网容量很大，电动机的起动电流不会引起显著的电压降落，则起动电流大小不是主要问题。
如果机械负载要求的起动转矩不大，而电网容量相对于电动机来说又不很大，则主要考虑如何减小起动电流。
至于即要求起动转矩大，又希望限制起动电流的场合，则需要采取措施来改进起动性能。
4.2起动的基本要求
拖动生产机械的异步电动机在起动过程中，要求起动转矩大于负载转矩并且起动转矩越大越好，保证起动过程很快结束，使生产机械能够较快的达到正常运行。
同时，在满足起动转矩要求的前提下，希望起动电流越小越好。
不同负载和不同供电容量电网，对电动机起动性能的要求是不一样的。
而异步电动机的起动性能的基本要求是相同的，这些基本要求有：
（1）足够大的起动转矩倍数；
（2）尽可能小的起动电流倍数；
（3）起动时间短，能够符合生产技术的要求；
（4）起动平滑，即要求时加速平滑，以减小对生产机械的冲击；
（5）起动设备简单，经济，操作方便等。
4.3 笼型异步电动机的起动方式
4.3.1 直接起动
直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。
小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机
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