华中科技大学电机学课程设计报告

2010级《电机学》课程设计报告(题目:三相异步电动机变频调速)姓名：学号：专业班级：指导教师：日期：2013年2月评分：__电气与电子工程学院华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第2页共12页目录一·选题背景....................................................................................3二·异步电动机能量传递..................................................................3三·异步电动机调速方法..................................................................3四·课程设计目标和要求..................................................................4五·参数的选择和设定.....................................................................4六·变频调速原理和变频参数确定...................................................5七·机械特性....................................................................................6八·MATLAB仿真..............................................................................71.MATLAB异步电机模型简介.............................................................72.仿真参数设置.................................................................................83.调速前后仿真波形.........................................................................94.仿真结果分析...............................................................................11九·感悟与收获..............................................................................11十·参考资料.....................................................................................12华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第3页共12页一·选题背景异步电机具有结构简单可靠，维护少，成本低，容量大的优点，所以在其出现后不久的时间内，几乎取代了所有的不变速直流电机成为最主要的拖动装置。然而在相当长的一段时期内，异步电动机无法撼动直流电机在可控制可调速拖动领域的地位。异步电机的调速一直是电机学研究的课题，实现异步电机像直流电机一样具有宽广平滑的调速性能，最终发挥其优势，取代结构复杂的直流电机是研究异步电机调速课题的目标。随着电力电子技术的迅速发展，变频调速被视为交流电机最有前途的调速方式。本课程设计就是在这样的背景下，试图从一个很细微的方面来研究和了解异步电动机的变频调速原理并对设计结果进行Matlab仿真分析,希望对今后的学习和工作有一定的启发和帮助。二·异步电动机能量传递异步电动机的能量（功率）传递如图1所示，电动机的电磁功率Pem、总机械功率Pmec、转差功率Ps（即转子铜耗pcu2）和转差率s之间有如下关系：因此有：通常转差功率都会损耗掉，只有极少情况会反馈到电网，因此从能量的角度异步电机的调速应该尽可能不增大转差，让电机保持原有的低转差运行。图1.异步电动机能量传递示意图三·异步电动机调速方法根据异步电动机的转速公式：可以把异步电动机的调速方法分为如下三类：（1）变频调速：改变电源频率f1；（2）变极调速：改变电机极对数p；（3）变转差调速：改变电机的转差率；变极调速只能实现有级调速，并且电机结构会变得复杂，一般实现三级变极调速已经是相华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第4页共12页当困难，因此不是异步电机最好的调速方式。变转差调速目前比较流行也比较易于实现的方案是调压调速和串电阻调速，这两种方法属于转差功率损耗型调速，从异步电机能量传递分析可知，转差率s增大（转速降低），转差功率会大大增加，电机损耗也会大大增加，因此也不是最经济的调速方式。变频调速可以做到不改变电机性能，实现无级调速，并且在各种调速方法中效率最高，因此被视为可以与直流电机调速相媲美的最有前途的调速方式。其缺点是变频装置造价过高，这一问题也会随着电力电子技术的发展得到解决。四·课程设计目标和要求一台绕线式异步电动机，Y/y连接，已知数据为：额定功率PN=c0kW，f=50Hz，2p=c1，Un=380V，nN=c2r/min，R1=R2‘=c3Ω，x1σ=x2σ，=c4Ω，xm=c5Ω，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c6r/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Matlab中的SIMULINK设计变频调速仿真模型(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。c0=[1.1；2.2；3.0；5.0；10.0]c1=[2；4；6]c2=[2850；1440；890]c3=0.02c4=0.06c5=3.6c6=[2000；1000；500]五·参数的选择和设定选择异步电机额定功率PN=10kW，正常工作频率f=50Hz，极对数p=2，华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第5页共12页额定电压Un=380V，额定转速nN=1440r/min，设定参数R1=R2‘=0.48Ω，x1σ=x2σ，=1.30Ω，xm=31.6Ω，Rm=0Ω，ki=ke=0.02。计算参数：额定转差率额定转矩π额定电磁转矩:‘π‘，电感L1σ=L2σ，=图2-1.异步电动机等值电路六·变频调速原理和变频参数确定由转速公式：，当异步电动机转差率变化不大时，转速n正比于频率f，改变电源频率就可以改变电机转速。变频调速时，我们希望电机主磁通Φm不变，由U1≈E1=4.44N1kN1f1Φm知，变频时，要使得主磁通不变，则电压要随频率改变。电压和频率的关系取决于调速的要求。对于本次设计，采用恒压频比的方法即可实现恒转矩调速。通常有：′′′′如果,那么主磁通Φm不变，电机磁路饱和程度不变，电机过载能力不变，电机在恒转矩变频调速前后性能保持不变。华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第6页共12页课设题目要求将电机转速由nN=1440r/min调到n=1000r/min。由前述原理知：′,其中相电压=220V，频率f=50Hz。计算得到：′七·机械特性异步电机固有机械特性方程：‘π‘，其中转速和转差的关系：，x1σ=x2σ，=πL1σ。我们就f、U1取额定值和调速后的值做出电机的固有机械特性和人工机械特性曲线。代码如下：s=0.00001:0.0005:1;p=2;m1=3;U1=220;f1=50;R1=0.48;R2=0.48;L1=0.00207;L2=0.00207;x1=2.*pi.*f1.*L1;x2=2.*pi.*f1.*L2;Tem1=p.*m1.*U1.^2.*R2./s./(2.*pi.*f1.*((R1+R2./s).^2+(x1+x2).^2));n=30*f1*(1-s);plot(Tem1,n);holdon%调速前uu1=152.78;ff1=34.72;xx1=2.*pi.*ff1.*L1;xx2=2.*pi.*ff1.*L2;Tem2=p.*m1.*uu1.^2.*R2./s./(2.*pi.*ff1.*((R1+R2./s).^2+(xx1+xx2).^2));nn=30*ff1*(1-s);plot(Tem2,nn);%调速后xlabel('电磁转矩Tem/N*m');ylabel('转速/r/min');运行得到电机的机械特性曲线：华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第7页共12页图2-2.异步电动机机械特性从图2-2中可以看出，当转差s很小时，转速n与电磁转矩Tem呈线性关系，且调速前后直线斜率不变，相当于将固有机械特性曲线下移一定距离。程序中计及R1的影响，所以调速前后最大转矩Tmax不相等，也就是说电机的过载能力降低。八·Matlab仿真1.Matlab异步电机模型简介异步电机包括电气和机械两大部分部分，电气部分用一个四阶数学模型表示，机械部分用二阶模型表示。通过坐标变换，电机可以从静止三相坐标系变换到旋转坐标系，把异步电机转子参数折算到定子侧，异步电机的电气特性可以用图3来表示，并列出其电气方程：图3.异步电机电气模型华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第8页共12页Vqs=Rsiqs+dφqs/dt+ωφds其中：Vds=Rsids+dφds/dt–ωφqsV'qr=R'ri'qr+dφ'qr/dt+(ω–ωr)φ'drV'dr=R'ri'dr+dφ'dr/dt–(ω–ωr)φ'qrTe=1.5p(φdsiqs–φqsids)V、i分别表示电压和电流，R、L表示电阻、电感，下表s表示定子，r表示转子，m表示励磁回路。异步电机的机械特性用转子运动方程来描述：式中，θm表示电气角度，ωm表示角速度，F表示摩擦系数，H表示转动惯量。2.仿真参数设置（1）搭建仿真模块图4.异步电动机调速仿真模块（2）电机参数设定华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第9页共12页图5.仿真电机参数（3）电源参数设定，如图4，三相交流电源Y接，依次滞后120度相角.图6.电源参数3.调速前后仿真波形（1）定子电流波形（A相）华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第10页共12页图7.调速前定子电流波形（1）图8.调速后定子电流波形（1）图9.调速前定子电流波形（2）图10.调速后定子电流波形（2）（2）转子转速波形图11.调速前转速波形图12.调速后转速波形（3）转子电流波形（a相）华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告第11页共12页图13.调速前转子电流波形图14.调速后转子电流波形（4）转矩变化波形图15.调速前转矩变化波形图16.调速后转矩变化波形4.仿真结果分析异步电动机恒转矩变频降速后，从图7~图10可以看出，电机起动定子电流明显降低，但是最后稳定运行时定子电流大小在调速前后不改变。从图11~12可以看出，调速目标基本达到，略有误差，并且降速后电机起动时间更短。从图13~14可以看出，异步电机起动过程中，转子电流不仅幅值变化，频率也是逐渐减小的，降速后起动时转子电流略有减小，稳定后电流幅值相等。从图15~16可以看出，转矩变化是一个波动并最终达到稳定的过程，由于是恒转矩调速，调速前后转矩的最终稳定值相同，但是降速后达到稳定所需要的时间较短。九·感悟与收获xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx华中科技大学电气与电子工程学