电机学课程设计

电机与拖动课程设计报告课程名称：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：1202303设计者：孙兆晋学号：120230318同组人：李雷李煊红指导教师：任倩设计时间：2015.11.26—2015.12.5课程设计（论文）任务书专业电气工程及其自动化班级1202303学生孙兆晋指导教师任倩题目三相异步电动机调速计算与仿真子题设计时间年月日至年月日共周设计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=120kW，f=50Hz，2p=4，Un=380V，nN=1440r/min，R1=0.02Ω，R2‘=0.04Ω，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。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：)1(601spfn（1-1）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emT之间的关系)(emTfn。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：])()[(22'212'21'22111xxsrrsrUfpmTem（1-2）上式给出了电磁转矩emT与转差率s之间的关系，若将电磁转矩emT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)1(1snn，则可得到三相异步电动机的机械特性曲线)(emTfn，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1n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emT和启动转矩stT皆与定子电压的平方21U成正比，而产生emT所对应的临界转差率ms与1U无关。根据这些特点绘出不同定子电压1U下的人工机械如下所示：图1.2改变定子电压1U时的人工机械特性1.4变频调速的原理由mwkNfE111144.4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11/fE常数控制。考虑到三相异步电动机的定子电势1E难以直接测量。因此，对于实际调速系统，通常采用11/fU常数代替11/fE常数实现变频调速。将式（1-2）变形可得：])()[()(22'212'21'212111xxsrrsrffUpmTem（1-3）根据式（1-3）绘出保持11/fU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（11/fU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考虑到2'2'cosICTmTem，由于电源电压保持不变，故主磁通m为定值。调速过程中，为了充分利用电动机绕组，要保持NII22，于是有2222222222)()(xsRrExsrEIINNN（1-4）由上式可得NNsRrsr22常数（1-5）2参数计算转子电感10006.02111fxLx=0.000191H定子电感10006.021'2'1fxLr=0.000191H额定电感1006.321fxLmm=0.0115H额定负载转矩6014402120000602NNnnPT=795.84N·m同步转速250606010pfn=1500r/min额定转差率150014401500Ns=0.04电磁转矩])()[(22'212'211'2211XXsRRfsRpUmTem=876.04N·m3调压调速设计与仿真目的速度n=1000，转差率s=0.33，由])()[(])([22'212'212'2111'2maxxxsrrsxxrrrTTeem=1（3-1）得到04.876maxemNemeTTTN·m再由])([222'212112111maxxxrrUfpmTe=0.059121U（3-2）得定子相电压应调整为0591.0max1eTU=121.75V3.1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min/6014401500rn，变频调速前后不变，因此变频后的同步速1Nn=900+60=960r/min，由pfn160得1f=32Hz；根据11/fU常数，解得1U=140V4.2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33.0s，由Ns=0.04，根据式子（1-5）NNsRrsr22常数，解得29.0'R，16.1R5.2SIMULINK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