搜索
扬州大学专业软件应用综合设计报告水能学院13级电气工程及其自动化专业题目异步电动机综合仿真设计四学生张宇明学号131504234指导教师张建华2015年12月30日1目录1引言…………………………………………………（1）2设计依据及框图………………………………………（1）2.1设计平台………………………………………（1）2.2设计思想………………………………………（1）2.3设计结构框图…………………………………（2）3软件调试分析…………………………………………（4）3.1自然制动………………………………………（4）3.2能耗制动………………………………………（8）3.3反接制动………………………………………（12）3.4回馈制动………………………………………（15）4结语和讨论…………………………………………（20）参考文献…………………………………………（20）2异步电机综合仿真设计四摘要：MATLAB是一款强大的计算机辅助设计软件工具，MATLAB具有数值、符号运算，绘图功能，仿真等功能。MATLAB的SIMULINK仿真环境是美国MathWorks公司专门为MATLAB语言设计提供的结构图编程与系统仿真的专用软件工具。利用SIMULINK仿真环境分析异步电机制动时的各参数情况，以及不同的制动方式的比较。1引言异步电机又称感应电机是交流电机的一种。具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高，价格较低等优点。异步电机主要作为电动机使用，是当今应用最广，需要量最大的一种电机。主要部件是定子，转子。制动时生产机械对电机的有一种特殊要求。异步电机可以采用机械制动，也可以采用电磁制动，常用的电磁制动方法：1）自然制动2）能耗制动3）反接制动4）回馈制动。本实验的目的是通过MATLAB的仿真实验，了解异步电机的运行情况。1.掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库；2.对鼠笼式异步电动机自然制动进行仿真设计；3.对鼠笼式异步电动机能耗制动进行仿真设计；4.对鼠笼式异步电动机反接制动进行仿真设计；5.对鼠笼式异步电动机回馈制动进行仿真设计；2设计依据及框图2.1设计平台MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。本次实验主要使用MATLAB7.0版本。利用Simulink仿真模块进行异步电机的制动仿真实验。2.2设计思想通过对四种异步电机的制动方式的不同设计仿真模型，按其制动方式的不同利用仿真模块进行仿真实验，并分析记录。31.自然制动是指在电机运行过程中，切断电源，不加其他任何控制，电机转速逐渐降低，直至停车的全过程。其耗时长，转速下降慢。2.能耗制动是指在电机运行过程中，切断定子交流电源，然后外加直流电源。3.反接制动是指在电机运行过程中，改变定子交流电源的相序。4.回馈制动是指在电机运行过程中，负载转矩为负值。2.3设计结构框图或流程图图1设计结构流程图42.4各模块功能简介VoltageMeasurement用于检测电压，使用时并联在被测电路中ACVoltageSource提供一个正弦交流电压源DCVoltageSource提供一个直流电压源SeriesRLCBranch串联RLC支路3-PhaseBreaker三相断路器AsynchronousMachineSIUnits异步电机（国际单位）模块MachinesMeasurementDemux电机测量单元，将各种电机模型输出的测量信号集分离为单个信号输出VoltageMeasurement用于检测电压，使用时并联在被测电路中Constant常量模块Out提供一个输出Scope示波器图2模块图53软件调试分析3.1自然制动自然制动是指在电机运行过程中，切断电源，不加其他任何控制，电机转速逐渐降低，直至停车的全过程。其耗时长，转速下降慢。1）仿真模型2）参数设置ACVoltageSource:电压为220V，频率为50赫兹，相位依次为0度，240度，120度；Constant:设置其值为0；AsynchronousMachineSIUnits:选择15号电机，RotorType为Squirrel-cage，Referenceframe为Stationary，Vn(Vrms)为400，fn（Hz）为50；MachinesMeasurementDemux:Machinetype选择Asynchronous，依次勾选Rotorcurrents，Statorcurrents，Rotorspeed，ElectronmagntictorqueGain：设置为30/pi;3-phaseBreaker:初始状态设为closed。Transitiontimes(s)为开关切换时间，依仿真情况进行合理设置。仿真参数：工具栏Simulation选项卡-ConfigurationParameters-Solver-ode15s3）实验步骤1.连接好仿真模型并设置好各模块的参数，以及仿真时间；2.点击仿真开始按钮，完成起动过程，观察仿真波形，调节时间获取最好波形；3.勾选输入Simulation-ConfigurationParameters-DataImport/Export-Finalstates=xFinal以保存仿真结束时的各器件状态，此后再开始一次仿真，以获取xFinal数据并存于workspace；4.勾选输入Simulation-ConfigurationParameters-DataImport/Export-Initialstates=xInitial以在下一次仿真时载入一个初始状态；图3自然制动Simulink模型65.在command命令窗口中输入xInitial=xFinal以定义下次仿真的初始状态为xFinal中保存的仿真的终止状态；6.再次启动仿真，观察示波器波形是否合适；7.由于示波器波形仅用于调试，不能作为仿真实验的依据，所以需要用plot命令绘图：在Library中拖出out模块，并连接在想要绘制波形的点。连接后启动一次仿真，随后在command命令窗口使用编程命令plot(tout,yout)绘图制作输出波形。（该命令调用的参数tout，yout是ConfigurationParameters默认的Time和Output变量，如果名字改变，则绘图指令中的参数也要改变。某些版本的Matlab7无法使用out模块输出wm图线，则以simout模块代替，对应的绘图命令为：plot(simout.time,simout.signals.values)，此外Scope设置中DataHistory的Savetoworkspace需要在仿真前勾上)8.在图形中标注图线的x轴y轴代表的物理量及其单位，标注图形的名字。4）仿真波形（1）起动过程：分析：起动过程并非此次实验的目的，但是制动必先使电机达到稳定运行的状态，所以通过该起动实验，保存稳定运行时的系统状态数据，以供随后的制动实验使用。此图从上至下依次显示的是转子电流、定子电流、转速、转矩。由此可知，电机稳定运行后的转速是1500转。起动不需要高精度作图，因此绘图过程省略。Constant模块模拟的是电机负载，此处设置值为0，即空载运行。图4起动过程的示波器波形7（2）自然制动：1.示波器结果分析：根据示波器结果，确定了20s为最佳仿真时间，可清楚观察到转速下降过程。2.转子电流图5自然制动过程的示波器波形012345678910-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.5时间(s)转子电流(A)图6自然制动过程的转子电流8（3）定子电流00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.5时间(s)定子电流(A)分析：转子电流经过波动后趋近于零，定子电流瞬间跳至零。这是因为定子回路被切断，而转子切割定子线圈剩磁引起感应电流，所以转子电流下滑后经小幅波动才趋零。（4）电机转速图7自然制动过程的定子电流02468101214161820050010001500时间(s)电机转速(r/min)图8自然制动的电机转速变化曲线9分析：自然制动的电机转速下降缓慢，从1500转降至150转用时约10s（5）电机转矩00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.51时间(s)电机转矩(N·m)分析：电机转矩的响应和定子电流的响应相符合，瞬间跳零。3.2能耗制动能耗制动是指在电机运行过程中，切断定子交流电源，然后外加直流电源。（1）仿真模型图9自然制动过程的电机转矩图10能耗制动的Simulink模型（a）10（2）参数设置SeriesRLCBranch:Inductance设置为0，Capacitance设置为inf；DCVoltageSource：Amplitude设置为50；ACVoltageSource，Constant，AsynchronousMachineSIUnits，MachinesMeasurementDemux，Gain设置与自然制动相同。（3）仿真步骤1．使用（a）图仿真模型进行仿真，调节时间优化波形；2.无误后在simulation/configurationparameter设置中勾选xFinal,再次进行仿真；3.仿真后在2设置菜单中勾选xInitial选项；4.在command窗口中输入xInitial=xFinal,并确定；5.在（a）仿真模型中去除交流电，按（b）图连接加入直流，并进行仿真。（4）仿真波形（1）示波器结果图11能耗制动的Simulink模型（b）图12能耗制动的示波器波形11（2）转子电流（3）定子电流图13能耗制动的转子电流00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-40-30-20-100102030时间(s)转子电流(A)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-30-20-100102030时间(s)定子电流(A)图14能耗制动的定子电流12（4）电机转速（5）电机转矩00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-20002004006008001000120014001600时间(s)电机转速(r/min)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-60-50-40-30-20-10010时间(s)电机转矩(N·m)图16能耗制动的电机转矩图15能耗制动的电机转速变化曲线13分析：能耗制动相当于转子回路切割定磁场，类似于发电机，方向与模型中的直流电源相反，所以能耗制动有很强的制动效果，仅0.15s转速便接近于零。转子电流在过程中逐步减小是因为转速降低，感应电动势也随之降低了。3.3反接制动反接制动是指在电机运行过程中，改变定子交流电源的相序。（1）仿真模型（2）参数设置ACVoltageSource，Constant，AsynchronousMachineSIUnits，AsynchronousMachineSIUnits，MachinesMeasurementDemux，Gain参数设置同上。（3）仿真步骤1．按上图仿真模型进行仿真并观察波形，无误后勾选xFinal选项再次进行仿真并观察波形，然后勾选xInitial选项；2.在command窗口中输入xInitial=xFinal,并按Enter键确定；3.在仿真模型中交换B,C两相交流电源的相位，进行仿真并观察仿真波形；4．使用out模块获取输出波形。（