三相異步電機畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電機控制技術的不斷發(fā)展,在實際中應用越來越多的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。由于異步電機是一種復雜的多變量的、強耦合的非線性系統(tǒng),所以利用計算機仿真的辦法構造一個實驗系統(tǒng)進行異步電機的分析是一種很好的研究手段。</p><p>　　本文主要首先介紹三相異步牽引電動機結構和構造建立電機數(shù)學、物

2、理模型，對比直流電機電磁轉矩和異步電動機電磁轉矩，結合矢量控制的基本思想和基本概念，完成了對三相交流異步牽引電動機在三相靜止坐標和兩相靜止坐標系上的數(shù)學模型，經(jīng)過坐標轉換得到交流牽引電機的模型。然后通過Matlab/Simulink的模塊簡化搭建功能完成三相異步牽引電動機最終的仿真模型，并在Mutlab系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)對電動機的仿真，觀察異步電機空載轉矩和負載轉矩過程中的電流、轉速、轉矩的變化，對結果與理論結果進行比對分析，證實了該方法的

3、簡便直觀、高效快捷和真實準確性。</p><p>　　關鍵詞：異步電機；建模；仿真；坐標變換；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of motor control technology, AC drive system is used more and more

4、in practice has replaced the DC speed regulating system. The asynchronous motor is a strongly coupled nonlinear system is a complex multivariable, using the way of constructing, analysis and computer simulation of an exp

5、erimental system of asynchronous motor is a very good research tools.</p><p>　　This paper first introduces the structure and the structure of three phase a synchronous traction motor mathematical, physical m

6、odel of motor, compared with DC motor electromagnetic torque and asynchronous motor electro magnetic torque, combined with the basic theory of vector control and the basic concept,the mathematical model in the three-phas

7、e static coordinate and two-phase static coordinate system on the three phase asynchronous traction motor, the AC traction the motor model to get the co</p><p>　　KeyWords: Induction motor, Modeling, Simulati

8、on, Coordinate transformation </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　目 錄III</p>&l

9、t;p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 本論文研究的主要內(nèi)容1</p><p>　　2 三相異步電機的構造和工作原理2</p><p>　　2.1 三相異步電機的

10、結構和原理2</p><p>　　2.1.1 三相異步電機的結構2</p><p>　　2.1.2 三相異步牽引電機工作原理2</p><p>　　2.2 三相異步電機的數(shù)學模型2</p><p>　　2.2.1 三相異步電機在兩相靜止坐標系上的數(shù)學模型2</p><p>　　2.2.2 三相異步電機在三相靜

11、止坐標系上的數(shù)學模型3</p><p>　　3 三相牽引電機的建模和仿真5</p><p>　　3.1 三相異步牽引電動機模型5</p><p>　　3.1.1 模型坐標變換5</p><p>　　3.1.2 建立模型5</p><p>　　3.1.3 建立s函數(shù)以及電機模型7</p><

12、;p>　　4 仿真結果及其分析11</p><p>　　4.1 三相輸入電流在不同坐標上的波形圖11</p><p>　　4.2 三相輸入電壓子在同一坐標下的波形圖11</p><p>　　4.3 電動機理論輸出波形12</p><p>　　4.5 結果分析13</p><p><b>　　4

13、.6 總結13</b></p><p><b>　　致 謝14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p><b>　　1 緒論 </b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>

14、　　由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性,交流異步電動機在實際的需求下得到了很大的發(fā)展。我們知道研究應用的交流異步電動機調(diào)速技術主要有轉差頻率控制和恒壓頻比控制。相比較實際的電機控制實驗采用計算機進行仿真試驗，則可節(jié)約成本，提高效率，縮短設計周期。采用Matlab/Simulink進行可視化圖形化仿真來進行建模仿真。利用Simulink中的模塊庫建立三相/兩相的電動機數(shù)學模型，進行仿真后，對仿真波形與電動機模型進行比較分析證實了該方法

15、的簡便直觀、高效快捷和真實準確性。證明矢量控制的優(yōu)越性從而加深對三相異步電動機原理的理解。通過對本課題的研究最終能夠熟悉并掌握Matlab /Simulink使用環(huán)境，熟悉模塊庫中模塊、并培養(yǎng)自己建立電機的系統(tǒng)仿真模型設計基本思路，為進行其他的系統(tǒng)建模和仿真打下良好的基礎。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前異步電機普通利用恒壓頻比控制或轉差率控制的異步電

16、動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其控制關系和轉矩控制原則基本上是建立異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型上的，控制變量都是在幅值意義上的標量控制。Matlab/Simulink建立三相異步牽引電機仿真模型，用SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結合之前的優(yōu)點，在此基礎上加上了幅角控制，通過矢量控制成功的解決交流電機定子電流轉矩分量和勵磁分量的耦合問題。通過對仿真軟件的應用證明在進行復雜系統(tǒng)設計時運用仿真工具對設計進行仿真分析是行之有效的方法，提高系統(tǒng)設計效率，縮短系統(tǒng)設計時間

17、，并能夠較好的進行系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)試驗表明，空間電壓矢量調(diào)制的方法正確可行。</p><p>　　1.3 本論文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本論文先從異步牽引電動的結構和工作原理出發(fā)，通過對交流異步電動機的坐標變換基本思路的介紹，建立異步電動機的數(shù)學模型和在不同坐標系上的數(shù)學模型方程式。采用Matlab /Simulink軟件實現(xiàn)異步電動機數(shù)學模型的初步搭建和仿真。仿真結果顯

18、示,該方法簡潔、方便、實時交互性強,能充分融合到其它控制系統(tǒng)中,并具有良好的互動能力。異步電動機電壓空間矢量PWM控制技術的原理和矢量變換方法實現(xiàn)極大的簡化了異步電機在任意同步旋轉坐標系下進行建模和仿真,利用其數(shù)學模型可構成電機的仿真模型，然后運用Matlab軟件搭建模型進行仿真結果和理論比對分析。</p><p>　　2 三相異步電機的構造和工作原理</p><p>　　2.1 三相異步

19、電機的結構和原理</p><p>　　2.1.1 三相異步電機的結構</p><p>　　三相感應電機主要有定子、轉子和氣隙三部分組成。</p><p><b>　　(1) 定子</b></p><p>　　定子鐵心是主磁路的一部分。鐵心是由厚度為0.5mm的硅鋼片疊成，硅鋼片的兩面涂絕緣漆，定子鐵心有外壓裝和內(nèi)壓裝兩種

20、。在定子鐵心的內(nèi)圓，均勻沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。定子繞組的一般接線方式有：星型接線、三角形接線。</p><p><b>　　(2) 轉子</b></p><p>　　轉子是由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵心是主磁路的一部分，一般由硅鋼片疊成，轉子鐵心固定在轉軸和轉子支架上，鐵心的外表呈圓柱形。轉子產(chǎn)生的機械功率通過轉軸輸出。轉子繞組是轉子電路的

21、一部分，它分為籠型和繞線型。。</p><p><b>　　(3) 氣隙</b></p><p>　　氣隙是由電機定子和轉子間隔產(chǎn)生的。氣隙大小對電機性能及制造工藝有很大的影響。氣隙大，磁阻就大，從而勵磁電流增大，電機功率因數(shù)降低。由于氣隙大使諧波磁場減弱，電機的附加損耗降低。一般氣隙大，對電機零部件的同軸度及裝配精度的要求降低；氣隙過小，則容易引起定轉子掃膛，以及由

22、于附加損耗增加而使電機效率降低。氣隙不均勻，使轉子產(chǎn)生磁拉力，發(fā)生不平衡振動。</p><p><b>　　(4) 其他附件</b></p><p>　　端蓋、軸承、軸承端蓋、風扇等。</p><p>　　2.1.2 三相異步牽引電機工作原理</p><p>　　通過電機定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉磁場，根據(jù)法拉利電磁

23、感應定律，在轉子繞組內(nèi)將感生電流，氣隙磁場和轉子感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，這個電磁轉矩驅(qū)動電機轉動。牽引電機旋轉磁場的轉速與轉子轉速之差大于0。</p><p>　　2.2 三相異步電機的數(shù)學模型</p><p>　　2.2.1 三相異步電機在兩相靜止坐標系上的數(shù)學模型</p><p><b>　　(1) 電壓方程：</b></p&g

24、t;<p><b>　　(2.0)</b></p><p><b>　　(2) 轉矩方程：</b></p><p><b>　　(2.1)</b></p><p><b>　　(3) 磁鏈方程：</b></p><p><b>　　

25、(2.2)</b></p><p><b>　　(4) 轉速方程：</b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　上述式中：是定子繞組和轉子繞組的等效互感，是靜止坐標系上兩相定子繞組的等效自感，靜止坐標系上兩相轉子繞組的等效自感，是定子電阻、是轉子電阻，為負載阻轉矩，為機組的轉動慣

26、量，極對數(shù)，為電機轉子的旋轉角速度，為電動機的電磁轉矩。</p><p>　　2.2.2 三相異步電機在三相靜止坐標系上的數(shù)學模型</p><p>　　(1) 電壓方程式：</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><

27、p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　式中，為定子的相電壓瞬時值；為定子相電流瞬時值；為微分算子。</p><p><b>　　(2) 磁鏈方程：</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　(3) 電磁轉矩方程：<

28、/p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　為負載轉矩；為電機角速度；為機電系統(tǒng)的轉動慣量；為極對數(shù)；為與轉速成正比的阻轉矩阻尼系數(shù)；為扭轉彈性轉矩系數(shù)。</p><p><b>　　轉矩方程：</b></p><p>　　(2.9) </p><p&

29、gt;　　根據(jù)上面對三相異步牽引電機的數(shù)學模型的搭建我們發(fā)現(xiàn)電機模型是復雜的，從中我們得到下面關于電機模型的性質(zhì)總結。</p><p>　　(1) 異步電動機數(shù)學模型是一個多變量系統(tǒng)。</p><p>　　(2) 異步電機數(shù)學模型是一個高階系統(tǒng)。</p><p>　　(3) 異步電動機數(shù)學模型是一個非線性系統(tǒng)。</p><p>　　(4) 異

30、步電動機數(shù)學模型是一個強耦合系統(tǒng)。</p><p>　　結合這些特點我們發(fā)現(xiàn)分析和解耦這些方程是非?？针y的，建模結構的描繪是不清晰的。從而為我們在搭建電機仿真模型方面提出了新的要就。</p><p>　　3 三相牽引電機的建模和仿真</p><p>　　3.1 三相異步牽引電動機模型</p><p>　　3.1.1 模型坐標變換</p&

31、gt;<p>　　根據(jù)上面三相異步電動機在三相軸系上的數(shù)學模型的性質(zhì)是一個多變的、高階的、非線性、強耦合的復雜性為我們在建立模型帶來了困難，為了使得異步電動機數(shù)學模型具有可控性，必須簡化異步電機在三相軸上的數(shù)學模型，從而進行坐標變換是實現(xiàn)這一要求的必經(jīng)的途徑了。</p><p>　　所謂坐標變換就是三相軸系到二相軸系或者二相軸系到三相軸系的變換。從而實現(xiàn)簡化模型，進一步建立優(yōu)化的模型。</p&

32、gt;<p>　　3.1.2 建立模型</p><p>　　異步電動機可以通過直流開環(huán)、閉環(huán)控制結構調(diào)速系統(tǒng)建立數(shù)學模型完成交流傳動控制系統(tǒng)仿真，一般可以經(jīng)過變轉差率調(diào)速、籠型轉子變極對數(shù)調(diào)速、變壓變頻調(diào)速。為了達到最優(yōu)建立異步電動機的模型，簡化、解耦使其成為一個線性、解耦的系統(tǒng)，實現(xiàn)使仿真結果接近異步電動機的實際運行狀況，仿真模型應該與異步電動機的原始模型盡量保持一致。在這里，對比直流電動機電磁轉

33、矩和異步電動機電磁轉矩的異同以及其內(nèi)在聯(lián)系，以其作為接入點，以兩相靜止坐標系中的數(shù)學模型作為建立仿真模型的依據(jù)，在變換前后功率保持不變，利用矢量坐標變換，實現(xiàn)三相動態(tài)數(shù)學模型到兩相靜止坐標系的數(shù)學模型，并且不需要其他假設條件。</p><p>　　(1) 根據(jù)坐標變換可以得到三相異步電動機電流三相/兩相的變換矩陣。</p><p><b>　　(3.1)</b><

34、;/p><p>　　由上面的矩陣結合MATLAB/SIMULINK工具、式3.1得到三相/兩相的坐標變換模型、封裝后的模塊。如圖3.2、圖3.3所示。</p><p>　　圖3.2 三相靜止電壓/三相靜止坐標變換截圖</p><p>　　圖3.3 兩相電壓/三相電壓封裝模型截圖 </p><p>　　(2) 根據(jù)坐標變換可以得到三相異步電動機電流

35、兩相/三相的變換矩陣。</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　根據(jù)上面的數(shù)學矩陣變換模型結合MATLAB/SIMULINK工具包中的模塊可以得到三相異步電動機電流兩相/三相的模型以及模塊。如圖3.3、圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 兩相靜止電流/三相靜止坐標變換截圖</p><p&

36、gt;　　3.5 電流兩相/三相組裝模塊截圖</p><p>　　3.1.3 建立s函數(shù)以及電機模型</p><p>　　(1) S函數(shù)格式介紹</p><p><b>　　，</b></p><p>　　其中參數(shù)名是的名稱、t是當前仿真時間、x是函數(shù)的狀態(tài)向量、u函數(shù)模塊的輸入、flag是標示當前仿真階段以便執(zhí)行子函數(shù)

37、、pl1，pl2...是函數(shù)模塊參數(shù)。</p><p>　　(2) 部分程序模塊</p><p>　　根據(jù)上面數(shù)學模型、MATLAB/SIMULINK工具包中的模塊以及S函數(shù)書寫格式要求編寫程序入下，建立的電機仿真模型。</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　式中：<

38、/b></p><p><b>　　微分算子</b></p><p><b>　　M文件的建立</b></p><p>　　根據(jù)S函數(shù)建立規(guī)則以及牽引電機的數(shù)學模型建立符合電機模型得到M函數(shù)。部分程序如圖3.6、圖3.7所示。</p><p>　　圖3.6 M1.m程序截圖</p>

39、<p>　　圖3.7 M2.m程序截圖</p><p>　　程序編寫完成后保存，然后打開S函數(shù)模塊對話窗口，在函數(shù)名稱后面填寫函數(shù)文件名motor_1和motor_2，在函數(shù)參數(shù)項中輸入?yún)?shù)項目：的符號,并輸入各個參數(shù)的值。使得電機模塊將motor1.m和motor2.m文件套裝在S-Function中。</p><p>　　根據(jù)第二章異步電動機數(shù)學模型，利用MATLAB/S

40、IMULINK程序包下的Mux、Demux模塊實現(xiàn)異步電動機矩陣參數(shù)的矢量合成以及將矢量參數(shù)變換成標量參數(shù)。其模型如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 異步電機模型截圖</p><p>　　圖3.7 牽引電機封裝模型截圖</p><p><b>　?。?) 仿真模型</b></p><p>　　根據(jù)前面的牽引電

41、機數(shù)學模型以及式2.0、式2.1、式2.2、式2.3對電機的電壓、電流、轉矩綜合分析考慮可以得異步電機的仿真模型。如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 三相異步電動機的SPWM模型截圖</p><p>　　4 仿真結果及其分析</p><p>　　4.1 三相輸入電流在不同坐標上的波形圖</p><p>　　三相A、B、C輸入電流在

42、不同坐標上的波形圖，如圖4.1，圖4.2，圖4.3所示。</p><p>　　圖4.1 A相輸入電壓</p><p>　　圖4.2 B相輸入電壓</p><p>　　圖4.3 C相輸入電壓</p><p>　　4.2 三相輸入電壓子在同一坐標下的波形圖</p><p>　　三相輸入電壓在坐標系上的波形圖如圖4.4所示。

43、</p><p>　　圖4.4 A、B、C三相電壓</p><p>　　4.3 電動機理論輸出波形</p><p>　　電動機在時，定子電流、轉子電流、電磁轉矩、電機轉速的實驗波形。</p><p>　　圖4.3 定子坐標軸電流</p><p>　　圖4.4 定子坐標軸電流</p><p>　　

44、圖 4.5 轉子坐標軸電流</p><p>　　圖 4.6 轉子坐標軸電流</p><p>　　圖 4.7 電磁轉矩</p><p>　　圖 4.8 轉子轉速</p><p><b>　　4.5 結果分析</b></p><p>　　從實驗波形分析可以得到，三相異步牽引電機仿真模型的動態(tài)、靜態(tài)特性

45、與理論分析結果一直。在恒壓頻比控制下，電動機的轉速與頻率成正比，帶負載運行時有轉速降落。由于開環(huán)控制，電機啟動和突然附加負載時轉速有小的震蕩，并且有超調(diào)現(xiàn)象。</p><p><b>　　4.6 總結</b></p><p>　　通過Mutlab/Simulink實現(xiàn)對三相異步牽引電動機的建模，引用S函數(shù)將數(shù)學模型和Mutlab結合起來，最簡潔的實現(xiàn)了對電機的復雜模型

46、簡化仿真，達到了應要要求。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在我的導師*老師細心的幫助下完成的。*老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和細致的工作方法給了影響。論文的選題，參考資料的搜集，論文提綱的編寫，理論分析、仿真分析和論文撰寫過程研究生**學長都給了我細心的指導，在此表示深深的謝意。另外，非常感李老師在整個設計過程中給予的指導，他嚴謹、

47、認真的工作態(tài)度給了我極大的幫助！</p><p>　　感謝與我同組的各位同學，他們精心的幫助我，尤其在編寫論文時能及時指出我論文中存在的問題，讓我深深地感覺到了團隊合作的力量。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 湯蘊璆.電機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011;173-232.</p>

48、<p>　　[2] 薛定宇.MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2012;11-261.</p><p>　　[3] 李德華,白晶.電力拖動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008;127-176.</p><p>　　[4] 王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000;162-179.</p>&l

49、t;p>　　[5] 劉浩. MATLAB R2012a完全自學一本通[M]北京：電子工業(yè)出版社，508-557.</p><p>　　[6] 薛定宇.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].清華大學出版社，2013;129-167.</p><p>　　[7] 賀益康,潘再平.電力電子技術基礎.浙江：浙江大學出版社，2003;87-123.</p>