基于Matlab三相异步电动机起动、调速和制动特性仿真

信息工程学院 专业方向设计任务书 专业班级 学生姓名 学　号 设计题目 基于Matlab的三相异步电动机起动、调速和制动特性仿真 设 计 任 务 书 设计要求：
以matlab软件为平台，搭建三相异步电动机模型，要求如下：
1）了解三相异步电动机的相关理论知识；

2）掌握三相异步电动机的起动、调速、制动方法；

3）掌握Matlab电力系统相关元件参数的设置，并完成仿真。

设计内容：
1）三相异步电动机仿真图及各部分模块参数设置图；

2）完成异步电动机常见的起动、调速、制动特性仿真；

3）仿真运行结果及分析；

4）根据设计报告模板要求撰写设计报告。

设计成果形式：R设计报告打印稿；
R软件；
£实物；
£图纸；
£其他 时间安排 时间 设计内容 2016.9.6-2016.9.8 指导教师与学生联系，下达设计任务 2016.9.9-2016.9.23 进行方向设计 2016.9.24-2016.9.29 撰写报告，完成方向设计，准备答辩 指导教师签名：
年 月 日 学生签名：
年 月 日 基于Matlab的三相异步电动机 起动、调速和制动特性仿真 摘要：
异步电动机目前在日常生活中已得到广泛应用，其主要特点为结构简单、运行可靠、效率较高和成本较低。为使其应用更加广泛且性能更加完善，有必要对其最基本的起动、制动和调速性能进行深入研究。而随着电机研究的不断深入，仿真就成为对其进行研究的一个重要手段，其中Matlab软件以其方便、高效、直观的特点，广泛应用于异步电动机的仿真研究，方便快捷且节约资源，为解决一些复杂问题带来了极大的方便。本文通过Matlab软件进行仿真，研究异步电动机起动、调速和制动的各种方法，以找到提高其性能的途径，并通过与理论相对比，验证了本文模型的有效性和正确性。

关键词：Matlab；
仿真；
异步电动机 Simulation for Start-up ,Speed Control and Braking Character of Three-phase Asynchronous Motor Based on Matlab Abstract:Asynchronous motor has been widely used in our daily life at present, the main characteristics of simple structure, reliable operation, high efficiency and low cost. In order to make its application more widely and performance will be improved, it is necessary for the most basic starting, braking and speed regulating performance for further research. And with the research of motor, the simulation has become an important means to study, the Matlab software, with its convenient, efficient and intuitive features, are widely used in the simulation research of asynchronous motor is convenient and save resources, to solve some complex problems has brought great convenience. Based on the Matlab software simulation, the asynchronous motor starting, speed and braking methods, in order to find ways to improve its performance, and compared with the theory, proves the correctness and the effectiveness of the model. Key words: Matlab; simulation; asynchronous motor 1 设计目的和意义 1.1 概述 在科学技术发展迅速的当今社会，电机已经成为生活中必不可少的一部分，为人们的生产生活提供了极大的方便。由于电机的不可或缺性及对生产生活水平极大的推动性，各国都对电机进行了较为深入的研究，以求在国际竞争中更加具有优势。

随着电机研究的不断深入，电机控制系统变得越来越复杂，给实验增加了很大的难度。仿真的出现给予了复杂的实验以极大的方便，降低了实验成本，提供了一种方便快速的实验方法。如今仿真已经是进行电机研究的一个重要且不可或缺的手段，此时更需要找到一个使仿真结果快速、方便、精确的软件加以研究应用。Matlab软件可以很好的实现这些要求，其为众多需进行有效数值计算的科学领域提供了一种全面的解决方案，集成度高、使用方便、输入简捷、运算高效、内容丰富。其中的Simulink模块是Matlab中的一种可视化仿真工具，无需书写程序，只需鼠标操作，就可以构造出复杂的系统，被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

1.2 研究意义 异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，因此被广泛应用于电力拖动系统中。但就其机械性能来说，目前还存在不少可研究的问题，主要就在于起动、调速和制动。为了将其更好的应用在生产生活中，提高经济效益，就必须对这几点问题进行深入研究。首先，三相异步电动机的起动是一个动态问题，电机起动的瞬间，定子绕组中通过的电流很大，约为额定电流的4-7倍，如果起动持续时间过长或起动次数过多，大的起动电流就会使电机过热甚至烧毁，从而影响同一线路上其他用电设备的正常工作。其次，三相异步电动机虽在各领域中得到了广泛应用，但其调速性能和制动性能都不如直流电机，因此要使交流电机电力拖动系统逐步取代直流电机拖动系统，就必须改进异步电动机的调速性能和制动问题，以使其具有更好的经济效益。

2 设计要求及设计内容 2.1 设计要求 以matlab软件为平台，搭建三相异步电动机模型，要求如下：
1)了解三相异步电动机的相关理论知识；

2)掌握三相异步电动机的起动、调速、制动方法；

3)掌握Matlab电力系统相关元件参数的设置，并完成仿真。

2.2 设计内容 1）三相异步电动机仿真图及各部分模块参数设置图；

2）完成异步电动机常见的起动、调速、制动特性仿真；

3）仿真运行结果及分析；

4）根据设计报告模板要求撰写设计报告。

3 三相异步电动机的起动特性仿真 异步电动机起动性能的衡量主要依靠两个标准：起动电流倍数和起动转矩倍数。而起动电流和起动转矩这两个性能参数又往往相互矛盾。为减小电动机所承受的冲击电流，避免绕组过热甚至损坏，以及减小电网在电动机上产生的电压降落，避免引起电网电压大幅度下降，从而影响其他电气设备的正常运行，就要求起动电流尽可能的小。但太小的起动电流所产生的起动转矩又不足以起动负载，为使电机能迅速转动起来，并很快达到额定转速，进入正常工作状态，就要求电机有足够大的起动转矩。起动过程虽较为短暂，但如果缺乏完善的预防措施，可能会导致严重的后果。为此，我们希望能够在起动电流较小的情况下，能够获得较大的起动转矩。

3.1 直接起动 直接起动，也称全压起动，是三相异步电动机最简单的一种起动方法。起动时通过接触器将电机直接接入电网，设备简单，起动速度快且起动转矩大。但直接起动适用于小容量电机带轻载的情况，对于大容量电机而言，这种起动方式具有十分显著的缺点，及起动电流较大，可达额定电流的4-7倍，易对电机和电网造成不利影响。因此，当额定功率小于7.5kW时，可以采用直接起动。

仿真模型：
图3-1 异步电动机直接起动仿真模型 参数设置：1）交流电压源。电压峰值311V，每相相角相差120度，频率为50Hz 2）增益。取30/p 3）三相异步电动机。

仿真结果：
图3-2 异步电动机直接起动仿真波形 结果分析：刚起动时，转差率大，转子电流和定子电流都很大，各可达到165A和183A，最大转矩为500N*m。随着转速的上升，电流逐渐减小，最终电机转速稳定在1500r/min左右，非常接近同步转速。由于是轻载，转子电流、定子电流和负载转矩接近于零。该直接起动系统起动时间约为0.12s左右，启动速度较快。由此可以得知直接起动的优缺点主要在于起动方式简单且起动时间短，但起动电流较大，易对电机和电网造成冲击，导致电机的损坏及电网电压的降低。

3.2 串电阻起动 当电动机全压起动将引起配电系统的压降过大，或条件不允许采用全压起动时，可以采取降压起动，串电阻起动就是降压起动中的一种。串电阻起动时，在电机的定子电路中接入电阻，使电阻在起动过程中起到分压的作用，从而减小机端电压，以达到减小起动电流的目的。待电机起动过程结束后，再将电阻短接，从电路中切除，电动机仍在正常电压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，常应用于中小型机床中。但其缺点也十分明显，由于串入了电阻，电机起动时电阻上通过的起动电流会产生热损耗，从而带来不必要的电能损失，造成能源浪费，降低了经济效益。且起动时间较长，在不能满足需要频繁起动的系统的要求。

仿真模型：
图3-3 异步电动机串电阻起动仿真模型 参数设置：1）三相电阻值为10欧 2）阶跃信号触发时间为0.2s 3）其余参数与直接起动相同 仿真结果：
图3-4 异步电动机串电阻起动仿真波形 结果分析：串电阻起动的目的在于降低起动电流。由仿真结果可知，在0.2s以前，由于电阻的分压作用，施加到电机上的电压未达到全压，从而达到减小机端电压的目的，因此，其起动电流远远小于直接起动时的起动电流，约为28A左右；
转速呈缓慢上升的状态。在0.2s后断路器合闸，电机投入全压运行，各参数呈现出较大的波动，最终转速稳定在1500r/min，由于轻载原因，其他各参数都接近于零。其缺点在于起动时间较长，且起动转矩相比于直接起动有所减小，不利于电动机的起动。

4 三相异步电动机的调速特性仿真 由于直流电动机的转速相较于交流电动机更容易控制和调节，因此交流调速系统在相当长的时期内性能都落后于直流调速。直流调速以其调速范围广、静差率小、稳定性好及具有良好的动态性能等优点，占据了很大的优势。但随着科学技术的不断发展，直流调速系统的缺点也逐渐显现。由于直流调速系统使用电刷和换向器，在电机运行过程中易产生火花，对电机寿命造成影响，且其维护工作量较大，最高转速、单机容量及使用环境等都受到一定的限制，因此应用范围较窄。

而三相异步电动机由于自身结构的特点，制约了其自身的调速技术的发展，因此调速较为困难，这常作为它的一个缺点被提出。随着科学技术的发展，特别是电力电子和计算机技术的发展，交流调速系统取得了相当大的进展，并且正在逐步取代直流调速系统。

异步电动机转速公式为：
从该转速公式可以看出，改变电动机的定子电源频率，转差率s及极对数p，都可以达到调速的目的。

4.1 变频调速 变频调速是指改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速技术的飞速发展，为异步电动机实现平滑调速提供了可能，只要实现频率的连续调节，就可以平滑调节转速。变频调速系统的主要设备是变频器，目前使用最多的是交-直-交变频器，特点是效率高，调速过程中没有附加损耗，应用范围广，调速范围大，精度高；
但其技术复杂，造价高且检修维护较为困难。

在此只研究频率对转速的影响，因而省略前面变频器对变频的实现部分，采取直接改变三相电源频率的方法进行研究。

仿真模型：
图4-1 异步电动机变频调速仿真模型 参数设置：1）交流电源频率由50Hz变为40Hz 2）三相断路器状态切换时间为0.4s 3）其余参数与直接起动相同 仿真结果：
图4-2 异步电动机变频调速仿真波形 结果分析：变频调速通过改变定子电源的频率，来改变基波旋转频率，从而改变转差率，以达到调速的目的。由仿真结果可知，在0.4s时定子电源的频率由50Hz变为40Hz，使得转差率减小，并最终使转速由1500r/min降为1200r/min，根据频率与转速的关系n=60f/p可知，结果正确且达到了调速目的。

4.2 调压调速 所谓调压调速，就是通过改变定子的外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的。根据异步电动机的机械特性方程式 其中 、——电动机的极对数和转差率 、——电动机定子相电压和供电角频率 、——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻 、——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感 可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。通过改变定子电压，可以得到不同的机械特性，从而实现调速。

交流调压调速系统一般采用晶闸管的三相交流调压电路，其优点在于线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉，从而得到了广泛的应用。此处只讨论电压变化对转速的影响，因而省略调压的实现部分，采用直接改变三相电源电压的方法来模拟调压结果。

仿真模型：
图4-3 异步电动机调压调速仿真模型 参数设置：1）三相电源电压峰值由311V变为100V 2）三相断路器状态切换时间为3s 3）三相负载相电压220V，频率50Hz，有功1e3W，感性和容性无功各为100var 4）其余参数与直接起动相同 仿真结果：
4-4 异步电动机调压调速仿真波形 结果分析：由于空载时电压变化不明显，因此增大负载转矩为20。在三相电源峰值为311V时，转速最终稳定在1475r/min左右；
在0.2s时将电源峰值切换为100V，转速最终稳定在1126r/min左右，达到调速目的。

4.3 变极调速 通过改变异步电动机绕组的极对数，从而改变同步转速的方式称为变极调速。在电网频率固定以后，三相异步电动机的同步转速与它的磁极对数成反比，因此，只要改变异步电动机定子绕组的磁极对数，就能改变电动机的同步转速，从而改变转子转速。在改变定子极数时，转子极数也要随之改变，为了避免对转子进行变极改接的麻烦，变极电动机常用笼形转子，因为笼形转子本身没有固定的极数，它的极数由定子磁场极数确定，不用改装。采用此方法调速的为变极多速异步电动机，结构与普通异步电动机相似。

变极调速通过外部开关切换，来改变定子绕组的串并联关系，以改变其极对数。其特点为接线简单、控制方便、无附加转差损耗，电气传动效率高且设备费用较低，但其主要缺点在于其为有级调速，不能连续调节转速，无法实现较高效率的平滑调速。

仿真模型：
图4-5 异步电动机变极调速仿真模型 参数设置：1）电机极对数由2变为3 2）其余参数与直接起动相同 仿真结果：
图4-6 极对数为2时仿真波形 图4-7 极对数为3时的仿真波形 结果分析：在极对数为2时，转速稳定在1500r/min，将极对数变为3后，转速稳定在1000r/min，符合转速与极对数之间的对应关系，达到了调速目的。

5 三相异步电动机的制动特性仿真 在切断电源后，利用电气原理或机械装置使电动机迅速停转的方法称为三相异步电动机的制动。因此，制动的方法大致分为两类：电气制动和机械制动。

电气制动是使电动机产生一个和转子转速方向相反的电磁转矩，使电动机的转速迅速下降。一般包括反接制动、能耗制动和回馈制动。

机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转的制动方法，常用的方法有电磁抱闸和电磁离合器制动。

此处仅讨论电气制动中的反接制动和能耗制动。

5.1 反接制动 反接制动是在需要使电动机停转时，将定子电源任意两相反接，依靠其产生的制动力矩，迫使电动机迅速停转。反接制动的优点在于制动力强、制动迅速；
但其缺点在于制动准确性差，制动过程中冲击强烈，易损坏传动零件，不宜经常使用。

反接制动时一般使用速度继电器与之相配合，当检测到电动机转速下降到接近于零时，切断电源，使电动机停止转动。由于Matlab中没有速度继电器，因此采用三相断路器模拟。方法为观察反接时的波形，找到转速过零的点，在该时刻设置三相断路器断开，切断电源，从而使电动机停转。

仿真模型：
5-1 异步电动机反接制动仿真模型 参数设置：1）三相断路器1，2的状态转换时间设为0.4s 2）三相断路器3的状态转换时间为0.4255s 3）其余参数与直接起动相同 仿真波形：
图5-2 异步电动机反接制动仿真波形 结果分析：在0.4s以前电动机正常运行，在0.4s时将三相电源的其中两相反接，转速开始迅速减小，并有变为反转的趋势。在转速接近于零时，断路器3断开交流电源，避免电动机反转并使其迅速停止。由定子与转子的波形可知，在反接时定子和转子电流迅速反相增大，会给电机造成很大的冲击。且在反接时转矩突然增大，易损坏传动零件。但其优点也显而易见：制动迅速，只有0.02s左右。

5.2 能耗制动 在异步电动机处于运行状态时，断开其三相交流电源，同时将一直流电源接入定子的任意两相，此时电动机就进入了能耗制动状态。制动时先断开电源开关，切断电动机的交流电源，这时转子仍沿原方向惯性运转；
随后向电动机两相定子绕组通入直流电，使定子中产生一个恒定的静止磁场，这样作惯性运转的转子因切割磁力线而在转子绕组中产生感应电流，又因受到静止磁场的作用，产生电磁转矩，正好与电动机的转向相反，使电动机受制动迅速停转。由于这种制动方法是在定子绕组中通入直流电以消耗转子惯性运转的动能来进行制动的，所以称为能耗制动。

能耗制动的有点在于制动准确平稳，且能量消耗较小。其缺点在于需增加直流电源装置，设备费用较高，制动力较弱。所以能耗制动一般用于要求制动准确、平稳的场合。

仿真模型：
图5-3 异步电动机能耗制动仿真模型 参数设置：1）直流电源为100V 2）电阻R为1欧 3）各短路器动作时间均为0.4s 4）其余参数与直接起动相同 仿真结果：
图5-4 异步电动机能耗制动仿真波形 结果分析：由于在定子间串入了电阻，电机由于惯性继续转动过程中转子继续切割磁力线产生电流，定子存在回路，感应出的电能消耗在串入的电阻值之中，将机械能转化为电能消耗在电机内部。由仿真结果可见，在制动瞬间定子电流、转子电流与转矩有小幅度波动，而转速下降速度相比自由停车过程明显加快，因此能耗制动有效的缩短了制动时间，提高了电机的制动效率。

6 总结 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，在日常生活中得到了广泛的使用。异步电动机的调速性能和制动性能虽一度落后于直流电机，但随着科学技术的发展和电力电子技术的出现，这些问题已基本得到解决，交流电机的性能也已普遍优于直流电机，且正逐步取代直流电机。本次设计以异步电动机为内容，主要研究了其起动、调速和制动特性，并通过Matlab的Simulink工具箱对其进行了建模和仿真，并根据仿真结果，对该系统的各种输出关系进行了研究。

异步电动机的各种起动、调速和制动方法的特点总结如下：
1）直接起动和串电阻起动 直接起动：设备简单，起动时间短且起动转矩大；
但起动电流较大，易对电机造成较大冲击且使电网电压下降。一般用于小容量电机带轻载的情况。

串电阻起动：起动电流较小，可减小对电机的冲击和对电网电压的影响，设备简单；
但其起动转矩也相应减小，起动时间较长，且串入的电阻会产生热损耗，从而带来额外的电能损失。一般用于不允许采用全压起动，且不需频繁起动的场合。

2）变频调速、调压调速和变极调速 变频调速：调速范围大、精度高，且可实现转速的平滑调节；
但其计数复杂，造价高且检修维护较为困难。一般用于需要平滑调速的场合。

调压调速：结构简单，调试容易，维修方便且成本低廉；
但效率较低。适用于风机类负载的调速。

变极调速：接线简单，控制方便，无附加转差损耗且设备费用较低；
但为有级调速，无法实现效率较高的平滑调速。一般用于不要求实现平滑调速的场合。

3）反接制动和能耗制动 反接制动：制动力强，制动迅速；
但制动准确性差，制动过程中冲击强烈，易损坏传动零件，不宜经常使用。

能耗制动：制动准确平稳，能量消耗较小；
但需增加直流电源装置，设备费用较高，且制动力较弱。一般用于要求制动准确、平稳的场合 参考文献 [1] 汤蕴璆. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [2] 王晶，翁国庆，张有兵. 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2008. [3] 范国伟. 电机原理与电力拖动[M]. 北京：人民邮电出版社，2012. [4] 陈亚爱，周京华. 电机与拖动基础及MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [5] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2010. [6] 孙克军，常宇健，孙会琴. 电力拖动基础[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [7] E.Otten.The Motor System: The Whole and its Parts[M]. Neural Plasticity,2001. [8] Francesca Ferri,Francesca Frassinetti,Marcello Costantini,Vittorio Gallese. Motor Simulation and the Bodily Self[M].The University of Melbourne,2011.