基于MATLAB的交流电动机调速系统仿真与分析

1、摘 要异步电动机又称为感应电动机，异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。异步电动机与其它电动机相比，具有结构简单，运行可靠，效率较高、制造、使用和维护方便及重量轻成本低等优点。此外异步电动机还还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。由于异步电动机具有上述许多优点，在电动机领域中得到了广泛的使用。目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，可用动

2、作系统的建模和仿真。在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。全论文分为六个部分，第一章对异步电机的应用发展做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，从第三章到第六章则是对异步电动机的机械特性、启动、调速、制动进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。经分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。关键词：异步电机 数学模型 MATL

3、AB仿真第一章 异步电动机的概述1.异步电动机的发展概况1.1我国电机制造工业发展近况与发展趋势 随着我国改革开放的进一步深入以及WTO的加入，我国小功率电机又迎来了一个全新的发展阶段，这一阶段大量的外资企业进入我国，在为我们带来先进的管理经验的同时也带来了先进的技术和生产设备。国内企业借机吸收引进国外先进的技术，投入大量资金进行技术改造，引进不少先进制造设备和测试设备，大大提升了国内小功率电机行业的技术水平。随着CAD/CAM等软件进行计算机辅助设计、辅助制造技术的大量应用以及以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等的组合，由计算机控制材料、部件的供应管理达到全厂高效率、高质量

4、的全自动化均衡生产的实现，产品研发和生产周期大大缩短，制造成本显著降低；电子计算机和电力电子技术的发展使小功率电机产品进入了一个新时期，交流变频调速已经逐步取代直流电机调速，逆变器与异步电机结合一体，有标准的电机安装尺寸、调速比101的逆变器电动机已经工业化生产，有程序控制功能的智能电动机、开关磁阻电动机等已经应用于各个领域，显示出显著的技术优势，无刷直流电动机、盘式永磁直流电动机、薄型稳速电动机等产品也以较高速度发展；再加上新型稀土磁钢的使用，使小功率电机本机制作体积越来越小；再则电机与整体结构一体化技术的引入进一步缩小了体积，简化了结构，提高了系统精度和可靠性，集电子技术、微电子技术、传感

5、器技术于一体的小功率电机不仅可实现多功能，而且可借助计算机记忆、运算、处理功能提高电机控制精度和灵敏度，成为智能化产品。所有这些新材料、新技术的应用都不断促使小功率电机日益朝着薄型化、智能化和机电一体化方向发展。 据统计，我国电机耗电占全国耗电量的60%以上，其中小型三相异步电机耗电约占35%，中国各类电动机的装机容量已超过4亿kW，其中异步电动机约占90%，中小型电动机约占80%，拖动风机水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。所以在我国开发推广高效电机是提高能源利用率的重要措施之一，也符合国际发展趋势。 我国目前已具备了生产高效电机的技术条件，但由于市场条件不够成熟，产量和市场容量都较小

6、。1999年高效电机国内市场占有率仅2%，2000年为4.7%；2001年也只有6.5%，其中70%以上为出口。异步电机的种类：(1) Y(IP44)系列异步电动机 电动机容量从0.55200kW，B级绝缘，防护等级IP44，达到国际电工委员会(IEC)标准，产品达到20世纪70年代末国际水平，全系列加权平均效率比JO2系列提高0.43%，年产量约2000万kW。(2) Yx系列高效电动该类电机由上海电器科学研究所组织电机行业研制成功，容量1.590kW，有2，4，6等3种极数。全系列电动机效率平均比Y(IP44)系列高3%左右，接近国际先进水平。适用于单方向运行，年工作时间在3000h以上。

7、负载率大于50%的场合，节电效果显著。该系列电动机产量不高，年产量约1万kW。 近十多年来，国家致力于推广电动机调速技术，各行各业都在一定程度上采用了电动机调速。据石油、电力、建材、钢铁、有色、煤炭、化工、造纸、纺织等部门最近对企业抽样调查结果，石油、建材、化工行业电动机调速应用较好。在目前4亿kW的电机负载中，约有50%是负载变动的，其中的30%可以通过电机调速解决其负载变动问题。因此仅就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市场。国家已明令不再生产JO2系列异步电机，“九五”期间将生产Y系列、Yx系列及其它通用或专用高效节能电动机约1.5亿kW(未包括更换现有JO2型用的新型电动

8、机)。估计2000年和2010年Y和Yx系列电机的市场占有率将分别达到50%，90%和10%，30%左右。由高效电机替代JO2电机所形成的节电量将分别为，114亿kWh和366亿kWh。 1.2 异步电机在国外的发展状况 欧洲市场的中国电机销售主要以小型电机为主，功率最大是100多千瓦，最小功率甚至还不到1千瓦，而大型电机还是一个空缺。欧洲市场对电机效率的标准要求高于西亚，东南亚而低于美国，不但适合于我国企业生产和出口，而且在合理和有序开发的前提下还能保证出口企业获得适当的利润，同时该市场多以欧元结算，在目前欧元坚挺的情况下应该是出口企业首选的开发目标。取得了一定的成效。这些节能产品主要分成两

9、大类：一类是提高电动机效率的高效电动机，另一类是调速电动机。调速电动机的代表产品根据其调速方式可以划分为：(1) 变极调速电机 主要产品有已批量生产的YD(90.45160kW)，YDT(0.17160kW)，YDB(0.3582kW)，YD(0.224kW)，YDFW(6304000kW)等8个系列产品，达到国际平均应用水平。(2) 电磁滑差调速电机 国外已批量生产YCT(0.5590kW)，YCT2(15250kW)，YCTD(0.5590kW)，YCTE(5.5630kW)，YCTJ(0.5515kW)等8个系列产品，达到国际平均应用水平，其中YCTE系列的技术水平最高，最有发展前途。(

10、3) 变频调速电机 主要用于风机、水泵、压缩机等负载变化较大场合和精密机械等需要过程控制的场合。 高效电机 以Y系列交流异步电动机替代JO2型电机基本不受机型限制，因此，所有应用交流异步电动机的场合都可以用Y系列电机取代JO2系列电机。Yx系列电机的市场潜力受到其容量的制约。原则上，90kW以下的交流异步电动机可以由Yx系列的高效电机取代。90kW以下的交流异步电动机装机容量约占交流异步电动机总量的30%左右。2.意义(应用）选题的依据及意义现在社会中，电已经和空气一样，融入到我们的日常生活中。在日常生活中，我们不仅使用电灯照明，还使用如空调、冰箱、洗衣机等众多家用电器。最近，随着生活中自动化

11、技术应用的发展，越来越多的产品和设备作用使用了电机。电机在国家经济建设，节约能源、环保和人民生中起着十分重要的作用。发电机主要用于移动电源、风力发电、小型发电设备中；电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，电动机主要用于驱动水泵、风机、机床、压缩机、冶金、石化、纺织、食品、造纸、建筑、矿山等机械产品上。随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电气化与自动化水平不断提高，国民经济各部门对异步电动机的需求量日益增加，对其性能，质量，技术经济指标也相应地提出了越来越高的要求。因此，对异步电动机品种，必须适时实地做出更新与发展，以适应各个新兴工业领域不同的特殊要求，特别是对需求量最大的中小型异步电动机

12、，在保证其质量运行，寿命长和能满足使用要求的同时，进一步节约铜、铁等材料，提高效率和功率因数，以提高其经济技术指标与降低耗电量，是具有十分重要的意义。由于Y系列异步电动机具有体积小，重量轻，运行可靠，结构坚固耐用，外形美观等特点，具有较高的效率，有良好的节能效果，而且噪音低，寿命长，经久耐用。作为普遍用于拖动各种机械的动力设备，其用电量在总的电网的总的负荷中占有重要的一席。Y系列共有两个基本系列、十六个派生系列、九百多个规格，能满足国民经济各部门的不同需要。所以设计研究三相异步电动机意义重大。3.研究现状 电动机是作为使用电能的动力源进步和发展起来的，在今天，电动机技术仍然是支撑人们日常生活的

13、关键技术。电动技术机械设备的关键组成部分。 随着使用领域的发展和进步，对电动机的要求越来越搞高，电动机作为许多机器的内部动力源，电机的性能越来越受到重视。对电动机的恒速特性、调速特性、控制特性、振动、噪音、电气噪音、寿命、可靠性、多功能化、精密控制、节能、维护方便等指标。稳定并且高可靠性地满足用户的需求。这都是电动机现在技术的评价基准。同时，设计、评价技术、测量技术，半导体、半导体控制技术，轴承、绝缘材料技术，制造、加工技术等所有技术都等到了提高和进步。与这些提高相关联的电机小型轻量化、高效率化，大转矩、低价格、低噪音等技术的进步，使电机向高效率、精密控制、高性能的发展及利用可再生材料等技术成

14、为社会的需求。纵观世界电机产品的发展历程，它始终跟随着工业技术的发展，在相互竞争、相互促进中完善着 自身，发生着变革。电机产品的发展过程大约可以划分为四个发展阶段。从 19世纪30年代到80年代为直流电机时代，19世纪末叶，出现了交流电，随之交流电动传动在工业中逐步得到了广泛应用，20世纪50年代以后，随着电力电子学理论、微电子技术和现代控制理论的发展，使电机产品进入快速发展时期，先进的制造技术使传统的电机产业焕发出了勃勃生机，交流电机代替直流电机也成为必然的趋势。随着电机理论的不断完善，高新技术的快速发展，可以预言：未来的电机产品将朝着高性能化、智能化、微型化和网络化的方向发展。高性能化：

15、社会的高速发展要求未来的电机产品不仅要具备宽调速范围、高稳速精度和快速动态响应及四象限运行等 良好的技术性能，而且要具备优 良的动、静态品质 。智能化： 随着模糊控制技术、专家系统技术、神经网络技术和智能工程技术的发展，电机产品智能必将取得重大的突破，未来的电机产品必将能够 自行进行 自我诊断、参数识别和 自动设置，其功能更高，适应性更强。微型化： 现代的机电一体化产品发展的趋势向着微型机器和微观领域发展，其最小体积正在向着纳米、微米的范畴进发，作为其传动部件的电机，也必然向着微型化的方向发展。现在已有超小型静电电机产生，其直径仅 14 m，轴颈 10 m，长约l0 m，转速达 lOOrrai

16、n；转速可达rmr的70ram3v：d-静电电机 已经投入使用 ，微型电机已在许多科学领域发挥着巨大作用。网络化： 计算机网络技术的推广和应用，必将把所有的单个电机与计算机网络相连接，并通过网、络进行远程控制，使 电机资源得到更加合理的有效利用。4.内容安排：5、交流电动机调速系统第二章 异步电动机2、交流异步电动机调速原理4.1 异步电动机的交流调速系统 在很长的一个历史时期内，直流调速系统以其所具有优良的静、动态性能指标垄断调速传动应用。直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。其缺点主要包括：维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流和转

17、速的上限值。均受到换向条件的制约，在一些大容量的调速领域中无法应用。 而异步电动机特别是鼠笼异步电动机有一些固有的优点：容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。 但是在过去很长的时间里由于交流电动机调速困难的致命缺点，简单调速方案不能得到很好的性能指标。20世纪70年代之后，随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。目前，从数百瓦级的家用电器到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，

18、可以说无所不包的都可用交流调速传动方式来实现。交流调速传动已经从最初的只用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。交流调速传动控制技术之所发展得如此迅速，与一些关键性技术的突破性进展有关，这些技术包括电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。控制相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但是转差频率控制并未能

19、实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。目前，交流调速系统的主要应用方向可分为如下三大类。（1） 以节能目的的改恒速为可调速。在原来大量的交流不调速领域（如风机、水泵、压缩机等）中，改直流启动为软启动；改恒速为可调速；在调速性能要求不高的场合，为降低成本采用开环调速。仅以泵的控制改造为例，节电高达20%以上。（2） 以少维护省力为目的的取代直流调速系统。在直接关系到生产和人身安全的重要场合，为减少直流电机的故障和节省维护时间，改用交流调速系统。如直流电梯改为交流电梯，有利于保证人身安全，增加正常运转运营时间；直流轧机改为交流轧机，可以大大节省检修时间，提高生产效率；电动汽车中采用交流驱动，可以减小体积和重量，提高可靠性。（3） 直流调速难以实现的领域在直流电机很难实现的大容量高速领域，交流调速系统可以大显身手。如电动机车、厚板轧机、高速电钻等。从多方面来看，交流调速系统完全可以取代直流调速系统，并将为工业生产以及节电节能等方面带来巨大的经济效益和社会效益。4.2异步电动机调速原理 异步电动机的转速表达式为： （4-18）其中，为电机的定子供电频率；为电机极对数；为转差率。因此实现异