电机学课程设计.docx

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1、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：2022.11.262022.12.5 课程设计（论文）任务书 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(601s p f n -= （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

2、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em T 之间的关系)(em T f n =。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： )()(222122122111x x s r r s r U f p m T em += （1-2） 上式给出了电磁转矩em T 与转差率s 之间的关系，若将电磁转矩em T 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(1s n n -=，则可得到三相异步电动机的机械特性曲线)(em T f n =，如下图所示

3、： 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em T 和启动转矩st T 皆与定子电压的平方21U 成正比，而产生em T 所对应的临界转差率m s 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m w k N f E =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/f E 常数控制。 考虑到三相异步电动

4、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/f U 常数代替=11/f E 常数实现变频调速。 将式（1-2）变形可得： )()()(2221221212111x x s r r s r f f U p m T em += （1-3） 根据式（1-3）绘出保持=11/f U 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/f U 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 22cos ?I C T m T em =，

5、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N I I 22=，于是有 22222222 22)()(x s R r E x s r E I I N N N +=+= （1-4） 由上式可得 =+=N N s R r s r 22常数 （1-5） 2 参数计算 转子电感 10006.02111=f x L x =0.000191H 定子电感 10006.0212 1=f x L r =0.000191H 额定电感 1006.321=f x L m m =0.0115H 额定负载转矩 601440 212000060 2?=N N n n P T =795

6、.84N m 同步转速 2 50606010?=p f n =1500r/min 额定转差率 150014401500-= N s =0.04 电磁转矩 )()(22 2122 11 2 21 1X X s R R f s R pU m T em +=876.04N m 3 调压调速设计与仿真 目的速度n =1000，转差率s =0.33，由 )()( )(22 212 2122 1112max x x s r r s x x r r r T T e em +=1 （3-1） 得到04.876max =em N em e T T T N m 再由 )(222 212112 1 11m a x

7、x x r r U f p m T e += =0.05912 1 U （3-2） 得定子相电压应调整为 0591 .0m a x 1e T U =121.75V 3.1 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

8、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 /6014401500r n =-=?，变频调速前后不变，因此变频后的同步速1N n =900+60=960r/min ，由p f n 160= 得1f =32Hz ； 根据=11/f U 常数，解得1U =140V 4.2 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

9、： 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N s =0.04， 根据式子（1-5）=+=N N s R r s r 22常数 ，解得 =29.0R ，=16.1R 5.2 SIMULINK 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

10、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

11、，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

12、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，2022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