异步电动机调速

课程设计

所属系部： 自动化系 专业班级： 课题成员： 指导教师（职称）： 成 绩： 课程设计时间： 2013.06.17 至 2013.06.23

2013年6月

目录

一．选题背景............................................................................................. 3 二.课程设计目标与要求 ........................................................................... 3 三．课程计算............................................................................................. 3 四．机械特性和负载特性图 .................................................................... 5 五．能量的传递过程 ................................................................................ 9 六．感悟 ................................................................................................... 10 七．参考文献........................................................................................... 11 八．三相异步电动机变频调速仿真模型 .............................................. 11

一．选题背景

异步电机具有结构简单可靠，维护少，成本低，容量大的优点，所以在其出现后不久的时间内，几乎取代了所有的不变速直流电机成为最主要的拖动装置。三相鼠笼式异步电动机的启动有两种方式，第一种是直接启动，即将额定电压直接加在定子绕组端。第二种是降压启动即在电动机启动时降低定子绕组上的外电压，从而降低启动电流。启动结束后，将外加电压升高为额定电压，进行额定运行。降压式启动又分为自耦变压器降压启动和星形—三角形启动。两种方法各有优缺点，应视具体情况而定。

二.课程设计目标与要求

一台鼠笼式异步电动机，定子侧Y连接，已知数据为：额定功率PN = 10kW，f = 50 Hz，2p =8，UN = 380 V，nN = 730r/min，R1 =R2'=0.02Ω，x1σ = x2σ’=0.04Ω，xm = 3.4Ω，ki = ke = 0.02，忽略铁耗。启动电流限定为2倍的额定电流。试求：

若维持转轴上的负载为恒转矩的额定负载为23N.m，采用Y-Δ启动，能否正常启动，若能绘制出Y-Δ启动时的机械特性，若不能，采用定子侧串自耦变压器启动，选择自耦变压器的型号和启动比；若负载为恒转矩的额定负载为15N.m，重复上述的计算过程和绘图过程，计算其它参数，用Matlab中的SIMULINK做出机械特性图和负载特性图，分析能量的传递。用Matlab中的SIMULINK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真调速前后定子电流与转子转速波形。

三．课程计算

异步电动机的T形等效电路图

对于定子绕组正常运行时是三角形连接的异步电动机才可采用星形—三角形启动，而本题是是星形连接，所以不能用星形—三角形启动。采用自耦变压器启动方法如下：

n1n7507300.027 n1750x10.04修正系数C1111

xm3.4额定转差率SN电感L1L2x10.040.000127H 2f23.1450电感Lmxm3.40.01H 2f23.14502200308.88A

0.020.04j3.4j0.0270.020.04j0.020.04j3.4j0.0272U额定电流IZ2ZmZ1Z2Zm启动电流Ist额定电磁转矩

m1pU12w1U1r1r2x1x222200.040.08222444.44A

TemN0.02r23420.027sn22022223.1450r1c1rx1c1x20.022sn0.020.040.040.0272694.1Nm启动转矩

m1p3422020.02r222TstU12204624.2Nm2222w10.040.08r1c1r2x1c1x223.1450

PN130.88nN额定转矩 260Tst23负载启动转矩倍数 0.176

TN130.88

Tst4624.2启动转矩倍数 1.7

TN2694.1

IST电网要求的电流启动倍数 2

IN

IST2444.44启动电流倍数 8.172

IN302.4

TN设自耦变压器变比为Ka，电网供给的启动电流 I1st所以

自耦变压器启动时启动转矩 Tst 所以采用40%的电压抽头。

150% Ka11Ist8.1722 Ka2Ka2Tst1.71，所以0.17632%

Ka2Ka2Ka2Tst150.115 TN130.8811设自耦变压器变比为Ka，电网供给的启动电流 I1st2Ist28.1722

KaKa1所以50%

KaTst1.71自耦变压器启动时启动转矩Tst220.115，所以226%

KaKaKa所以采用40%的电压抽头。

当启动转矩为15Nm时，同理负载启动转矩倍数

四．机械特性和负载特性图

异步电机固有机械特性方程：

Temm1pU122w1r22r1x1x2s

r2s参数如下： p=4; m1=3;

u=380/sqrt(3); f=50; R1=0.02; R2=0.02;

X1=0.04; X2=0.04; s=0.01:0.01:1;

Tem=p.*m1.*u.^2.*R2./s./2./pi./f./((R1+R2./s).^2+(X1+X2).^2); n=750*(1-s); plot(Tem,n,'r'); ylabel('转速/r/min'); xlabel('电磁转矩Tem/N*m'); 运行得到的机械特性曲线：

负载特性： p=4; m1=3;

u=380/sqrt(3); f=50; R1=0.02; R2=0.02;

X1=0.04; X2=0.04; s=0.01:0.01:1; Tem=23; n=750*(1-s); plot(Tem,n,'r'); ylabel('转速/r/min'); xlabel('电磁转矩Tem/N*m'); 运行得到的图形：

五．能量的传递过程

输入电功率 P1m1U1I1cos13220302.40.94187608.96W 定子铜耗 pcu1m1I12r13302.420.025486.75W

定子铁耗 pFem1Im2rm0

转子铜耗 pcu2m1I22r230.022770.824606.5W

1s166009.6W spcu2电磁功率 PMP1pcu1pFe170611.08W

s总的机械功率 Pim1I22r2异步电动机通过电磁能量转换，将电网输入的电功率转换成转子输出的机械功率，pFe为气隙旋转磁场在定子铁心中形成交变磁通所产生的定子铁损耗，正常运行时，转子中磁通交变频率很小，故转子铁损耗可以忽略不计；Pi为总的机械功率又称内功率，它是从等效电路上直接反映转子输出的机械功率，转子轴上实际输出功率还应扣去电机旋转过程中不可避免的摩擦损耗和风阻损耗，通称机械损耗pmec与电机转速大小有关，除了以上的损耗以外的统称附加损耗pad，它是异步电动机中谐波磁通和基波磁通在定子，转子导体，铁心及其金属部件中所产生的附加铁耗和铜耗。

六．感悟

经过几天紧张的设计，我们的课程设计终于弄完了。我们对电机的认识更加深了许多，电机是各个行业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，它是进行电能量和机械能量转换的主要器件。它在现代工业、现代农业、现代国防、交通运输、科学技术、信息传输和日常生活中都得到最广泛的应用。我们平时用到的电机，大多数都是鼠笼式异步电机。 鼠笼式电动机结构简单，价格低，没有特殊要求的场合都可以使用。在电机中，虽然自耦启动比星角启动降压倍数大得多，但是成本也相应大许多。

本次学习，是通过我们大家一起的努力完成的，通过学习，我们又重新认识了鼠笼异步电机。虽然Matalab用的不是太熟练，但通过大家的配合，我们最终也是把机械特性和负载特性图弄出来了。非常感谢大家的努力和配合，谢谢大家！

七．参考文献

《电机与拖动基础及MATLAB仿真》 陈亚爱 周京华编著 《电机学》第二版 胡虔生 胡敏强著 《MATLAB实用教程》 徐金明主编

八．三相异步电动机变频调速仿真模型

仿真参数设定如下

仿真后的结果从上到下，依次为定子电流、转子电流、转速、转矩Tem的波形图。

仿真结果分析：

异步电动机恒转矩变频降速后，从图可以看出，电机起动定子电流明显降低，但是最后稳定运行时定子电流大小在调速前后不改变。调速目标基本达到，略有误差，并且降速后电机起动时间更短。异步电机起动过程中，转子电流不仅幅值变化，频率也是逐渐减小的，降速后起动时转子电流略有减小，稳定后电流幅值相等。转矩变化是一个波动并最终达到稳定的过程，由于是恒转矩调速，调速前后转矩的最终稳定值相同，但是降速后达到稳定所需要的时间较短