三相异步电动机起动的毕业论文.docx

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三相异步电动机起动的毕业论文

【摘要】

随着异步电动机作为重要的动力设备在社会各行各业的广泛应用，研究三相鼠笼式异步电动机在各种起动方式下的起动性能就显得尤为重要。

为获得较好的起动效果，在对笼型异步电机进行深入分析的基础上，利用Matlab中的Simulink仿真工

具对异步电动机的直接起动、定子串电抗降压起动、自耦变压器降压起动和变频起动等起动方式进行动态仿真。

通过对起动过程中电机的定子电流、起动转矩和转子转速进行检测，得出各种起动方式下电流一时间、转矩一时间和转速一时间的特性曲线，从而比较不同起动方式的起动性能优劣。

异步电动机变频起动后，使起动电流大大减小，起动时对电网的冲击效应较小，并且使异步电动机起动转矩尽可能大，缩短了起动时间，从而克服了传统起动的弊端。

关键词：

笼形异步电动机；起动方式；定子电流；起动转矩；变频起动

【Abstract]

Withasynchronousmotorasanimportantpowerequipmentwidelyusedinvarioussectorsinsociety,studyasynchronousmotor'startingcapabilityinvariousstartingmethodsisparticularlyimportant.Inordertoobtainbetterresultsofstarting,throughMatlabprogramming,wesimulatethedirectstartingmethod,seriesreactanceofstatorstartingmethod,transformerstartingmethodandfrequencyconversionstartingmethod.Wedetectingthestatorcurrent,startingtorquenandtherotorspeed.,thenwedrawthecurrent-time,torque-timeandspeed-timemapofcharacteristicsunderdifferentcircumstances.Theasynchronousmotorstarterwithfrequencyconversiongreatlyreducesthestartingcurrentandtheimpactonthepowersystem.Whatismore,itmakethestartingtorqueoftheasynchronousmotorasbigaspossible,shorteningthestart-uptime,overcomingthedrawbacksofconventionalstartup,andsavingenergy.

KeyWords：

asynchronousmoto;variousstartingmethods；statorcurrent；startingtorque；frequencystart

1引言1

1.1三相异步电动机起动研究的意义1

1.2三相异步电动机的起动分类及其发展方向1

1.3变频起动的发展2

2Matlab/Simulink仿真工具3

2.1MATLAB言3

2.2SIMULINK仿真工具3

2.3算法选择4

3鼠笼式异步电动机的物理结构6

3.1笼型异步电动机基本结构6

3.2笼型异步电动机主要形式9

4异步电动机起动原理分析10

4.1起动理论分析10

4.1.1起动的基本要求10

4.1.2起动电流过大的危害11

4.2转矩特性和电磁关系分析11

4.2.1转矩平衡方程式11

4.2.2电磁转矩表达式12

4.2.3起动转矩12

4.2.4机械特性12

5笼型异步电动机的起动方式14

5.1传统起动技术14

5.1.1直接起动14

5.1.2降压起动15

5.1.2.1定子绕组串电阻或串电抗降压起动15

5.1.2.2自耦变压器降压起动18

5.1.2.3星形-三角形（Y-厶）降压起动20

5.1.2.4延边三角形降压起动22

5.2软起动技术23

5.2.1软起动技术概述23

5.2.2传统起动方式与软起动比较25

523软起动分类25

524软起动器常用的起动方式26

5.3变频起动27

5.3.1变频起动的背景27

5.3.2变频起动的原理27

5.3.3变频起动的优点29

6变频起动编程的数学建模31

7利用Matlab对变频起动进行编程32

7.1编程思路32

7.2Matlab主程序32

7.3Matlab子程序33

7.4程序调试34

8笼型异步电动机的Matlab仿真35

8.1各种起动方式下的MATLA仿真分析35

8.1.1异步电动机直接起动仿真35

8.1.2异步电动机定子串电抗起动仿真37

8.1.3异步电动机自耦变压器降压起动仿真41

8.1.4异步电动机变频起动仿真43

8.2各种起动方式性能比较45

9工作总结46

致谢47

参考文献48

1引言

1.1三相异步电动机起动研究的意义

电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事

设施以及日常生活中。

与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。

电机的控制包括电机的起动、调速和制动。

异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。

据统计，其耗电量约占全国发电量的40%左右。

当电

机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。

异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。

因此在电机的起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。

三相异步电机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。

电机在起动开始时反电势为零，冲击电流很大。

当电机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行；起动电流过大时将使电机本身受到过大电磁力的冲击，频繁起动，绕组会发热。

同时，由于起动应力较大，使得负载使用寿命降低。

特别是对经常需要起动的电动机影响较大。

因此，研究异步电动机起动过程中，如何力求在较小的起动电流下得到足够大的起动转矩，并且选择合适的起动方法是相当重要的。

1.2三相异步电动机的起动分类及其发展方向

目前，最常见的是直接起动方式，这是一种最简单的起动方法。

就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。

这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。

一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4〜7倍，某些国产电机甚至可达8〜12倍，起动转矩是额定转矩的1〜2倍。

虽然,起动电流很大，但起动转矩并不大。

因此，直接起动方法只适用于小容量电机起动。

为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动技术，目前应用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、丫-△启动和延边三角形起

动等方法。

这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并没有从本质上解决问题。

而且这些起动设备还存在一些固有的缺点：

如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。

随着自动化、机械化要求日益提高，这些矛盾变得更加突出。

为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。

因此，总是希望在起动电流较小的情况下，能获得较大的起动转矩。

近三十年来，随着电力电子技术的发展和现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，为电机的起动节能提供了全新的思路从而出现了电机软起动技术。

软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。

近年来，国内外都十分重视三相异步电动机软起动控制系统的研究和开发。

软起动控制旨在降压以限制电机起动电流，减小起动电流对电网的冲击，也达到了节能的目的。

目前软起动方式很多，如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动等，从起动时间、控制方式的节能效果等多方面综合比较，以晶闸管软起动方式最优，代表着软起动的发展方向。

晶闸管软起动相对于传统的起动方式，其突出的优点体现在：

（1）电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节，所以电子软起动器是无级调节的，能够连续稳定调节电机的起动，而传统起动的调节是分档的，即属于有级调节范围。

（2）冲击转矩和冲击电流小。

软起动器在起动电机时，是通过逐渐增大晶闸管的导通角,使电机起动电流限制在设定值以内，因而冲击电流小，也可控制转矩平滑上升,保护传动机械、设备和人员。

（3）软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳启动。

1.3变频起动的发展

虽然软起动仍然以各种形式的降压（限流）软起动为主要形式，但是随着变频器价格的逐渐下降及可靠性的进一步提高，变频软起动将成为软起动的主流。

变频器具有所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵的多，结构也负责的多。

由于其价格太高，人们购置变频器一般都是着眼于调速，因此常常不把他归类于软启动装置。

但对于需要重载或者满载起动的设备，最好采用变频软启动。

因为软起动器调压不调频，转差率始终存在，难免过大的起动电流，而变频器采用调频调压方式，可实现无过流软启动，且可提供1.2-2倍的起动转矩，特别适合于重负载起动的设备。

相信随着电力电子技术的不断发展，变频器的价格会进一步降低，变频器作为一种软启动方式会得到更为广泛的应用。

各种形式的降压起动动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。

未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。

2Matlab/Simulink仿真工具

2.1MATLA语言

Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件。

它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。

这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。

现在Matlab软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。

在控制界，很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。

Matlab语言有以下特点：

（1）起点高：

每个变量代表一个矩阵，它可以有n*m个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。

（2）人机界面适合科技人员：

Matlab的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员交流。

Matlab是以解释方式工作的，若有错误立即做出反应，便于编程者立即改正。

这些都减轻了编程和调试的工作量。

（3）强大而简易的作图功能：

能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。

能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘

出图形。

（4）智能化度高：

绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法；数

值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。

（5）功能丰富，可扩展性强：

Matlab软件包括基本部分和专业部分。

基本部分包括:

矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。

各领域的科技人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。

这些工具箱就是专业部分。

现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩

识、模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。

Matlab语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示出来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性；它还为图形处理提供了丰富的函数。

数学函数库中包括了大量的数学函数。

因此，Matlab已成为世界上应用最广泛的工

程计算应用软件之一。

2.2SIMULINK仿真工具

Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具，它是Matlab的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。

它是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确的创建动态系统的计算机模型的，特别是对于复杂的非线性系统，它的效果更为明显。

Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。

另外，它还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。

Simulink没有单独的语言，但他它提供了S函数规则。

S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。

一个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素：

（1）信号源模块

（2）被模拟的系统模块

（3）输出显示模块

如图2-1所示说明了这三种元素之间的典型关系。

系统模块作为中心模块是

Simulink仿真建模所要解决的主要部分：

信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数信号发生器（如信号波和阶跃函数波等）和用户自己在Matlab中创建的自定义

信号。

系统的输出由显示模块接收。

输出显示形式包括图形显示、示波器显示和输出到文件或MATLA工作空间三种。

输出模块主要在Sinks库中。

图2-1Simulink模型元素关联图

Simulink模型并不一定要包含全部的三种元素，在实际应用中通常可以缺少其中的一个或两个。

例如，若要模拟一个系统偏离平衡位置后的自恢复行为，就可以建立一个没有输入而只有系统模块加一个显示模块的模型。

在某种情况下，也可以建立一个只有源模块和显示模块的系统。

若需要一个由几个函数复合的特殊信号，则可以使用源模块生成信号并将其送入Matlab工作空间或文件中。

2.3算法选择

Simulink提供了许多微分方程的解法。

绝大多数解法是数值积分研究中的最新成果，在其中可以找到目前为止最快速且精确最高的解法。

一般来说，使用变步长的自适应解法是较好的选择。

这类算法会依照给定的精确度在各积分段内自适应地寻找各自的最大步长进行积分，从而是得效率最高。

各种解法及其说明见表2-1：

表2-1Simulink数值解法表

Simulink解法

解法说明

ODE45

通常情况下是最好的单步解法。

此解法基于Dormand-Prinee4-5

阶的Runge-Kutta公式。

是默认解法，通常也是第一选择。

ODE23

该解法是基于Bogacki-Shampine2-3阶Runge-Kutta公式。

有时对轻度的刚性方程，它可以比ODE45更有效。

对相冋的精度，它

需要比ODE45更小的步长。

ODE113

变阶次的Adams-Bashforth-Moulton解法。

此解法使用前几次节上

的值来计算当前节点处的解，因此在相同的精度下，它可能比

ODE45或ODE23更快一些。

但此解法不适合用于不连续的系统。

ODE15S

刚性系统的变阶次多步解法。

此解法是基于最新的数值差分公式，如果仿真使用ODE45时运行很慢，可以试一试此解法。

ODE23S

刚性方程固定阶次的单步解法。

由于ODE23S是单步方法，因此，有时它要比ODE15S快一些。

如果系统是刚性系统，可以同时尝试两种方法以确定哪一个更快。

Discrete

针对无连续状态系统的特殊解法。

ODE5

ODE45的确定步长的函数解法

ODE4

使用固疋步长的经典4阶Runge-Kutta公式的函数解法。

ODE3

ODE23的确定步长的函数解法

ODE2

使用固疋步长的经典2阶Runge-Kutta公式的方法，也称为Heun

方法

ODE1

固定步长的Euler方法

3鼠笼式异步电动机的物理结构

3.1笼型异步电动机基本结构

交流旋转电机可分成同步电机和异步电机两大类，如果电机转子的转速n与定

子旋转磁场的转速厲相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电机就称为同步电机。

如果电机转子的转速n不等于定子旋转磁场的转速m，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。

异步电机主要作为电动机运行，常称为异步电动机。

三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。

此外,还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图3-1所示。

/

III

I

图3-1三相笼型异步电动机结构图

1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；

7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇

定子部分：

定子是用来产生旋转磁场的。

三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。

（1）外壳：

三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座：

铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。

中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。

通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。

端盖：

用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

轴承盖：

也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。

接线盒：

一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。

吊环：

一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。

（2）定子铁心：

定子铁心的作用是作为电机磁路中的一部分和放置定子绕组。

为了减少旋转磁场在铁心中引起的损耗，铁心一般采用导磁性良好和比损耗小的0.5毫米厚的电工硅钢片迭成，如图3-2所示。

为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲击出许多形状相同的槽。

通用的槽形有三种：

（1）半闭口槽；

（2）半开口槽；（3）开口槽。

对于容量在100千瓦以下的中小型异步电动机，通常采用半闭口槽。

这时定子绕组由高强度漆包圆铜线（或铝线）绕成，经过槽口分散嵌入槽内；起优点是槽口较小，可以减小气隙磁阻，使产生一定数量的旋转磁场所需的激磁电流减小，从而提高电动机的功率因数。

此外，槽口较小还可减小气隙磁场的脉振，从而减小电动机中的附加损耗。

从这些观点来看，半闭口槽是较好的。

半闭口槽的缺点是嵌线不方便，高压线圈绝缘比较困难，因此一般只用于低压中小型异步电动机。

图3-2定子铁心及冲片示意图

（左）定子铁心（右）定子冲片

（3）定子绕组：

定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。

三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。

每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。

线圈

由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。

中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型

三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。

定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1,

V1,W1，末端分别标为U2,V2,W2。

定子绕组在槽内部分与铁心之间必须可靠绝缘，这部分绝缘称为槽绝缘（又称对地绝缘）。

槽绝缘的材料和厚度有电机的耐热等级和工作电压来定，如E级绝缘的

电机一般采用附有聚脂薄膜的青壳纸作为槽绝缘。

转子部分：

（1）转子铁心：

转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。

（2）转子绕组

异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。

①绕线形绕组，与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见图3-3。

thth叶

图3-3绕线形转子与外加变阻器的连接

1—集电环；2—电刷；3—变阻器

②笼形绕组：

在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如上图所示。

也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如下图所示。

100kW

以下的异步电动机一般采用铸铝转子。

图3-4笼形转子绕组

（a）铜排转子（b）铸铝转子

转子绕组的作用是感应电势、流过电流和产生电磁转矩。

鼠笼式转子绕组不必由外界电源供电，因此可以自行闭合而构成短路绕组。

这时工艺上最简单的转子绕组结构是：

每个转子槽中插入一根导条，在伸出铁心两端的槽口处，用两个端环分别把所有导条的两端都连接起来。

如果去掉铁心，整个绕组的外型就像一个“鼠笼”

鼠笼式转子的导条与端环的材料可以用铜或铝。

当用铜时，铜导条与端环之间须用铜焊或银焊的方法把他们焊接起来。

对于中、小型异步电机，一般采用铸铝转子，把导条、端环上的风叶一起铸出。

其他部分：

端盖、风扇等。

端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。

风扇则用来通风冷却电动机。

三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm-1.5mm气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。

3.2笼型异步电动机主要形式

鼠笼式异步电动机有三种主要形式，即

（1）正常结构的单鼠笼电动机；

（2）深槽电动机；（3）双鼠笼电动机。

第一种形式的转子大多数采用梨形半闭口槽。

这时，为了改善电动机的起动性能，通常把转子槽扭斜一个定子齿距。

4异步电动机起动原理分析

4.1

1st

起动理论分析

异步电动机的起动性能和直流电动机一样，包括以下几项：

起动电流倍数

起动转矩倍数工、起动时间、起动时绕组中消耗的能量和绕组发热、起动设备的简Tn

单性和可靠性、起动时的过渡过程。

其中最重要的是起动电流和起动转矩大小。

为使电机能够转动起来，并很快达到额定转速而正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩；但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。

此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。

因此，我们总是希望在起动电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。

普通结构的鼠笼式异步电动机不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往不能满足上述要求。

因为它的起动电流很大而起动转矩并不大。

起动电流很大的原因,从物理现象看，起动时，n=0,s=1，旋转磁场以同步转切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电势和电流，引起与它平衡的定子电流的负载分量也跟着急剧增加，以致定子电流很大。

而起动转矩不大是由于起动时转子漏抗远大于转子电阻使转子功率因数接近90度，所以尽管电流很大但其有功分量却不大。

其次，由于