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外文翻译三相异步电机的simulink建模和仿真

Int.J.Elect.Enging.Educ.,Vol.36,pp.163–172.ManchesterU.P.,1999.PrintedinGreatBritain

三相异步电机的simulink建模和仿真

K.L.SHJ,T.F.CHAN,Y.U.K.WONGandS.L.HO

电机工程学系，香港理工大学，香港

摘要：

本文介绍了三相异步电动机的一个广义模型和使用Matlab/Simulink进行计算机仿真，文章中给出了异步电动机的各种子模型，并且在SIMULINK进行了概述。

论文中使用了一个7.5kw的电动机来进行仿真模型的仿真研究和开发。

关键词：

MATLAB，建模，仿真，Simulink，三相异步电动机

符号清单:

Ls定子电感

Lm互感

Lr转子电感

Rs定子电阻

Rr转子电阻

Rc电缆电阻

w0转子转速

P极数

VdsVqs定子电压矢量的d轴和q轴分量

VdrVqr转子电压矢量的d轴和q轴分量

idsiqs定子电流矢量的d轴和q轴分量

idriqr转子电流矢量的d轴和q轴分量

J转子惯性力矩

JL负载惯性力矩

1简介

对三相异步电动机仿真在许多文献中是有据可查的，利用数字计算机可以使用各种方法来进行仿真，例如数字编程，符号编程和电磁暂态程序（EMTP），随着计算机硬件和软件，新的模拟软件包，速度更快、更方便用户友好，现已迅速发展。

本文讨论了这样一个软件—MATLAB/SIMULINK，在异步电动机动态模型的使用。

与其他的编程软件相比SIMULINK的主要优点是，仿真模型是通过基本的仿真模块搭建的，而不是程序代码的编译，通过便捷的图形用户界面（GUI），功能块可以方便地使用菜单命令，键盘和一个合适的定位设备（如鼠标）被创建，连接和编辑。

一组机器微分方程可以通过适当模拟模块互联表示出来，其中每一个都执行与之对应的数学运算。

编程工作大大减少，而错误的调试非常简单。

由于Simulink是模型操作编程，仿真模型可以很容易地开发新的子模型，以应付各种控制功能的增加。

作为一个子模型的异步电动机可纳入一个完整的电动马达驱动系统。

2利用SIMULINK构造感应电动机模型

一个广义的感应电机动态模型包括一个用来实现的三相两轴（3/2）定子电压变换的子模型，电流的计算，计算电磁转矩扭矩子模型和产测转子转速的机械子模型。

此外，定子电流输出子模型用来计算供电电缆两端的电压降。

2.1异步电动机的电压变换子模型

异步电动机三相两轴电压转换子模型的是通过使用下列公式得出的：

（1）

图1SIMULINK中的电感应电动机模型

其中VasVbs和Vcs是三相定子电压，Vds和Vqs是定子电压矢量的两轴分量

在两轴定子参照系下，感应电机的电流方程可写为：

（2）

如图1所示，方程

（1）中的矩阵[A]和方程

（2）中的矩阵[B]可由Simulink中的矩阵增益模块来实现，而方程2中的矩阵[C]可以通过SIMULINK中的4个‘Fcn’模块表示出来，在图2中已详细说明了。

在电气模型中，三相电压[VasVbsVcs]是输入向量，电流[idsiqsidriqr]输出向量。

图2simulink中使用四个Fcn模块表示矩阵[C]

由于短路笼型电机转子绕组，所以电压矢量等于0，即：

2.2异步电动机的转矩子模型

在两轴定子参考框架，电磁力矩T的方程式如下：

（3）

图（3）中展示了simulink中转矩子模型是怎样建立的。

图3转矩子模型

2.3异步电动机的机械子模型

忽略粘性摩擦，从力矩平衡方程中可以获得转子转速V0，等式如下：

（4）

其中J是转子和负载的转动惯量，TL是负载转矩，

图（4）中展示了转矩子模型是怎样建立的

图4机械子模型

2.4定子电流输出子模型

定子电流输出子模型是用来计算定子电流幅值，公式如下：

（5）

用一个simulink的‘Fcn’模块就能仿真上面的等式。

图

（1）中的电气子模型，图（3）中的转矩子模型，图（4）中的机械子模型和定子电流输出子模型组合在一起，就形成了感应电机模型，如图（5）所示。

图5SIMULINK中的异步电机模型

3异步电动机的仿真系统

异步电动机的完整的模拟系统包括感应电机模型（图5）和电源子模型。

3.1电源子模型

电源电压子模块块由一个三相正弦波电压发生器和终端电压计算模块组成，终端电压计算模块用来计算电源线中的电压降。

三相正弦波发生器是模块是根据方程式（6）搭建的，在图（6）中展示了三相正弦波发生器模块。

（6）

其中V是端电压幅值，V是电源频率，而H是初始相位角。

由于电源线中有电压降，终端电压由公式（7）来计算：

（7）

其中，E是电源电压，R是电缆电阻。

图7中的终端电压计算模块就是根据这个方程建模的。

组合电压发生器模块图（6）和终端电压图计算模块图（7），就形成了电源模块组成，如图（8）所示。

图6SIMULINK中的一个电源相模型

图7终端电压计算模块

图8电源模块

3.2异步电机的仿真系统

在图（5）中的感应电机模型和图（8）中的电源子模型组合在一起，形成完整的异步电动机仿真模型，如图（9）所示。

XY图块用于显示异步电动机的动态扭矩/转速特性，

图9SIMULIN中异步电机的仿真系统。

4仿真结果

仿真研究中使用的异步电机的参数如下：

类型：

三相，7.5千瓦，6极，星形连接，鼠笼式感应电机

Rs=0.228Ω/phRr=0.158Ω/ph

Ls=0.0425Ω/phLm=0.0412Ω/ph

Lr=0.0418Ω/phJ=0.4kgm2

JL=0.4kgm2

用在线仿真来说明感应电机的运行状态。

在t0时刻，电机没有通电，处于静止状态，连接到220伏，60赫兹三相电源上，通过电缆供电。

负载转矩TL，固定在20N.m不变，图10至15显示计算机使用Simulink模型模拟的结果。

仿真结果与使用传统方法用微分方程仿真的结果是相似的。

值得注意的是当供应电缆有一个大的电阻时，转矩/速度特性的扭矩振荡减少，衰减更为迅速，但跑起来的电机时间更长。

图10电缆电阻Rc=0.2Ω时的仿真结果

图11电缆电阻Rc=0.5Ω时的仿真结果

图12电缆电阻Rc=0.2Ω是的转矩/速度特性

图13电缆电阻Rc=0.2Ω是的转矩/速度特性

图14电缆电阻为Rc=0.2Ω是的定子相电流

图15电缆电阻为Rc=0.2Ω是的定子相电流

5总结

Simulink是一个动态和非线性系统的学习功能强大的软件包。

利用SIMULINK，仿真模型可以系统地建立了从简单的子模型开始。

感应电动机模型的开发可以单独使用，如直接在网上开始提出的例子，也可以在一个先进的电机驱动系统结合，例如：

磁场定向控制。

作者认为，SIMULINK的即将成为教学和电机驱动器研究必不可少的工具。

鸣谢

本工作报告是由香港理工大学研究基金资助的V157。

参考文献

[1]Krause,P.C.,‘对称感应机械模拟’，IEEE期刊，动力装置系统，,Vol.PAS-84,No.11,pp.1038–1053（1965）

[2]Ghani,S.N.,‘数字计算机模拟仿真三相异步电动机——通用方法’，IEEE期刊,IndustryAppl.,Vol.24,No.1,pp.106–114（1988）

[3]Wade,S.,Dunnigan,M.W.andWilliams,B.W.,‘建模与仿真异步电机矢量控制和转子抗性鉴定’，IEEE期刊，电力电子技术，Vol.12,No.3,pp.495–505（1997）

[4]Shi,K.L.,Chan,T.F.andWong,Y.K.,‘三相异步电动机的SIMULINK建模’，记录于1997年IEEE国际电机与驱动会议，USA,pp.WB3-6（1997）

[5]Shi,K.L.,Chan,T.F.andWong,Y.K.,‘自动控制的建模和仿真’，IASTED国际会议：

建模与仿真，Pittsburgh,USA,pp.231–235（May1998）

[6]Trzynadlowski,A.M.,异步电动机磁场定向控制原理，Kluwer（1994）

[7]使用MATLAB软件中的SIMULINK对系统进行动态仿真，Mathworks公司（1997）

[8]Krause,P.C.,Wasynczuk,O.andSudho,S.D.,电气机械的分析，IEEE（1995）

文摘——法文,德文，西班牙文

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