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1、中北大学课程设计说明书 第 1 页 共 17 页 1 1课程设计背景课程设计背景 异步电动机是一种交流电机，也称作感应电机，主要作电动机使用。异步电动机 广泛的用于农业生产，家用电器以及航天、计算机等高科技领域。异步电动机还可以 作为发电机使用，例如用于小水电站，风力发电等。 异步电机的基本结构包括定子、转子和气隙。定子由铁芯、定子绕组和机座三部 分构成。转子由转子绕组、转子铁芯和转轴构成。转子通常分为笼型和绕线式。气隙 存在于异步电机的定子和转子之间，通常很小。气隙的大小对于异步电机的性能影响 很大。异步电动机之所以得到广泛的应用，主要是因为它有结构简单运行可靠，制造 容易，价格低廉，坚固耐
2、用等优良特性，同时还有较高的效率和良好的工作特性。 然而异步电动机也存在着一些不足：启动电流较大，会使电源电压在电机启动时 下降，使线路和电机内部产生损耗而引起发热；启动转矩较小；在大范围内实现平滑 调速较为困难；必须从电网吸收滞后的无功功率等。其中异步电动机的调速一直是电 机学的重要研究方向之一。通过分析异步机的运行原理，能够总结出三种调速方式： 变极调速，变频调速和变转差率调速。本课程设计通过分析和计算异步电动机在调节 定子电压调速下的相关参数的数值、获取相应的机械特性以及进行计算机模拟仿真， 对今后的学习和研究能起到一定的启发作用。 2 2异步电动机的调压调速原理异步电动机的调压调速原理
3、 图 2.1改变定子端电压调速时的机械特性 改变定子端电压调速属于改变转差率 s 来实现调速，三相异步电动机在改变定 中北大学课程设计说明书 第 2 页 共 17 页 子电压 x U时，由于 1 n不变， em T 2 x U， m S不变，故其机械特性如上图所示。由上图 可知通过降低异步电机定子电压可以实现降低电机转速的目的。 3 3异步电动机的能量传递异步电动机的能量传递 异步电机的等效电路如下图所示： 图 3.1异步电机等效电路图 当异步电动机以转速 n（转差率为 s）稳定运行时，从电源输入的功率为 1 P，且 11111 cosIUmP（3.1） 定子铜耗为 1 2 11Cu1 RIm
4、p（3.2） 在正常运行时异步电动机转子电流频率很低，故转子铁耗可以忽略，因此电动机 的铁耗只有定子铁耗，即： m 2 01Fe RImp（3.3） 1 P在扣除掉定子铜耗和定子铁耗滞后的功率借助于气隙中的旋转磁场由定子传 递给转子，转子上这一功率是通过电磁感应而获得的，故称之为电磁功率 em P，即： s R ImppPP 2 2 21FeCu11em （3.4） 转子铜耗 em sPR 2 2 21Cu2 Imp（3.5） 电磁功率在扣除转子铜耗滞后，就是模拟电阻上的电功率，它代表总机械功率， 即由电功率转换而来的总机械功率为： 中北大学课程设计说明书 第 3 页 共 17 页 ememm
5、ec PsR s s PP)1 ( 1 ImP 2 2 21Cu2 （3.6） 总机械功率在扣除机械损耗 mec p、附加损耗 ad p之后才是由转轴输出的机械功率， 即： admecmec2 ppPP（3.7） 能量传递的过程如下图所示： 图 3.2异步机能量传递示意图 如图所示，电机的输入功率从定子侧获得，其中输入功率一部分损耗于定子线路 的电阻上，以及定子中的磁滞损耗和涡流损耗之后，剩余的功率通过定子和转子之间 的电磁感应，经由定子和转子之间的气隙，以电磁功率的形式传递给转子。转子的电 磁功率扣除损耗与转子的电阻上的发热后，表示电机的总机械功率。总机械功率扣除 机械损耗诸如电机部件之间的
6、摩擦等以及其他附加损耗之后， 最终得到转轴上的输出 功率。 4 4课程设计题目与要求课程设计题目与要求 一台绕线式异步电动机，Y/y 连接，已知数据为：额定功率PN=c0kW，f= 50 Hz， 2p=c1，Un= 380 V，nN=c2r/min，R1= R2 =c3，x1=x2 = c4，xm=c5， ki=ke= 0.02，忽略铁耗。 试求：若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到c6r/min，采用调压调速 方式并计算其参数，做出机械特性图，分析能量的传递。用 MATLAB 中的 Simulink 设计调压调速仿真模型(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
7、形。 根据任务书所列数据，选择如下： 中北大学课程设计说明书 第 4 页 共 17 页 c0= 1.2； c1= 6 ； c2=890 ； c3= 0.02； c4= 0.06； c5= 3.6； c6= 800。 c2原参数为 890，算得转差率为 0.11，与通常情况下异步电机额定运行时的 转差率典型值相差较大，故将电机的额定转速改为 960r/min。 原参数为c3= 0.02 ,c4=0.06，c5= 3.6；按此参数计算得电机额定运行时的效 率仅为 0.415%，严重不符合实际，故将电机的定转子电阻、漏抗和励磁电抗分别改 为 4、 6和 150。 5 5设计过程与结果设计过程与结果
8、5.15.1 电机相关参数计算电机相关参数计算 定子漏电感： H0191. 0 502 6 f2 X L 1 1 （5.1） 转子漏电感： H f X 0191. 0 502 6 2 L 2 2 （5.2） 励磁电感： H4775. 0 502 150 f2 X L m m （5.3） 同步转速： min r 1000 min r 3 5060 p f60 n 1 1 （5.4） 额定运行时的转差率： 04. 0 1000 9601000 n nn S 1 N1 N （5.5） 中北大学课程设计说明书 第 5 页 共 17 页 额定电磁功率： 2 21 2 2 1 2 2 11 em )()R
9、( R Um P XX S R S N N kw w 3248. 1 )66() 04. 0 4 4( 04. 0 4 2203 22 2 （5.6） 额定总机械功率： kw2718. 1kw3248. 104. 01PS1P emNmec ）（）（5.7） 额定运行时的空载损耗： w8248.71kw2 . 12718. 1PPppP 2mecadmec0 （5.8） 调速前的转子铜耗： w9927.52kw3248. 104. 0PSp emNCu2 （5.9） 额定负载转矩： mNmN 9366.11 60 960 2 1200P T N N N （5.10） 额定电磁转矩： mN651
10、1.12mN 60 960 2 8 .1271P T N mec em （5.11） 调速前的转子电流： )(tan )66() 04. 0 4 4( I 2 1 21 1 22 1 2 N S R R XXU 中北大学课程设计说明书 第 6 页 共 17 页 A) 04. 0 4 4 66 (tan )66() 04. 0 4 4( 220 1 22 A5819. 61014. 2 o （5.12） 调速前的定子电流： 0 21 III A j61504 220 5819. 61014. 2 o ）（ A8484.376895. 2 o （5.13） 调速前的定子铜耗： wwRIm Cu 8
11、008.8646895. 23p 2 1 2 111 （5.14） 输入功率： kw4116. 1w8008.868 .1324pPP Cu1em1 （5.15） 取得最大电磁功率时的转差率： 3162. 0 )66(4 4 )( s 22 221 2 1 2 m XXR R （5.16） 最大电磁功率： 2 21 2 2 1 2 2 11 max em )()( P XX s R R s R Um m m 4.3606kww 66 3162. 0 4 4 3162. 0 4 2203 22 2 ）（）（ （5.17） 最大电磁转矩： m41.6406NmN 60 1000 2 6 .4360
12、P T 1 max em max em （5.18） 5.25.2 调压调速参数计算调压调速参数计算 中北大学课程设计说明书 第 7 页 共 17 页 设调压至 x U可使转速变为 500 min r ，由题意可知调速前后的负载转矩保持不 变，即：TTem，由此条件可得如下方程式： )()R(f2 R pUm )()R(f2 R pUm 2 21 2 2 11 2 2 1 2 21 2 2 11 2 2 11 XX S R S XX S R S t t X N N （5.19） 其中调速后的转差率： 2 . 0 1000 8001000 n cn s 1 61 t （5.20） 带入相关参数，
13、解得： V0865.126UX（5.21） 线电压为： V3882.218V0865.1263U3U Xt 1 （5.22） 调速后的转子电流： ) R (tan )()R( U I 2 1 21 1 2 21 2 2 1 X 2t t t S R XX XX S R A5651.266990. 4 A 5 . 0 4 4 66 tan 66 5 . 0 4 4 8065.126 o 1 22 ）（ ）（）（5.23） 调速后的定子电流： 0 t2t 1 II t I A j61504 0865.126 5651.266990. 4 o ）（ A o 5586.341285. 5（5.24）
14、调速后的定子铜耗： 中北大学课程设计说明书 第 8 页 共 17 页 wwRIm Cu 6234.31541285. 53p 2 1 2 t 11t 1 （5.25） 调速后的电磁功率不变： kw3248. 1PP ememt （5.26） 调速后的电磁转矩不变： mN 6511.12TT ememt （5.27） 调速后的转子铜耗： w9635.264kw3248. 12 . 0Psp emttCu2t （5.28） 调速后的总机械功率： wkwPs emtt 10593248. 1)2 . 01 ()1 (Pmect（5-29） 调速后的输出功率： w1000w 60 8002 9366.
15、11TP tNt2 （5.30） 调速后的空载损耗： w59w10001059PPppP t2mectadmect0 （5.31） 调速后的输入功率： w1640w6234.3158 .1324pPP Cu1temtt 1 （5.32） 5.35.3 调压调速后的机械特性调压调速后的机械特性 图 5.1机械特性曲线程序 中北大学课程设计说明书 第 9 页 共 17 页 使用 MATLAB 软件编程可绘制改变定子端电压调速前后的异步电动机的机械特 性曲线，绘图所用代码如图所示。 运行代码后所生成机械特性图如下所示： 图 5.2 机械特性曲线图 由此机械特性图可知， 普通笼型异步电机带恒转矩负载时其工作点的转速变换范 围较小，因此实际使用价值不大。而对于电机带风机型负载时，其调速范围较大，有 一定的实用价
