三相异步电动机的实验设计

牟宪民,刘凤春,李冠林,陈希有

(大连理工大学电气工程学院,辽宁大连 116023）

三相异步电动机的实验设计

牟宪民,刘凤春,李冠林,陈希有

(大连理工大学电气工程学院,辽宁大连 116023）

本文提出了包括实验、仿真和再实验的三步实验课授课方法。通过首次实验获取三相异步电动机模型的参数,随后利用获取的参数建立仿真模型并进行仿真,这样,在最后阶段的实验中,可以获得更准确更丰富的实验结果。实践表明,三步实验授课方法收到了显著的实验效果,并可推广应用于相关电气类课程实验。

异步电动机;实验设计;仿真实验

现在,越来越多的实验课都采用将计算机仿真和实际实验相结合的方式[1]。为了使仿真结果更接近实验结果,仿真电路中的模块参数必须尽量和实际实验的设备参数一致。一般情况下,实验室的实验对象(三相异步电动机)功率较小,参数的误差对仿真的结果影响较大[2]。同时实验室的实验对象一般没有给出详细的参数,不能直接获得实验对象的仿真模型参数。

我校的“电机与拖动”实验课程中引入了Matlab仿真工具,借助于实验室开放的有利条件,采用本文提出的三步实验方法,收到了显著的实验效果。

1 电机与拖动实验改革的思路

“电机与拖动”课程理实验线路复杂,实验所用的仪表较多,实验时接线占用时间较长,对所测数据是否正确亦难以判断。采用Matlab仿真工具进行预习实验,可以不受场地与设备的限制。通过在仿真环境中连接实验线路的操作过程的练习,再回到真实的实验环境,学生操作技能可明显提高。更重要的是,仿真的结果是否正确,可以从容分析比较。并以此为基础,学生就可在真实实验过程中判断所测取得数据是否正确有效。

传统的专业课程实验室一般是不开放的,由于设备的限制,实验内容亦不能开放。通过校级教学改革项目“电机与拖动课程综合改革的研究与实践”,我们在实验课程中实施了重要改革措施:开放实验室和开放实验内容,并使用Matlab仿真工具进行实验项目的仿真研究。具体做法是:①通过初次实验获取研究对象的参数,学生可自行安排时间去开放的实验室完成此步骤;②将实测参数用于仿真实验,建立与实验内容相同的仿真模型进行仿真研究和分析;③搭建实验电路再次进行实验,获得实验结果。

2 三相异步电动机实验设计

2.1 模型参数识别实验

实验目的是测试和推算三相异步电动机仿真模型所需要提供的仿真模型参数:定子电阻和漏电抗、转子电阻和漏电抗以及励磁电阻和电抗。这些参数都反映在如图1所示的异步电动机的T型等效电路中。图中,s为转差率,转子电路参数为折算值。通过空载实验(开路实验)和堵转实验(短路实验)就可以确定这些参数[3,4]。

图1 异步电动机T型等效电路

实验所采用的异步电机参数为:额定功率P N=100W,额定电压U N=220V,额定电流 I N=0.48A,额定转速nN=1420r/min,三角型接法,E级绝缘。

(1)空载实验 按照空载实验的条件设计空载实验线路和方法,测取多组输入电压U10、空载电流I10、空载输入功率P10和转速n。由此可以计算出励磁阻抗的数值R m和X m。

(2)堵转实验 按照短路实验的条件设计堵转实验线路和方法,测取多组输入电压U 1s、堵转电流I1 s和堵转输入功率P1s。由此可以计算出漏阻抗的数值 X1σ、R′2 和 X′2σ。

经过计算,得到三相异步电动机的参数为R m=15Ψ,Xm=327.2597Ψ,X1σ=47.0925Ψ、R′2=16.2036Ψ,X′2σ=20.2004Ψ。实测 R1=15Ψ。

2.2 仿真实验

我们介绍的三相笼型异步电动机直接起动的仿真实验模型的建立方法,可用于其它实验。使用Matlab中的Simu link,按照实验电路建立仿真模型电路如图2所示。

图2 三相笼型异步电动机直接起动的仿真模型

仿真模型中包括主电路模块(交流电压源,异步电动机和三相断路器)、测量显示模块(电流测量、电压测量、有效值计算、电动机测量、数值显示和常量模块)和电力仿真图形接口模块。

我们可按照实验要求和上一节中获得的三相异步电动机参数的计算结果,设定仿真模型参数。仿真电路模型中,三相异步电动机的输入转矩为0,表示三相异步电动机为空载直接启动。建立仿真模型后便可进行仿真。

通过仿真模型中的显示模块可直接观察到直接起动电流、直接起动转矩以及直接起动转速随时间的变化等数值。动态过程可以通过示波器(Scope)模块进行观察随时间变化的过程,图4给出了三相异步电动机的起动电流波形。由图可知,起动电流Ist=2A。进入稳态后,相当于电动机空载运行,可通过数值显示(Disp lay)模块进行观察。此时转速为空载转速n=1494转/分,线电流为空载电流I10=0.3403 A。这些数据与空载实验实测获得的数据十分符合。

图4 三相异步电动机起动电流波形

通过仿真实验,学生不仅进行了虚拟接线练习,测量了实验数据,还了解到了电机稳态分析所没有涉及到的问题,即暂态过程中各物理量的变化规律。由此可引导学有余力的学生进一步深入思考相关问题。

2.3 实验验证

在仿真实验的基础上,学生可预约实验时间进入实验室进行真实的实验。一般通过仿真实验后再实施真实实验的项目,绝大多数学生的接线能力与实验数据的准确性都有很大的提高。我们应当提醒学生,真实实验中所采用的测试仪表与仿真实验所使用的测试模块不同,测试项目也不尽相同。对于电机实验,真实实验首先要使用兆欧表测量电机的绝缘电阻,在进行绕组判断后才能接线,对于大的起动电流需要使用钳型电流表测试等。

3 结语

我们借助于实验室开放的有利条件,合理设计实验过程,将部分实验学时用于仿真实验,收到了事半功倍的实验效果。本文以三相异步电动机的实验为例,采用了实验、仿真和再实验的三步法获得实验结果。该方法也可以应用到其它的验证性实验中。

本文的三相异步电动机模型参数中的转动惯量和摩擦系数两个参数,不能通过空载实验和堵转实验进行辨识,有待今后设计合适的实验进行模型参数识别。

[1] 孙静,周元钧,张磊.基于Matlab的电力系统仿真平台[J].南京:电气电子教学学报,2009,31(4):57-59

[2] 杨霞.三相异步电动机实验的改进[J].唐山:唐山师范学院学报,2002,24(2):52-53

[3] 郑建勇.单相异步电机在线堵转性能测量方法研究[J].上海:中小型电机,2003,30(1):71-74

[4] 孙建忠.刘凤春.电机与拖动[M].北京:机械工业出版社,2007

Design of Three Phase Asynchronous Motor Experiment

MU Xian-min,LIU Feng-chun,LIGuan-lin,CHEN Xi-you

(Schoolo f Electrical Engineering,Da lian University o f Techno logy,Dalian 116023,China)

A three-step method including experiment,simulation and re-experiment is proposed in this paper.In first experiment stage,the parameters of three-phase asynchronousmotor are obtained.Then,the simulation model is built using the parameters obtained above.In final experiment stage,them ore exact and abundant resultsw illbe obtained.It hasbeen shown that this three-step experimentmethod can improve the asynch ronousmotor experiment effects greatly and can be sp readed to other electrical course experiments.

asynchronousm otor;experiment design;simulation

G424.31;TM 343+.2

B

1008-0686(2011)02-0052-03

2010-05-28;

2010-09-20

牟宪民(1973-),男,博士,讲师,主要从事电工学教学和电力电子变换科学研究,E-mail:muxm@dlu t.edu.cn

刘凤春(1962-),女,硕士,副教授,主要从事电机与拖动教学与科研工作,E-m ail:lfc5e001@dlu t.edu.cn

李冠林(1979-),女,博士,讲师,主要从事电路教学和混沌电路科学研究,E-m ail:lglhit@dlu t.edu.cn

陈希有(1962-),男,博士,教授,主要从事电路教学和电力电子变换科学研究,E-mail:chenxy@dlut.edu.cn