基于MATLAB的三相异步电动机的建模与仿真研究

石钦中（中国人民解放军装甲兵工程学院，北京 100072）

基于MATLAB的三相异步电动机的建模与仿真研究

石钦中
（中国人民解放军装甲兵工程学院，北京 100072）

随着我国电动机控制技术的发展，目前在工业领域，交流调速系统正在逐步替代直流调速系统的使用，因此本文对三相异步电动机的仿真进行研究就显得特别重要。本文首先分析了异步电动机基本原理和工作特性，然后对基于基于MATLAB的三相异步电动机的建模与仿真进行了重点分析，以供广大读者参考。

MATLAB 三相异步电动机 建模 仿真

1　MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，可以为三相异步电动机提供数值计算能力、专业水平的符号计算功能、可视化建模和仿真等功能。矩阵是MATLAB的基本数据单位，其指令表达形式类似于数学和工程中用到的，所以相比较C语言而言，MATL AB的结算问题能力更便捷。目前的MA TLA B包含了数百种以上的内部函数主包和三十多种工具包，后者又可以分为学科工具包和功能性工具包，从而实现处理可视化建模仿真、实时控制、文字处理等各项功能。MATLAB还有着很强的开放性，其内部的主包和工具包都属于可读可修改文件，从而方便用户将源程序的修改加入到自己编写的程序中。

2　异步电动机基本原理和工作特性

三相异步电动机主要由定子和转子构成，二者之间有一个比较小的空气隙。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，空气隙就可以建立同步转速和旋转磁场。旋转磁场会切割转子导体，而后者就会产生感应电势，再加上转子绕组属于闭合状态，所以电流会从转子导体中通过。电流和旋转磁场之间会产生电磁力，并作用于转子导体，其方向与旋转磁场方向保持一致。异步电动机工作特性是指在额定电压和额定频率的情况下，电动机转速、定子电流、功率因数、电磁转矩等方面的关系。首先从转速特性方面来看，在空载状态下，转子电流接近零，所以处于同步转速状态下，而随着负载的增加，转速会逐渐下降，因此转速特征是一条稍向下倾斜的曲线。其次从定子电流特性方面来分析，如果处于空载状态下，定子电流就全部是励磁电流；并且随着负载的增加，定子电流也会增加。最后从功率因数特性的方面来看，异步电动机的功率因数处于滞后状态，如果处于空载情况下，电动机的功能因素就比较低；随着负载的增加，电动机的功率因数也会提高，直到额定负载状态下会达到最大值。

3　异步电动机的物理模型

在对异步电动机的多变量进行物理模型设计时要有一定的假设：第一，忽略空间谐波，并且假设三相绕组对称，磁动势沿着空气隙正弦规律排列；第二，忽略磁路饱和，并且假设各个绕组的互感和自感都属于恒定状态；第三，忽略贴心损耗，假设模型在最理想状态下设计的；第四，不考了外在温度变化等各种客观因素对绕组电阻的影响，如图1所示的实际电动机绕组等效图，各个绕组电压、电流、磁链的正方形符合右手螺旋定理和电动机惯例的要求。

4　异步电动机的仿真模型

本文设计的电动机模型由电源、测量、电动机、电子、线路和连接器等元件构成。该仿真设计将Simpower Systems中的各个相关环节模块连接起来，从而得到了仿真模型。在仿真模型中需要输入的参数包括：电动机定子和转子的电阻、负载转矩和感抗等，从而实现整个电动机的仿真设计。详细来说该电动机仿真模型的具体实现：第一，电机定、转子电流仿真。如果电动机在全电压状态下直接启动，那么就会产生较大的启动电流，电流达到0.7s左右后就实现了稳定。电流稳定值和设计值之间要保持一致，一般经过3个周波后，电流稳定值可以达到设计值规定的范围内。另外一方面，转速稳定值（空载转速值）也要和设计值保持一致。其次从电机转矩仿真设计来分析，通过模型设计中电动机达到稳定运行状态时的转矩曲线图可以发现，如果电动机处于直接启动状态下，那么转矩在0.1s之前会产生较大的震荡，而整个系统在0.7s后就可以实现稳定运行状态，并且稳定转矩值和设计值保持一致，也就是额定值。电动机转矩在0.1s之前的震荡与转速的轻微震荡是一致的，这也是电动机在稳定状态之前必须经过的环节。

通过本案例可以发现，把电动机模型封装为一个模块后，使用者只需要通过输入电动机的各个参数就可以进行仿真，并且其各个变量的结果都会实现稳定可靠，符合实际的需要，能够提高仿真的精度。另外一方面，通过MATLAB进行仿真还可以对电动机模型设计进行验证，特别是其具有的瞬态分析能够为电动机运行提供更好地帮助和监测。

［1］王俊柳，王敏，王颖.基于MATLAB的异步电动机仿真试验平台［J］.计算机仿真，2002（4）：118-123.

［2］ 陶瑞莲.基于MATLAB三相异步电动机起动建模及仿真［J］.南京工业职业技术学院学报，2009（2）：21-23.

石钦中（1990—），男，四川南充人，中国人民解放军装甲兵工程学院本科在读，研究方向：电气工程。