基于Simulink的异步电机启动和调速特性的仿真

郭珮瑶 马越 秦晓童 潘柯辰 刘晓林

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院）

基于Simulink的异步电机启动和调速特性的仿真

郭珮瑶 马越 秦晓童 潘柯辰 刘晓林

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院）

在分析异步电机运行理论的基础上，利用Matlab/Simulink平台，建立三相异步电机的仿真模型。通过分别改变电压和频率后对比电机特性的变化，明确了异步电机的调频和调压特性。通过对比异步电机串电阻启动和直接启动的仿真结果，比较了不同启动方法的特点及电机启动参数的变化。本文对三相异步电机调速特性和启动特性的仿真，有效印证了电机理论。

Simulink；异步电机；调速；启动

0 引言

电机的动态过程具有非线性、时间短的特点［1］，使得相关内容的理论与实践教学都具有一定的困难［2］。利用借助以多媒体，仿真为核心的虚拟实验技术不仅可以得到很难用仪器测量和计算的参数［3］，更加形象地展示电机的启动过程，还可以弥补传统实验存在的空白，展示过载和堵转等极端状态时电机性能的变化［4］。此外随着高等教育规模的迅速扩大，原有教学设备无法满足教学需要［5］，使得相关实验教学的虚拟仿真已经成为国内外研究的热点［6］。Matlab仿真工具自问世以来凭借其强大的数值计算能力，迅速成为各个学科和工程技术领域主要的计算机仿真平台，能有效应用于电机与拖动系统等工程技术问题的仿真［7］。本文在Matlab/Simulink仿真平台的基础上，建立三相异步电机的仿真模型，可以形象直观地得到异步电机的调速特性和启动过程。

1 建立模型

三相异步电机的仿真在Simulink中的Simpowersystem模块进行。三相异步电机的仿真模型如图1。用三相交流电源给三相异步电机供电，双击电机模块设置电机参数，进行仿真。示波器Scope显示的电机参数分别为电磁转矩Te，电机转速n，定子A相电流，转子A相电流。异步电机设定额定视在功率为3730VA，线电压有效值380V，频率50Hz。

2 调速特性

由电机学知识可知，异步电机的调速特性表达式为

式中，f1为电机的定子供电频率；np为电机极对数；s为转差率。

因此，调节异步电机的转速，主要通过三类方法实现：①改变电机的极对数np；②改变转差率s；③改变供电频率f1。

现在常见的调速方法有：调压调速、变频调速、串极调速和变极调速等。

建立如图1所示的仿真模型，将两个参数不同的三相电源分别由两个三相断路器接到异步电机定子绕组上。在电机启动运行后，在0.5s时改变两个三相断路器的通断改变供电电源，达到改变电压或频率的目的。

2.1 调压调速

由于调压调速过程中电机内部旋转磁场转速不变，因此电机转速变化范围很小，而且电机通常额定工作电压一定，因此三相异步电机调压调速范围会受到限制［8］。

将220V的三相电压在0.5s时变为140V，仿真结果如图2所示，0.5s时转速减小。

2.2 变频调速

图1 异步电机调速仿真模型

图2 调压调速转速变化

改变三相异步电机的电源频率，能改变旋转磁场的同步转速，从而达到调速的目的［9］。变频调速分为基频向下调速和基频向上调速。

基频向上调速又称弱磁升速。将50Hz的三相电压在0.5s时变为60Hz，仿真结果如图3所示。0.5s时转速升高。

基频向下调速是恒转矩调速方式。

图3 基频向上调速特性

将50Hz，220V三相电压在0.5s变为40Hz，176V。仿真结果如图4所示。

变频调速有调速范围大，转速稳定性好，效率高，无级调速的特点。具有很好的调速性能［10］。

图4 基频向下调速特性

图5是定值电阻和断路器并联构成的子系统，串联在定子绕组上，达到在电机启动过程中定时切除电阻的目的。断路器通断时刻由输入阶跃函数变为1的时间决定。本实验设定时间为0.1s时，断路器闭合，将电阻短路切除。异步电机串电阻启动仿真模型如图6。直接启动仿真结果如图7所示。

串电阻启动仿真结果如图8所示，可以看出串电阻启动与直接启动相比转矩减小，定子电流减小，启动过程变慢。在0.1s切除串电阻时，电磁转矩和定子、转子电流都有明显增大，转速上升速度变快。

图5 定值电阻和断路器并联构成的子系统

3 异步电机启动过程仿真

电机串电阻启动是在启动过程中在电机定子绕组上串联电阻，达到降低启动电流的目的。在启动后切除串联电阻，减小电机消耗功率。

4 结束语

本文对异步电机的调速特性和启动特性进行了仿真，直观展示了电机的工作过程的运动变化规律，仿真结果与理论保持了一致。对电机的计算机仿真弥补了实际实验设备复杂，占用空间大，电机动态过程难以测量等缺陷，可以很好地辅助理论学习。并且Matlab对各项实验参数可以方便地调整并观察相应物理量的动态变化，指导实际系统的设计。Matlab/Simulink的仿真结果对教学和科研有很高的参考价值，可广泛应用于各领域。

图6 异步电机串电阻启动

图7 直接启动仿真结果

［1］孙明施，王群京.基于MATLAB的异步电机动态过程仿真［J］.中小型电机，1999（4）：30-31.

［2］魏立明，陈伟利，韩成浩.基于MATLAB仿真的电机与拖动课程教学改革研［J］.中国建设教育，2014（4）： 31-33.

［3］杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义［J］.浙江海洋学院学报，2014（4）：31-33.

［4］冯崇智，李永丽.异步电动机起动过程动态仿真及堵转判定方法［J］.电力系统及其自动化学报，2003（6）：22-23.

图8 串电阻启动仿真结果

［5］武志涛，孙红星.虚拟仿真技术在电机与实验教学中的应用［J］.中国冶金教育.2014（6）：55-56.

［6］Frederick C B，Philip S D，Susan L S.The future of electrical and computer engineering education［J］.IEEE Transactions on Education，2003，46（4）： 467-476.

［7］陈亚爱，周京华.电机与拖动基础及MATLAB仿真［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［8］潘晓晟，郝世勇.MATLAB电机仿真精华50例［M］.北京：电子工业出版社，2007：86.

［9］ 陈亚爱，周京华.电机与拖动基础及MATLAB仿真［M］.北京：机械工业出版社，2011：138.

［10］ 李发海，王岩.电机与拖动基础［M］.北京：清华大学出版社，2012：314.（2016-08-22）