1 异步电机及Simulink模型
感应电动机是借定子旋转磁场在转子导体中感应电流，从而产生电磁转矩的一种电机。定、转子间的能量转换依靠旋转磁场的电磁感应作用，故称为感应电动机。
三相感应电动机利用旋转磁场的原理，当定子三相绕组通入三相电流后，在空气隙中将产生旋转磁场，如果在这个磁场内放一个短路线圈，则会在线圈中产生感应电动势，从而产生电流，这个电流和旋转磁场相互作用就产生了转矩，使线圈动起来，跟随旋转磁场转动。由于其转子转速始终低于同步速n1，即n与n1之间必须存在者差异，因而又称“异步”电动机。 转差(n?n1)的存在是感应电机运行的必要条件，我们将转差与同步转速的比值称为转差率，用符号s(0 1.1异步电动机的稳态等效电路 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。异步电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图所示。 异步电动机T形等效电路 1.1.1等效电路中各参数物理意义 ’——定子每相绕组电阻和折合到定子侧的转子每相绕组电阻；Rs、RrL1s、L’1r —— 定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感；Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us——定子相电压；w1——供电电源角频率，w1?2?f1；Is、Ir’ ——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流，箭头为规定正方向；s——转差率 1.1.2感应电机功率流程 U1I1cos?1 感应电动机定子绕组从电源输入的有功功率P1为 P1?3其中一部分消耗在定子绕组铜耗Pcu1?3I12r1及旋转磁场在定子铁芯中的铁损 2耗PFe?3I0rm(由于n?n1，f2很低，而且转子铁芯也为迭片而成，所以转子 第 1 页 铁耗忽略不计)。剩下的大部分即为通过电磁感应而进入转子的电磁功率PM，即 PM?P1?Pcu1?PFe PM为 由T形等值电路可知，进入转子回路的电磁功率’’’’2r2’2’’21?s’I2cos?2?3I2?3I2r2?3I2(r2)?Pcu2?P? PM?3E2ss即PM中的一部分消耗在转子绕组的铜耗上Pcu2，另一部分则转化为轴上的总机械功率P?。而且P?还必须克服机械损耗p?及由于定转子开槽等原因引起的附加损耗p?，剩下的才是从轴上输出的机械功率P2，即 P2?P??p??p??P 1?Pcu1?PFe?Pcu2?p??p??P1??p则感应电动机的效率为??P2?100%?P1??p?100%?(1??p)?100% P1P1P1按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率PM分成两部分： 1?s’21?s’(r2)?Pcu2?PM?Pcu2?(1?s)PM是拖动一部分是机械功率P??3I2s’s2’负载的有效功率，另一部分Pcu2?3I2r2?sPM是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。 1.2Simulink仿真基础 Simulink工具箱的功能是在MATLAB环境下，把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型；电力系统仿真工具箱(SimPower System)是在Simulink环境下使用的仿真工具箱，其功能非常强大，可用于电路、电力电子、电机系统、电力传输等领域的仿真，它提供了一种类似电路搭建的方法用于系统的建模。 1.2.1异步电动机Simulink模型 Asynchronous Machine SI Units 国际单位制的异步电动机 其电气连接和功能分别为： A、B、C：交流电机的定子电压输入端子； Tm：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载； a，b，c：绕线式转子输出电压端子，一般短接；而在鼠笼式电机为此输出 第 2 页 端子； m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。 1.2.2异步电动机模型参数设置 异步电动机模型参数设置 Rotor type：转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式(Wound)和鼠笼式(Squirrel-cage)两种类型； Reference frame：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系(Rotor)、静止坐标系(Stationary)、同步旋转坐标系(Synchronou)； Nominal power, voltage(line-line), and frequency[ Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz) ]：额定功率(VA)，线电压(V)，频率(Hz)； Stator resistance and inductance[ Rs(ohm) L1s(H) ]：定子电阻Rs(ohm)和漏感 第 3 页 L1s(H)； Rotor resistance and inductance[ Rr’(ohm) L1r’(H) ]：转子电阻Rr(ohm)和漏感L1r(H)； Mutual inductance Lm(H)：互感Lm(H)； Inertia, friction factor and pairs of poles[ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() ]：转动惯量J(kg.m^2)、摩擦系数和极对数； Inertia conditions：初始条件包括：初始转差s，点角度phas, phbs, phcs(deg)和定子电流isa isb isc(A)。 1.3电机测试信号分配器模块及参数设置 电机测试信号分配器模块及参数设置 第 4 页 ir_abc：转子电流ira, irb, irc； ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d； phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d； vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d； is_abc：定子电流isa, isb, isc； is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d； phis_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d； vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d； wm：电机的转速； Te：电机的机械转矩； Thetam：电机转子角位移。 2 矢量控制 异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是矢量坐标变换。利用矢量坐标变换将异步电动机模拟成直流电动机进行电磁转矩控制，实现了异步电动机的高性能速度控制。 2.1矢量控制的基本思路 在交流异步电动机定子三相对称绕组中，通入对称的三相正弦交流电ia、ib、ic时，则产生旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场?ABC，如图(a)所示，磁场的旋转角速度等于定子电流的角频率ws。然而，产生的旋转磁场不一定非要三相绕组，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，都能产生圆形旋转磁场。如图(b)所示，具有位置互差900的两相定子绕组?、?异步电动机，当通入两相对称正弦电流i?、i?时，也能产生旋转磁场???。如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与图(a)所示三相绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为图(a)和图(b)所示的两套交流绕组等效。由此可知i，处于三相静止坐标系上的三相对称静止交流绕组，可以等效为两相静止直角坐标系上的两相对称静止交流绕组；三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流ia、ib、ic与二相对称正弦交流电流i?、i?之间必存在着确定的变换关系 i???C3S/2Siabc1iabc?C3?S/2Si???C2S/3Si?? 该式为矩阵方程，其中C3S/2S和C2S/3S为变换矩阵 第 5 页