感应电机仿真与建模(二)

目前我国的中小型电机产量较高的企业大多集中在沿海地区（江苏、上海、浙江、广东等地）。随着沿海地区新兴的民营企业以及合资、外资企业的发展，国有企业在中小型电机行业中的比重下降。其中小型电机的产量逐步向“集中化”发展。目前我国中小型电动机已经建立了三相感应电动机y、y2、y3系列。①y系列：与1985年推广，并同时研发了y系列6kv,220～2800kw的中型高压三相感应电动机。②y2系列：与1996年完成了功率范围为0.12～315kw,机座中心高为63～355的三相感应电动机。同时降低空载噪音，抑制了负载噪音。③y3系列：与2003年采用全系列冷轧硅钢片的三相感应电动机，其能耗达到国标GB18163-2002和欧洲eff2效率标识。其主要性能指标达到了国际同类产品的先进水平。

国外在开发电机新产品，安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。要求电机达到可靠性高，寿命长，效率高，噪声低，重量轻。而且电机绝缘等级通常采用F级和H级，同时也要求降低制造成本。并且随着国际变频器的研究发展，开环、闭环以及无速度传感器控制三位一体的控制，有效的提高了电机运行效率，减少能耗。

第2章感应电动机的概述

2.1感应电动机的用途及分类

感应电动机是电动机中应用最广泛的一种，其结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制。具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。同时感应电动机还派生成各种防护形式，以适应不同环境条件的需求。随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由感应电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以其经济性，可与直流调速系统相媲美，而且维护简便，因而应用愈来愈广泛。由于感应电动机在运行过程中必须从电网中吸收感性无功功率，因此其功率因素较差，总是小于1。此外，感应电动机空载电流大，启动和调速性能都不够理想，是感应电机的主要缺点。

感应电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法：

按照相数来分，有单相感应电动机，三相感应电动机。大功率机械拖动时，一般都用三相感应电动机，日常生活中和工业控制装置则多用单相感应电动机。

按转子结构分，有鼠笼式感应电动机和绕线式感应电动机，其中，鼠笼式感应电动机又包括单鼠笼式感应电动机、双鼠笼式感应电动机和深槽式感应电动机。

按机壳的保护方式分，有防护式感应电动机、封闭式感应电动机，以及防爆式感应电动机。

2.2感应电动机的主要性能指标

感应电动机的主要性能指标有：

（1）效率：电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分数表示。

（2）功率因数：电动机输入有效功率与实际功率之比。

（3）启动电流：电动机在额定电压、额定频率下，转子启动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流。

（4）启动转矩：电动机在额定电压、额定频率下，转子启动时所产生的转矩的最小测得值。

（5）最小转矩：电动机在额定电压、额定频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态感应转矩的最小值。

（6）最大转矩：电动机在额定电压、额定频率下所能产生的最大稳态感应转矩。

（7）噪声：电动机在空载运行时的噪声功率级，以及在额定负载运行时超过空载运行的噪声功率级增量。

（8）振动：电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。

2.3感应动电机的基本工作原理

电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。图1是三相感应电动机转子转动的原理图（图中标示出两根导线），当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。感应电机的工作原理用箭头简单的表示如下：

图1：感应电机的工作原理

定子绕组通入三相交流电流→产生旋转磁场→切割转子绕组→转子绕组产生感应电势→转子中产生感应电流→转子电流与磁场作用→产生电磁转矩→运行。

2.4 三相感应电动机的运行特性

感应电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量，转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。

（1）转差率特性

通常把同步转速ns和电动机转子转速n二者之差与同步转速ns的比值叫做转差率，用s表示。关于转差率的定义如下：当电机的定子绕组接电源时，从定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：s=(ns-n)/ ns；s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。

（2）转矩特性

感应电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线。

（3）电流特性

空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。

（4）效率特性

其中铜耗随着负载的变化而变化；铁耗和机械损耗几乎不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗，电机达到最大效率。感应电动机的最大效率一般在（0.7-1.0）倍额定效率处。

（5）功率因数特性

空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。

第3章三相感应电动机的数学模型

3.1感应电动机动态数学模型

感应电动机的数学模型，因为以下三点：a.感应电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。b.感应电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。c.三相感应电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，所以动态模型是一个高阶系统。

因感应电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。可以做如下的假设：

（1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。

（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。

（3）忽略铁心损耗。

（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

无论感应电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。感应电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是Δ连接。若三相绕组为Δ连接，可先用Δ—Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行分析和设计。

这样，实际电机绕组就等效成图2所示的定子三相绕组A、B、C在空间固定，转子绕组a、b、c随转子旋转的三相感应电机物理模型。