电机工作特性的计算机仿真

电机工作特性的计算机仿真

四川大学电气信息学院󰀁何󰀁坤󰀁宁元中󰀁孙克金四

川

电

机

厂󰀁何熙武

󰀁摘要󰀁󰀂电机设计者设计完一台电机后,渴望知道此电机的运行性能是否满足用户的要求。这必须要借助于电机的工作特性来进行判断。传统的方法是通过对试制电机进行试验来获得工作特性。本文介绍了运用PSPICE和MATLAB来对电机的工作特性进行计算机仿真,这样既避免了以往传统方法的复杂计算,又节约了时间和生产成本,大大缩短了电机的新产品开发周期。

关键词󰀁三相异步电机的设计参数󰀁三相异步电机的󰀁T󰀁型等效电路󰀁PSPICE󰀁MATLAB5󰀁3󰀁C语言

󰀁󰀁

一、引言

一台在额定条件下正常运行的三相异步电动机,当其所带的机械负载发生变化时,电动机的转速、转差率、效率、输出转矩、定子电流、功率因数等都将随着输出功率的变化而变化。它们与输出功率的关系决定了异步电机的运行性能。因此,了解异步电机的工作特性就具有非常重要的意义。

计算电机的工作特性可以运用有限元方法解出气隙的磁密,进行计算电机的定子电流、功率、电磁转矩等;这样计算较复杂,占用计算机的内存较大,因此本文采用了电机正常运行时的数学模型,即三相异步电机的󰀁T󰀁型等效电路(如图1所示)。

电机设计的结果可以直接得到等效电路图的各个参数。在计算起动性能时,只要修改电路图中的一些参数以便用来模拟电机起动时的󰀁饱和效应󰀁和

图1󰀁电动机的󰀁T󰀁型等效电路

󰀁挤流效应󰀁,即可以计算出电机的起动性能。近年来,PSPICE在电子工业中得到了广泛的应用,它可以对实际电子电路进行仿真和模拟。利用PSPICE的这一特点,可以较快地计算出电机运行时的定子电流、等效转子电流、感应电势和功率因数角等参数。MATLAB是一种科学的计算语言,它非常适用于矩阵运算、数据分析、数据的拟合及曲线绘制,利用MATLAB来编程,不仅简单明了,而且可以通道共同,是一种简单、经济、实用的有效方法,尤其是对信号变化较慢而且有较大干扰的系统更为有效。文中有不足之处,请批评指正。

参考文献

1󰀁陶亦亦.PLC输入信号的滤波方法[J].苏州市职业大学学报,2000󰀁11(2)

2󰀁常恒毅.可编程序控制器[M].北京:人民邮电出版社,19913󰀁陈春雨,李景学.可编程序控制器应用软件设计方法与技巧[M].北京:电子工业出版社,1992

4󰀁王兆义.小型可编程序控制器实用技术[M].北京:机械工业出版社,1998

5󰀁朱善君,翁樟.可编程序控制系统原理应用维护[M].北京:清华大学出版社,1992

(收稿日期:2001-03-16)

󰀁󰀁

三、程序设计

设采样次数n为10,采样时间为1s,采用FX-4AD模拟量输入模块并连接在最靠近PLC基本单元的地方,则特殊功能模块号为N.0,仅开CH1一个通道作为电压量输入通道,设计出剔峰均值滤波法程序梯形图如图4。图示的程序中,为简化程序结

构,在满足计算精度要求的前提下,作了一些简化计算。其中开始采样的信号为X1,最后的采样信号滤波值存放在D17中,供控制程序调用。󰀁󰀁

四、结论

剔峰均值滤波法在无需增加任何硬件的情况

下,充分利用PLC的软件优势,且滤波程序可以多󰀁20󰀁计算机󰀁PLC应用󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁机床电器2001No.3根据自己的实际需要,扩充其功能,运用他们各自的优点,对电机在不同的负载情况下对电机的转速、转差率、效率、输出转矩、定子电流、功率因数等参数的变化情况进行仿真,并绘制他们与负载的关系曲线,利用这些曲线,来判断电机在正常运行时的运行性能,从而完善了电机的设计过程。

在本文中,电机的电磁设计用C语言程序编程,在Windows98的操作系统平台上与MATLAB接口。󰀁󰀁

用MATLAB计算的回路方程:U10

R1+R2󰀁+j(X1+Xm)=󰀁I1I21-SU2=I2󰀁S󰀁R2󰀁

󰀁󰀁

-(Rm+jXm)

-(Rm+jXm)R2󰀁

+jX2󰀁S

(8)(9)

二、基本原理

三、应用实例

1、从图1中可以分别计算出电机定子电流I1和转子等效电流I2。由󰀁电机学󰀁可知:

n=(1-S)󰀁n1(1)Pn=3󰀁I2󰀁U2(2)

P2=Pn-P0

P1=3󰀁I1󰀁U1󰀁COS󰀁

P0

I2󰀁U2-P23󰀁==

P1I1󰀁U1󰀁COS󰀁T=P2󰀁

602󰀁󰀁󰀁n

(3)(4)(5)(6)(7)

一台三相鼠笼式异步电动机额定功率为3kW,额定电压为380V,额定转速为957r/min,定子绕组为Y接,电机的设计参数为:

R1=2󰀁08󰀁,X1=3󰀁12󰀁;R2󰀁=1󰀁525󰀁,X2󰀁=4󰀁25󰀁;RM=4󰀁12󰀁,XM=62󰀁;机械损耗为60W。

用PSPICE仿真结果如下表所示:

S0.010.020.030.040.050.060.07

I13.70014.4635.4386.4977.5738.6339.659

󰀁-6.432E+01-5.037E+01-4.207E+01-3.737E+01-3.478E+01-3.297E+01-3.297E+01

IF3.3193.2723.2233.1723.1193.0663.014

30T=(3󰀁I2󰀁U2-P0)󰀁

󰀁󰀁n

式中:

n1󰀁电机的同步转速;

n󰀁电机的实际转速;󰀁󰀁电机的效率;T󰀁输出转矩;S󰀁转差率;Pn󰀁机械功率;

P0󰀁机械损耗和杂散损耗;P1󰀁输入功率;

󰀁󰀁用MATLAB仿真结果如下:

P2󰀁输出功率。

由图1可知,当负载P2发生变化时,电机的转差率S也将发生变化,参数I1、COS󰀁、󰀁、T等也会随着变化。

2、PSPICE计算的电路图,如图2所示。

UIN󰀁电机的相电压󰀁U󰀁直流电压源,其电压为0

图2󰀁用PSPICE计算的电路图

图3󰀁转差率S-负载功率P2的关系曲线图

󰀁21󰀁机床电器2001No.3󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁计算机󰀁PLC应用

图6󰀁功率因数COS󰀁󰀁负载功率P2的关系曲线图

图4󰀁效率󰀁󰀁负载功率P2的关系曲线图

图5󰀁定子电流I1󰀁负载功率P2的关系曲线图

图7󰀁转矩T󰀁转差率S的关系曲线图

󰀁󰀁

四、结论

经实验证明,运用PSPICE和MATLAB5󰀁3对三

参考资料

1󰀁谢应璞󰀁电机学󰀁成都:成都科技大学出版社2󰀁江泽佳󰀁电路原理󰀁北京:高等教育出版社3󰀁邱关源󰀁网络理论分析󰀁北京:高等教育出版社4󰀁程卫国,冯峰等󰀁MATLAB5󰀁3应用指南󰀁北京:人民邮电出版社

(收稿日期:2000-12-04)

相异步电机的工作特性进行仿真,提高了设计的精确度,并且缩短了得到一台电机的工作特性的时间。运用这些特性曲线不仅可以对电机的运行性能进行评判,而且可以对电机设计参数进行调整,完善了电机的设计,节约了试制时间和成本,大大缩短了电机的新产品开发周期,减轻了设计人员的劳动强度。󰀁22󰀁