感應電機仿真與建模(二)

目前我國的中小型電機產量較高的企業大多集中在沿海地區（江蘇、上海、浙江、廣東等地）。隨著沿海地區新興的民營企業以及合資、外資企業的發展，國有企業在中小型電機行業中的比重下降。其中小型電機的產量逐步向“集中化”發展。目前我國中小型電動機已經建立了三相感應電動機y、y2、y3系列。①y系列：與1985年推廣，并同時研發了y系列6kv,220～2800kw的中型高壓三相感應電動機。②y2系列：與1996年完成了功率范圍為0.12～315kw,機座中心高為63～355的三相感應電動機。同時降低空載噪音，抑制了負載噪音。③y3系列：與2003年采用全系列冷軋硅鋼片的三相感應電動機，其能耗達到國標GB18163-2002和歐洲eff2效率標識。其主要性能指標達到了國際同類產品的先進水平。

國外在開發電機新產品，安全、噪聲、電磁兼容等方面很重視。要求電機達到可靠性高，壽命長，效率高，噪聲低，重量輕。而且電機絕緣等級通常采用F級和H級，同時也要求降低制造成本。并且隨著國際變頻器的研究發展，開環、閉環以及無速度傳感器控制三位一體的控制，有效的提高了電機運行效率，減少能耗。

第2章感應電動機的概述

2.1感應電動機的用途及分類

感應電動機是電動機中應用最廣泛的一種，其結構簡單，價格低廉，運行可靠，堅固耐用，易于控制。具有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。同時感應電動機還派生成各種防護形式，以適應不同環境條件的需求。隨著電力電子器件以及交流變頻調速技術的發展，由感應電動機和變頻調速器組成的交流調速系統的調速性能以其經濟性，可與直流調速系統相媲美，而且維護簡便，因而應用愈來愈廣泛。由于感應電動機在運行過程中必須從電網中吸收感性無功功率，因此其功率因素較差，總是小于1。此外，感應電動機空載電流大，啟動和調速性能都不夠理想，是感應電機的主要缺點。

感應電動機的種類很多，從不同的角度考慮，有不同的分類方法：

按照相數來分，有單相感應電動機，三相感應電動機。大功率機械拖動時，一般都用三相感應電動機，日常生活中和工業控制裝置則多用單相感應電動機。

按轉子結構分，有鼠籠式感應電動機和繞線式感應電動機，其中，鼠籠式感應電動機又包括單鼠籠式感應電動機、雙鼠籠式感應電動機和深槽式感應電動機。

按機殼的保護方式分，有防護式感應電動機、封閉式感應電動機，以及防爆式感應電動機。

2.2感應電動機的主要性能指標

感應電動機的主要性能指標有：

（1）效率：電動機輸出機械功率與輸入電功率之比，通常用百分數表示。

（2）功率因數：電動機輸入有效功率與實際功率之比。

（3）啟動電流：電動機在額定電壓、額定頻率下，轉子啟動時從供電回路輸入的最大穩態方均根電流。

（4）啟動轉矩：電動機在額定電壓、額定頻率下，轉子啟動時所產生的轉矩的最小測得值。

（5）最小轉矩：電動機在額定電壓、額定頻率下，在零轉速與對應于最大轉矩的轉速之間所產生的穩態感應轉矩的最小值。

（6）最大轉矩：電動機在額定電壓、額定頻率下所能產生的最大穩態感應轉矩。

（7）噪聲：電動機在空載運行時的噪聲功率級，以及在額定負載運行時超過空載運行的噪聲功率級增量。

（8）振動：電動機在空載穩態運行時振動速率有效值。

2.3感應動電機的基本工作原理

電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。圖1是三相感應電動機轉子轉動的原理圖（圖中標示出兩根導線），當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出電動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。感應電機的工作原理用箭頭簡單的表示如下：

圖1：感應電機的工作原理

定子繞組通入三相交流電流→產生旋轉磁場→切割轉子繞組→轉子繞組產生感應電勢→轉子中產生感應電流→轉子電流與磁場作用→產生電磁轉矩→運行。

2.4 三相感應電動機的運行特性

感應電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量，轉差率，轉矩電流，效率，功率因數等隨輸出功率變化的關系曲線。

（1）轉差率特性

通常把同步轉速ns和電動機轉子轉速n二者之差與同步轉速ns的比值叫做轉差率，用s表示。關于轉差率的定義如下：當電機的定子繞組接電源時，從定子邊看，如果氣隙旋轉磁通密度與轉子的轉向一致，則轉差率s為：s=(ns-n)/ ns；s是一個沒有單位的數，它的大小能反映電動機轉子的轉速。隨著負載功率的增加，轉子電流增大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。

（2）轉矩特性

感應電動機的輸出轉矩：轉速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉速略有下降，轉矩曲線為一個上翹的曲線。

（3）電流特性

空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大。

（4）效率特性

其中銅耗隨著負載的變化而變化；鐵耗和機械損耗幾乎不變；效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗，電機達到最大效率。感應電動機的最大效率一般在（0.7-1.0）倍額定效率處。

（5）功率因數特性

空載時，定子電流基本上用來產生主磁通，有功功率很小，功率因數也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數逐漸升高；在額定功率附近，功率因數達到最大值。如果負載繼續增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數下降。

第3章三相感應電動機的數學模型

3.1感應電動機動態數學模型

感應電動機的數學模型，因為以下三點：a.感應電動機變壓變頻調速時需要進行電壓（或電流）和頻率的協調控制，有電壓（或電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉速外，磁通也是一個輸出變量。b.感應電動機無法單獨對磁通進行控制，電流乘磁通產生轉矩，轉速乘磁通產生感應電動勢，在數學模型中含有兩個變量的乘積項。c.三相感應電動機三相繞組存在交叉耦合，每個繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運動系統的機電慣性，轉速與轉角的積分關系等，所以動態模型是一個高階系統。

因感應電動機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。可以做如下的假設：

（1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產生的磁動勢沿氣隙按正弦規律分布。

（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。

（3）忽略鐵心損耗。

（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。

無論感應電動機轉子是繞線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數相等。感應電動機三相繞組可以是Y連接，也可以是Δ連接。若三相繞組為Δ連接，可先用Δ—Y變換，等效為Y連接。然后，按Y連接進行分析和設計。

這樣，實際電機繞組就等效成圖2所示的定子三相繞組A、B、C在空間固定，轉子繞組a、b、c隨轉子旋轉的三相感應電機物理模型。