三相異步電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

牟憲民,劉鳳春,李冠林,陳希有

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,遼寧大連 116023）

三相異步電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

牟憲民,劉鳳春,李冠林,陳希有

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,遼寧大連 116023）

本文提出了包括實(shí)驗(yàn)、仿真和再實(shí)驗(yàn)的三步實(shí)驗(yàn)課授課方法。通過首次實(shí)驗(yàn)獲取三相異步電動機(jī)模型的參數(shù),隨后利用獲取的參數(shù)建立仿真模型并進(jìn)行仿真,這樣,在最后階段的實(shí)驗(yàn)中,可以獲得更準(zhǔn)確更豐富的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐表明,三步實(shí)驗(yàn)授課方法收到了顯著的實(shí)驗(yàn)效果,并可推廣應(yīng)用于相關(guān)電氣類課程實(shí)驗(yàn)。

異步電動機(jī);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);仿真實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)在,越來越多的實(shí)驗(yàn)課都采用將計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式[1]。為了使仿真結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果,仿真電路中的模塊參數(shù)必須盡量和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的設(shè)備參數(shù)一致。一般情況下,實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)對象(三相異步電動機(jī))功率較小,參數(shù)的誤差對仿真的結(jié)果影響較大[2]。同時實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)對象一般沒有給出詳細(xì)的參數(shù),不能直接獲得實(shí)驗(yàn)對象的仿真模型參數(shù)。

我校的“電機(jī)與拖動”實(shí)驗(yàn)課程中引入了Matlab仿真工具,借助于實(shí)驗(yàn)室開放的有利條件,采用本文提出的三步實(shí)驗(yàn)方法,收到了顯著的實(shí)驗(yàn)效果。

1 電機(jī)與拖動實(shí)驗(yàn)改革的思路

“電機(jī)與拖動”課程理實(shí)驗(yàn)線路復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)所用的儀表較多,實(shí)驗(yàn)時接線占用時間較長,對所測數(shù)據(jù)是否正確亦難以判斷。采用Matlab仿真工具進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn),可以不受場地與設(shè)備的限制。通過在仿真環(huán)境中連接實(shí)驗(yàn)線路的操作過程的練習(xí),再回到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生操作技能可明顯提高。更重要的是,仿真的結(jié)果是否正確,可以從容分析比較。并以此為基礎(chǔ),學(xué)生就可在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中判斷所測取得數(shù)據(jù)是否正確有效。

傳統(tǒng)的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)室一般是不開放的,由于設(shè)備的限制,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容亦不能開放。通過校級教學(xué)改革項(xiàng)目“電機(jī)與拖動課程綜合改革的研究與實(shí)踐”,我們在實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)施了重要改革措施:開放實(shí)驗(yàn)室和開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,并使用Matlab仿真工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真研究。具體做法是:①通過初次實(shí)驗(yàn)獲取研究對象的參數(shù),學(xué)生可自行安排時間去開放的實(shí)驗(yàn)室完成此步驟;②將實(shí)測參數(shù)用于仿真實(shí)驗(yàn),建立與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相同的仿真模型進(jìn)行仿真研究和分析;③搭建實(shí)驗(yàn)電路再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 三相異步電動機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型參數(shù)識別實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y試和推算三相異步電動機(jī)仿真模型所需要提供的仿真模型參數(shù):定子電阻和漏電抗、轉(zhuǎn)子電阻和漏電抗以及勵磁電阻和電抗。這些參數(shù)都反映在如圖1所示的異步電動機(jī)的T型等效電路中。圖中,s為轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)子電路參數(shù)為折算值。通過空載實(shí)驗(yàn)(開路實(shí)驗(yàn))和堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)(短路實(shí)驗(yàn))就可以確定這些參數(shù)[3,4]。

圖1 異步電動機(jī)T型等效電路

實(shí)驗(yàn)所采用的異步電機(jī)參數(shù)為:額定功率P N=100W,額定電壓U N=220V,額定電流 I N=0.48A,額定轉(zhuǎn)速nN=1420r/min,三角型接法,E級絕緣。

(1)空載實(shí)驗(yàn) 按照空載實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)計(jì)空載實(shí)驗(yàn)線路和方法,測取多組輸入電壓U10、空載電流I10、空載輸入功率P10和轉(zhuǎn)速n。由此可以計(jì)算出勵磁阻抗的數(shù)值R m和X m。

(2)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 按照短路實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)線路和方法,測取多組輸入電壓U 1s、堵轉(zhuǎn)電流I1 s和堵轉(zhuǎn)輸入功率P1s。由此可以計(jì)算出漏阻抗的數(shù)值 X1σ、R′2 和 X′2σ。

經(jīng)過計(jì)算,得到三相異步電動機(jī)的參數(shù)為R m=15Ψ,Xm=327.2597Ψ,X1σ=47.0925Ψ、R′2=16.2036Ψ,X′2σ=20.2004Ψ。實(shí)測 R1=15Ψ。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

我們介紹的三相籠型異步電動機(jī)直接起動的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎椒?可用于其它實(shí)驗(yàn)。使用Matlab中的Simu link,按照實(shí)驗(yàn)電路建立仿真模型電路如圖2所示。

圖2 三相籠型異步電動機(jī)直接起動的仿真模型

仿真模型中包括主電路模塊(交流電壓源,異步電動機(jī)和三相斷路器)、測量顯示模塊(電流測量、電壓測量、有效值計(jì)算、電動機(jī)測量、數(shù)值顯示和常量模塊)和電力仿真圖形接口模塊。

我們可按照實(shí)驗(yàn)要求和上一節(jié)中獲得的三相異步電動機(jī)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,設(shè)定仿真模型參數(shù)。仿真電路模型中,三相異步電動機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩為0,表示三相異步電動機(jī)為空載直接啟動。建立仿真模型后便可進(jìn)行仿真。

通過仿真模型中的顯示模塊可直接觀察到直接起動電流、直接起動轉(zhuǎn)矩以及直接起動轉(zhuǎn)速隨時間的變化等數(shù)值。動態(tài)過程可以通過示波器(Scope)模塊進(jìn)行觀察隨時間變化的過程,圖4給出了三相異步電動機(jī)的起動電流波形。由圖可知,起動電流Ist=2A。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,相當(dāng)于電動機(jī)空載運(yùn)行,可通過數(shù)值顯示(Disp lay)模塊進(jìn)行觀察。此時轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速n=1494轉(zhuǎn)/分,線電流為空載電流I10=0.3403 A。這些數(shù)據(jù)與空載實(shí)驗(yàn)實(shí)測獲得的數(shù)據(jù)十分符合。

圖4 三相異步電動機(jī)起動電流波形

通過仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅進(jìn)行了虛擬接線練習(xí),測量了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),還了解到了電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析所沒有涉及到的問題,即暫態(tài)過程中各物理量的變化規(guī)律。由此可引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)一步深入思考相關(guān)問題。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,學(xué)生可預(yù)約實(shí)驗(yàn)時間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。一般通過仿真實(shí)驗(yàn)后再實(shí)施真實(shí)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目,絕大多數(shù)學(xué)生的接線能力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性都有很大的提高。我們應(yīng)當(dāng)提醒學(xué)生,真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所采用的測試儀表與仿真實(shí)驗(yàn)所使用的測試模塊不同,測試項(xiàng)目也不盡相同。對于電機(jī)實(shí)驗(yàn),真實(shí)實(shí)驗(yàn)首先要使用兆歐表測量電機(jī)的絕緣電阻,在進(jìn)行繞組判斷后才能接線,對于大的起動電流需要使用鉗型電流表測試等。

3 結(jié)語

我們借助于實(shí)驗(yàn)室開放的有利條件,合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程,將部分實(shí)驗(yàn)學(xué)時用于仿真實(shí)驗(yàn),收到了事半功倍的實(shí)驗(yàn)效果。本文以三相異步電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)為例,采用了實(shí)驗(yàn)、仿真和再實(shí)驗(yàn)的三步法獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方法也可以應(yīng)用到其它的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中。

本文的三相異步電動機(jī)模型參數(shù)中的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦系數(shù)兩個參數(shù),不能通過空載實(shí)驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行辨識,有待今后設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型參數(shù)識別。

[1] 孫靜,周元鈞,張磊.基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真平臺[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(4):57-59

[2] 楊霞.三相異步電動機(jī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].唐山:唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):52-53

[3] 鄭建勇.單相異步電機(jī)在線堵轉(zhuǎn)性能測量方法研究[J].上海:中小型電機(jī),2003,30(1):71-74

[4] 孫建忠.劉鳳春.電機(jī)與拖動[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

Design of Three Phase Asynchronous Motor Experiment

MU Xian-min,LIU Feng-chun,LIGuan-lin,CHEN Xi-you

(Schoolo f Electrical Engineering,Da lian University o f Techno logy,Dalian 116023,China)

A three-step method including experiment,simulation and re-experiment is proposed in this paper.In first experiment stage,the parameters of three-phase asynchronousmotor are obtained.Then,the simulation model is built using the parameters obtained above.In final experiment stage,them ore exact and abundant resultsw illbe obtained.It hasbeen shown that this three-step experimentmethod can improve the asynch ronousmotor experiment effects greatly and can be sp readed to other electrical course experiments.

asynchronousm otor;experiment design;simulation

G424.31;TM 343+.2

B

1008-0686(2011)02-0052-03

2010-05-28;

2010-09-20

牟憲民(1973-),男,博士,講師,主要從事電工學(xué)教學(xué)和電力電子變換科學(xué)研究,E-mail:muxm@dlu t.edu.cn

劉鳳春(1962-),女,碩士,副教授,主要從事電機(jī)與拖動教學(xué)與科研工作,E-m ail:lfc5e001@dlu t.edu.cn

李冠林(1979-),女,博士,講師,主要從事電路教學(xué)和混沌電路科學(xué)研究,E-m ail:lglhit@dlu t.edu.cn

陳希有(1962-),男,博士,教授,主要從事電路教學(xué)和電力電子變換科學(xué)研究,E-mail:chenxy@dlut.edu.cn