基于MATLAB的三相異步電動機的建模與仿真研究

石欽中（中國人民解放軍裝甲兵工程學院，北京 100072）

基于MATLAB的三相異步電動機的建模與仿真研究

石欽中
（中國人民解放軍裝甲兵工程學院，北京 100072）

隨著我國電動機控制技術的發展，目前在工業領域，交流調速系統正在逐步替代直流調速系統的使用，因此本文對三相異步電動機的仿真進行研究就顯得特別重要。本文首先分析了異步電動機基本原理和工作特性，然后對基于基于MATLAB的三相異步電動機的建模與仿真進行了重點分析，以供廣大讀者參考。

MATLAB 三相異步電動機 建模 仿真

1　MATLAB簡介

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，可以為三相異步電動機提供數值計算能力、專業水平的符號計算功能、可視化建模和仿真等功能。矩陣是MATLAB的基本數據單位，其指令表達形式類似于數學和工程中用到的，所以相比較C語言而言，MATL AB的結算問題能力更便捷。目前的MA TLA B包含了數百種以上的內部函數主包和三十多種工具包，后者又可以分為學科工具包和功能性工具包，從而實現處理可視化建模仿真、實時控制、文字處理等各項功能。MATLAB還有著很強的開放性，其內部的主包和工具包都屬于可讀可修改文件，從而方便用戶將源程序的修改加入到自己編寫的程序中。

2　異步電動機基本原理和工作特性

三相異步電動機主要由定子和轉子構成，二者之間有一個比較小的空氣隙。當對稱三相繞組接到對稱三相電源以后，空氣隙就可以建立同步轉速和旋轉磁場。旋轉磁場會切割轉子導體，而后者就會產生感應電勢，再加上轉子繞組屬于閉合狀態，所以電流會從轉子導體中通過。電流和旋轉磁場之間會產生電磁力，并作用于轉子導體，其方向與旋轉磁場方向保持一致。異步電動機工作特性是指在額定電壓和額定頻率的情況下，電動機轉速、定子電流、功率因數、電磁轉矩等方面的關系。首先從轉速特性方面來看，在空載狀態下，轉子電流接近零，所以處于同步轉速狀態下，而隨著負載的增加，轉速會逐漸下降，因此轉速特征是一條稍向下傾斜的曲線。其次從定子電流特性方面來分析，如果處于空載狀態下，定子電流就全部是勵磁電流；并且隨著負載的增加，定子電流也會增加。最后從功率因數特性的方面來看，異步電動機的功率因數處于滯后狀態，如果處于空載情況下，電動機的功能因素就比較低；隨著負載的增加，電動機的功率因數也會提高，直到額定負載狀態下會達到最大值。

3　異步電動機的物理模型

在對異步電動機的多變量進行物理模型設計時要有一定的假設：第一，忽略空間諧波，并且假設三相繞組對稱，磁動勢沿著空氣隙正弦規律排列；第二，忽略磁路飽和，并且假設各個繞組的互感和自感都屬于恒定狀態；第三，忽略貼心損耗，假設模型在最理想狀態下設計的；第四，不考了外在溫度變化等各種客觀因素對繞組電阻的影響，如圖1所示的實際電動機繞組等效圖，各個繞組電壓、電流、磁鏈的正方形符合右手螺旋定理和電動機慣例的要求。

4　異步電動機的仿真模型

本文設計的電動機模型由電源、測量、電動機、電子、線路和連接器等元件構成。該仿真設計將Simpower Systems中的各個相關環節模塊連接起來，從而得到了仿真模型。在仿真模型中需要輸入的參數包括：電動機定子和轉子的電阻、負載轉矩和感抗等，從而實現整個電動機的仿真設計。詳細來說該電動機仿真模型的具體實現：第一，電機定、轉子電流仿真。如果電動機在全電壓狀態下直接啟動，那么就會產生較大的啟動電流，電流達到0.7s左右后就實現了穩定。電流穩定值和設計值之間要保持一致，一般經過3個周波后，電流穩定值可以達到設計值規定的范圍內。另外一方面，轉速穩定值（空載轉速值）也要和設計值保持一致。其次從電機轉矩仿真設計來分析，通過模型設計中電動機達到穩定運行狀態時的轉矩曲線圖可以發現，如果電動機處于直接啟動狀態下，那么轉矩在0.1s之前會產生較大的震蕩，而整個系統在0.7s后就可以實現穩定運行狀態，并且穩定轉矩值和設計值保持一致，也就是額定值。電動機轉矩在0.1s之前的震蕩與轉速的輕微震蕩是一致的，這也是電動機在穩定狀態之前必須經過的環節。

通過本案例可以發現，把電動機模型封裝為一個模塊后，使用者只需要通過輸入電動機的各個參數就可以進行仿真，并且其各個變量的結果都會實現穩定可靠，符合實際的需要，能夠提高仿真的精度。另外一方面，通過MATLAB進行仿真還可以對電動機模型設計進行驗證，特別是其具有的瞬態分析能夠為電動機運行提供更好地幫助和監測。

［1］王俊柳，王敏，王穎.基于MATLAB的異步電動機仿真試驗平臺［J］.計算機仿真，2002（4）：118-123.

［2］ 陶瑞蓮.基于MATLAB三相異步電動機起動建模及仿真［J］.南京工業職業技術學院學報，2009（2）：21-23.

石欽中（1990—），男，四川南充人，中國人民解放軍裝甲兵工程學院本科在讀，研究方向：電氣工程。