浅谈三相异步电动机等效电路及仿真

　　感应电动机

 

　　感应电动机 ，又称“异步电动机”，是将转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。由电气工程师尼古拉·特斯拉于1887年发明。词条介绍了感应电动机的概念、发明者、工作原理、基本结构、工作方式、制动方式、异步特征、规格以及故障检查。

 

　　通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描述转子转速n与同步转速n1之间的差别，引入转差率（slip）。

 

　　基本结构

 

　　单相异步电机的基本结构

 

　　单相异步电动机就是只需单相交流电源供电的电动机 。单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

 

　　单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。

 

　　三相异步电机的基本结构

 

　　三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成 。定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，其作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。 （1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。 （2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

 

　　工作方式

 

　　1 异步电动机起动方式

 

　　1.1 软起动

 

　　随着微型计算机控制技术的迅猛发展，在相关的控制工程领域中先后研制成功了一批电子式软起动控制器，广泛应用在电动机的起动过程，降压启动器随之被替代。当前电子式的软起动设施都使用的是晶闸管的调压电路，其电路构成如下所描述：晶闸管六只，两两反并联后串联至三相电源上，待系统发送起动信号后，微机控制起动器系统立即进行数据计算，令晶闸管输送触发信号，使晶闸管的导通角得到控制，根据给定的输出，调节输出电压，实现电动机的控制。该起动方式适合各种功率值的三相交流异步电动机包括六根和三根连接方式的起动控制。

 

　　1.2 直接起动

 

　　此种起动方式是电机起动方式中最基础最简单的，首先借助用刀开关使电动机与电网进行连接，此时在额定电压下电动机起动并运行起来，该方式特点为：投资少，设备简单、数量少，虽然起动时间短，但起动时的转矩较小，电流较大，比较适合应用在容量小的电动机起动。

 

　　1.3 降压起动

 

　　由于直接起动存在较大的缺点，降压起动随之产生。这种起动方式适用的起动环境为空载和轻载这两种情况，由于降压起动方式是在同时实现了限制起动转矩和起动电流的，因此起动工作结束后需要使工作的电路恢复到额定状态。

 

　　

        仔细分析了三相异步电动机单笼、双笼等效电路模型，及其重要公式，以及如何从一个实际的三相异步电动机建立其等效电路模型。最后给出了Simulink仿真，需要指出的是，在Matlab中，异步电动机的仿真也是基于单笼或双笼电机模型进行的。

　　1、三相异步电动机原理

　　异步电动机又叫感应电动机，原理就不多说了，基本原理就是法拉第电磁感应定理。最常见的是鼠笼式（squirrel-cage）异步电动机，这里就以笼式异步电动机的等效电路进行详细分析。

　　1

　　2、三相异步电动机等效电路

　　在许多文献中（包括Matlab中的异步电动机仿真都是基于这个模型），三相异步电动机都可以等效于如下图所示的电路：

　　1

　　其中图（a）表示单笼（single squirrel-cage）模型，图（b）表示双笼（double squirrel-cage）模型。其区别在于双笼模型更加精确，参数更多，在Matlab中可以选择单笼还是双笼。

　　这里只分析单笼模型，因为双笼模型可以通过将：

　　

　　和

　　

　　并联得到：

　　

　　即：

　　

　　由此可得到双笼模型中的Rr和Xr，它们与转差率s有关。由上可知，双笼模型与单笼模型某种程度上可以等效。其中，转差率s为：

　　

　　其中，nsync表示同步转速，nm表示机械转速。

　　在图（a）模型中，如果确定了图中的五个参数，就可以确定一个异步电动机。有一些重要的公式需要提一下：

　　感应转矩的计算公式为：

　　这里的感应转矩表示的是输出机械转矩与机械损耗转矩之和，即：

　　

　　其中：

　　最大转差率（即极限转矩时的转差率）：

　　极限转矩：

　　由此可知，如图已知图（a）所示电机的模型参数，就可以得到电机的转矩-转速特性曲线。

　　然而，对于一个实际电机，如何才能知道其模型参数呢？

　　模型参数的确定通常是通过实验获得，如空载实验（No-Load Test）、堵转实验（Locked-Rotor Test）、直流实验（DC Test）等。这些实验条件在国标中都有规定。具体如何通过实验结果得到电机的模型参数，请参考文献［1］。

　　另一种方法是通过电机的铭牌数据、设计类型、设计标准等已知条件通过非线性方程组估算电机的模型参数，单笼模型和双笼模型都有对应的非线性方程组，求解这个非线性方程组需要用到非线性最小二乘法等数值解法，详见参考文献［2］。

　　3、三相异步电动机Simulink仿真

　　在Matlab中输入power_pwm，即可以得到Matlab自带的仿真模型，如下图所示。

　　该仿真模型中，三相异步电动机的规格为：额定功率3HP，额定线电压220V，额定频率60Hz，额定转速1725rpm，额定负载11.9Nm。