謝麗蓉

(新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠、價格低、效率高等優(yōu)點，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。針對電動機銘牌數(shù)據(jù)，可采用轉(zhuǎn)矩實用表達式繪制機械特性曲線。目前教材中給出的轉(zhuǎn)矩實用表達式，適用條件是電動機參數(shù)恒定，對繞線式電動機是可以直接使用，而對鼠籠電動機則不然，若直接將其應(yīng)用于鼠籠異步電動機，計算和分析結(jié)果存在很大的誤差，需對實用表達式進行修正。

文獻[2-3]提出了一種新穎思想和方法，采用無限個不同轉(zhuǎn)差率時的繞線式異步電動機機械特性曲線的臨界點連續(xù)變動，來構(gòu)成鼠籠式異步電動機機械特性方程；文獻[4]根據(jù)鼠籠式異步電動機機械特性修正方程，對電動機起動特性進行了分析。

Matlab/GUI是一種新型的圖形用戶界面開發(fā)方式，通過此界面可以很方便地達到一些特定控制的操作，簡單易學而又功能強大。既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的圖形化結(jié)果以人機交互的動態(tài)方式呈現(xiàn)給用戶，使用者不需要知道代碼的具體內(nèi)容，只要了解具體操作步驟,即可方便地操作界面[5-6]。

本文針對機械特性實用表達式和修正表達式，用M文件編寫繪制機械特性的程序；采用Matlab/Simulink基本元件，構(gòu)建異步電動機起動特性仿真模型，運用GUI設(shè)計開發(fā)程序界面[7-12]。

1 程序主界面

電動機特性曲線仿真平臺的用戶界面，運用Matlab提供的GUIDE來設(shè)計[7]，內(nèi)容包含繞線式異步電動機和鼠籠式異步電動機的機械特性、起動特性，兼顧轉(zhuǎn)矩實用和修正表達式。異步電動機特性曲線繪制軟件主界面見圖1。

圖1 三相異步電動機特性曲線繪制軟件的主界面

當點擊“機械特性”，出現(xiàn)下拉菜單，有繞線式異步電動機實用表達式、繞線式異步電動機修正表達式、鼠籠式異步電動機實用表達式、鼠籠式異步電動機修正表達式的選項，單擊選項，便可出現(xiàn)相應(yīng)的曲線繪制界面。

2 繞線式異步電動機的GUI平臺設(shè)計

2.1 機械特性GUI平臺

2.1.1 理論基礎(chǔ)

繪制電動機的機械特性曲線，通常采用轉(zhuǎn)矩實用表達式。 假定電動機“定子、轉(zhuǎn)子繞組的阻抗參數(shù)不隨轉(zhuǎn)差率而變”，則異步電動機的轉(zhuǎn)矩實用表達式[1]為

(1)

式中：T為電磁轉(zhuǎn)矩；s為轉(zhuǎn)差率；sm為臨界轉(zhuǎn)差率。

繞線式異步電動機能滿足轉(zhuǎn)矩實用表達式的假設(shè)條件，所以可按公式(1)進行仿真設(shè)計。

2.1.2 運行界面

按公式(1)編寫繪制機械特性曲線的程序，得到的繞線式異步電動機機械特性的GUI界面見圖2。

圖2 基于實用表達式的繞線式異步電動機機械特性繪制界面

點擊“加載實例”按鈕，可將參數(shù)PN、nN、n0(理想空載轉(zhuǎn)速)等數(shù)據(jù)顯示在界面，同時可在Axes坐標軸對象中繪制出機械特性曲線。

在編輯框中輸入電動機的PN、nN和f等數(shù)值，點擊“繪制曲線”按鈕，可以繪制出相應(yīng)的機械特性曲線。

點擊“退出界面”按鈕，可退出此界面。

2.1.3 設(shè)計方法

(1) 編寫M文件。通過GUIDE在用戶GUI設(shè)計過程直接自動生成M文件的框架，編寫函數(shù)代碼，程序代碼為：

PN=7.5;nN=925;p=3;f=50;km=2;

n0=60*f/p;

sN=(n0-nN)/n0;

TN=9550*PN/nN;

Tm=TN*km;

sm=sN*(km+sqrt(km.^2+1));

for i=1:1:100

s1=0.01*i;

n1=n0*(1-s);

T1=2*Tm/((s/sm)+(sm/s));

s(i)=s1;

T(i)=T1;

n(i)=n1;

end

plot(T,n)

grid on

(2) 加載實例。點擊圖2中“加載實例”按鈕，將實例電動機的數(shù)據(jù)，通過后臺編寫程序，直接顯示在GUI界面[7]，“加載實例”的程序部分代碼為：

PN=7.5；nN=925；km=2；p=3；f=50

set(handles.edit1,′string′,pN);

set(handles.edit2,′string′,nN);

…

(3) 參數(shù)輸入。繪制不同電動機的特性曲線時，可以在圖2中輸入電動機的相關(guān)參數(shù)，后臺程序需要獲取用戶所填寫的參數(shù)，以便進行相應(yīng)的運算[12]?！袄L制曲線”按鈕的Callback部分程序為：

PN=str2num(get(handles.edit1,′string′))

nN=str2num(get(handles.edit2,′string′))

2.2 起動特性GUI平臺設(shè)計

異步電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系[1]為

(2)

電動機起動時轉(zhuǎn)速為：

n′=n0(1-s)

(3)

根據(jù)公式(1)、(2)和(3)，搭建的基于實用表達式的繞線式電動機起動特性Simulink模型[4]見圖3。繪制繞線式異步電動機起動特性的GUI界面見圖4。

圖3 基于實用表達式的繞線式異步電動機仿真模型

圖4 繞線式異步電動機起動特性曲線GUI界面

3 鼠籠式異步電動機的GUI平臺設(shè)計

鼠籠式電動機給定銘牌數(shù)據(jù)：PN=4.5 kW;nN=1 440 r/min;Km=2;起動轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kst=1.4，Kst=Tst/TN,Tst為起動轉(zhuǎn)矩；GD2=1.96 N·m2；n0=1 500 r/min。

公式(1)是在假定電動機“定子、轉(zhuǎn)子繞組的阻抗參數(shù)不隨轉(zhuǎn)差率而變”的條件下推導出來的，實際上，鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)子導條受集膚效應(yīng)影響，其參數(shù)和臨界轉(zhuǎn)差率是變化的[2]。因此，在鼠籠式異步電動機中，應(yīng)用實用表達式，將產(chǎn)生較大誤差。

變參數(shù)鼠籠式異步電動機機械特性，可采用實用修正公式[2]：

(4)

轉(zhuǎn)矩相對值形式的異步機轉(zhuǎn)矩通式為

(5)

γm1為起動時的臨界轉(zhuǎn)矩相對值；sm1為起動時的臨界轉(zhuǎn)差率。

3.1 機械特性GUI平臺

3.1.1 轉(zhuǎn)矩實用表達式

鼠籠式異步電動機按公式(1)繪制的機械特性曲線的GUI界面見圖5。

圖5 實用表達式繪制鼠籠式電動機機械特性界面

3.1.2 轉(zhuǎn)矩修正表達式

按公式(5)開發(fā)的“基于轉(zhuǎn)矩修正表達式的機械特性”界面中，輸入電動機特性所需參數(shù)，或“加載實例”，可得到可視化的仿真結(jié)果。基于轉(zhuǎn)矩實用修正表達式的機械特性見圖6。圖5和圖6中的機械特性曲線存在很大的差異，實際電動機的實驗曲線與圖6相一致，可見鼠籠式異步電動機的機械特性，若采用實用表達式仿真分析，會造成較大的誤差。

圖6 轉(zhuǎn)矩修正表達式繪制鼠籠式電動機機械特性界面

3.2 起動特性GUI平臺

3.2.1 基于轉(zhuǎn)矩實用表達式

根據(jù)式(1)、(2)和(3)，設(shè)計繪制的鼠籠式異步電動機起動特性GUI界面見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)矩實用表達式繪制的鼠籠式電動機起動特性界面

圖7表明，電動機是根本就不能起動的，而實際電動機是可以起動的，可見鼠籠式異步電動機的起動特性，是不能用實用表達式，即公式(1)來仿真分析的。

3.2.2 基于轉(zhuǎn)矩修正表達式

(6)

根據(jù)式(2)、(3)和(6)設(shè)計的繪制鼠籠式異步電動機起動特性GUI 界面見圖8。圖8是修正后的表達式的仿真曲線，可以看出，此鼠籠式異步電動機電動機在0.2 s左右完成了起動，響應(yīng)很快，誤差也很小。

圖8 轉(zhuǎn)矩修正表達式繪制的鼠籠式電動機起動特性界面

4 結(jié)束語

采用Matlab/GUI開發(fā)的異步電動機特性繪制軟件，繪制繞線式和鼠籠式異步電動機的機械特性和起動特性曲線，轉(zhuǎn)矩實用表達式可以用于繞線式電動機的特性仿真，不適應(yīng)于鼠籠式電動機，轉(zhuǎn)矩修正表達式更適合用于電動機的分析與設(shè)計；該軟件界面簡潔，使用方便，有利于電動機的教學和實驗，為電動機的分析和設(shè)計提供了便捷的方法。

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