基于Matlab/GUI異步電動機人機界面設計

謝麗蓉

(新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

異步電動機因其結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低、效率高等優(yōu)點，在各行業(yè)得到了廣泛應用[1]。針對電動機銘牌數(shù)據(jù)，可采用轉矩實用表達式繪制機械特性曲線。目前教材中給出的轉矩實用表達式，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，若直接將其應用于鼠籠異步電動機，計算和分析結果存在很大的誤差，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，構建異步電動機起動特性仿真模型，運用GUI設計開發(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來設計[7]，內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)相應的曲線繪制界面。

2 繞線式異步電動機的GUI平臺設計

2.1 機械特性GUI平臺

2.1.1 理論基礎

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

(1)

式中：T為電磁轉矩；s為轉差率；sm為臨界轉差率。

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

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 設計方法

(1) 編寫M文件。通過GUIDE在用戶GUI設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)，以便進行相應的運算[12]。“繪制曲線”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平臺設計

異步電動機的轉矩T與轉速n的關系[1]為

(2)

電動機起動時轉速為：

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;起動轉矩系數(shù)Kst=1.4，Kst=Tst/TN,Tst為起動轉矩；GD2=1.96 N·m2；n0=1 500 r/min。

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

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)

轉矩相對值形式的異步機轉矩通式為

(5)

γm1為起動時的臨界轉矩相對值；sm1為起動時的臨界轉差率。

3.1 機械特性GUI平臺

3.1.1 轉矩實用表達式

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 轉矩修正表達式

按公式(5)開發(fā)的“基于轉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果?；谵D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 基于轉矩實用表達式

根據(jù)式(1)、(2)和(3)，設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 基于轉矩修正表達式

(6)

根據(jù)式(2)、(3)和(6)設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，響應很快，誤差也很小。

圖8 轉矩修正表達式繪制的鼠籠式電動機起動特性界面

4 結束語

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，轉矩實用表達式可以用于繞線式電動機的特性仿真，不適應于鼠籠式電動機，轉矩修正表達式更適合用于電動機的分析與設計；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計提供了便捷的方法。

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