0122王浩他励直流电动机模型的仿真课设

华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书0华东交通大学理工学院课设题目：他励直流电机仿真姓名：王浩班级：电牵一班学号：20130210470122指导老师：李房云华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书1目录摘要............................................................................01数学模型的建立.......................................................12仿真模型建立与设计...............................................13他励直流电动机的外特性与调整仿真…………………..24电路仿真输出........................................................195总结.......................................................................24参考文献...................................................................25华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书2摘要他励直流电动机的励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。他励直流电动机在生活中的应用十分广泛。凭借其调速范围宽，机械特性硬的特点，在造纸，印刷，纺织，冶金等多种领域被大量使用。本次基础强化训练在初始条件给定的情况下，通过Matlab软件，运用Simulink画出该他励直流电动机运行的电路图，并进行仿真操作。关键词：他励直流电动机，仿真设计，matlab华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书31数学模型的建立（1）他励直流电动机动态过程中电枢电流ia、励磁电流if、转速Ω可用下列方程描述：LafafeffffffafaaaaaaaaaaTRdtdJiiGTdtdiLRiuiGdtdiLRiedtdiLRiu相应的上述时域方程在零初始条件下，其拉式变换，即频域数学模型为：LfafffffffafaaaaaTsRsJssIasIGssILRsIsUssIGssILRsIsU)()()()()()()()()()()()(（2）此模型中励磁电流保持常值不变，即梳控。在此前提下相应的频域数学模型简化为：LLfaffafaaafafaaaaaTsRJsTsRsJssIaIGsIGsIsLRsIGssILRsIsU)()()()()()()()()()()()(000本模型中有：TL=2dtd变成频域方程即：)()12()(sSsTL2仿真模型建立与设计本次基础强化训练的题目是他励直流电动机模型与仿真设计，其重点在于搭建模拟仿真电路。他励直流电动机正常运行需要稳定的电源与励磁电源以及反馈，而我们需要观测的数据可用电表或者示波器进行观测。综合以上信息，可以设计出电路图，如图1所示华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书4图1接下来只需在matlab中按图搭接好电路，并按照电动机150KW，n=1000r/min,I=700A,Ra=0.05欧。电源电压220V，电感为2mH，电阻为0.08欧，转动惯量GD2=125kg·m2的参数给电路各模块进行赋值，然后仿真即可。3他励直流电动机工作特性实验（3）.1实验目的1、掌握用实验的方法来测定他励直流电动机的工作特性。2、掌握测定他励直流电动机在不受载荷时能量损耗的方法。(3）.2实验内容1、电机的转矩特性测定2、电机的效率特性测定3、电机的转速特性测定4、电机在空载时损耗的测定(3).3实验所依据的原理当两端电压U和UN相等且二者均为常数，还有电枢回路里不串联接入额外的附加电阻，以及励磁电流If和IfN相等且为常数时，他励直流电动机的转轴转动速度n，电磁转矩T以及机械效率h与输出功率P2的关系即为他励直流电动机的工作特性。即n、T、h=f（P2）。在实际运行中，由于电枢电流Ia较易测得，而Ia随着P2的增加而增大，故直流电动机的工作特性也可表示为n、T、h=f（Ia）。直流电动机的工作特性分别称为速度特性、转矩特性和效率特性。速度特性是指电压U=UN=常数、励磁电流If=IfN=常数时，n=f（P2）的关系曲华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书5线。从直流电动机速度特性表达式可见，在U和If均为常数的条件下，当电枢电流Ia增加时，IaRa使n趋于下降，而去磁的电枢反应则使转速趋于上升，因此电动机的转速变化很小。他励直流电动机具有略为下降的速度特性。转矩特性是指电压U=UN=常数、励磁电流If=IfN=常数时，T=f（P2）的关系曲线。由转矩特性表达式可见，当转速为常数时，T=f（P2）是一条直线。但实际上P2增大时，转速略有下降，故T=f（P2）将略为向上弯曲。效率特性是指电压U=UN=常数、励磁电流If=IfN=常数时，h=f（P2）的关系曲线。求取效率特性时，需测量电动机的冷态电枢电阻、周围介质温度以及电动机的空载损耗。为了测取空载损耗，则需拆开联轴器，使电动机在额定电压UN、额定励磁电流IfN情况下单独运转，读取直流电动机的空载电流和转速。电动机的效率式中：P1——电动机输入功率。P2——电动机输出功率。可根据发电机的励磁电流、转速和电枢电流，从其校正曲线上查出。电动机的空载损耗1、实验设备实验设备如表4-1所示。表(3)-1实验设备序号型号名称数量1MET01电源控制屏1台2DD03不锈钢电机导轨、测速系统及数显转1件华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书6速表3DJ23校正直流测功机1台4DJ13直流并励发电机1台5D51波形测试及开关板1件(3).3实验方法1、观察自励过程1）先切断电枢电源，然后断开励磁电源使电机MG停机，同时将启动电阻调回最大值，磁场调节电阻调到最小值为下次启动做好准备。在断电的条件下将发电机G的励磁方式从他励改为并励，接线如图2-4所示。2fR选用3R的900Ω电阻两只相串联并调至最大阻值，打开开关S。2）先接通励磁电源，然后启动电枢电源，使电动机起动。调节电动机的转速，使发电机的转速Nnn，用直流电压表测量发电机是否有剩磁电压，若无剩磁电压，可将并励绕组改接成他励方式进行充磁。3）合上开关S逐渐减小2fR，观察发电机电枢两端的电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件。如果不能自励建立电压，将励磁回路的两个插头对调即可［6］。4）对应着一定的励磁电阻，逐步降低发电机转速，使发电机电压随之下降，直至电压不能建立，此时的转速即为临界转速。2、测外特性华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书7图(3)-1直流并励发电机接线图1）按图4-1接线。调节负载电阻2R到最大,合上负载开关S。2）调节电动机的磁场调节电阻1fR、发电机的磁场调节电阻2fR和负载电阻2R，使发电机的转速、输出电压和电流三者均达额定值，即Nnn，nUU，NlII。记录此时的励磁电流fI值，即为额定励磁电流NfI。3）保持额定值时的2fR阻值及Nnn不变，逐次减小负载，直至lI=0，从额定到空载运行范围内每次测取发电机的电压U和电流lI。4）共得出数据如表（3）-2所示。表（3）-2min/1600rnnN2fR=常值U（V）200215228238246253lI（A）0.50.40.30.20.10（3）.4注意事项1、直流电动机MG起动时，一定要注意须将1R调到最大，1fR调到最小，先接通励磁电源，观察到励磁电流1fI为最大后，然后再接通电枢电源，使MG起动运转。起动完毕，应将1R调到最小。2、做外特性时，当电流超过0.4A时,要将2R中串联的电阻调至零并用导线短接,以免电流过大引起变阻器损坏。3、观察自励过程。4、测外特性保持Nnn使2fR=常数，测取)(lIfU(3).5实验结果由验数据作出他励直流电动机外特性曲线，如图(3)-3所示。华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书8图(3)-3他励直流电动机外特性曲线由图(3)-3可以看出，他励直流电动机的外特性曲线是一条随电流的增加快速下垂的曲线，即有载时的端电压比空载时的端电压低，这是由以下原因引起的：第一，负载增加时，电枢回路电阻压降aaRI增加，由式aaaRIEU，U随着aI的增加要降低；第二，电枢反应的去磁作用，使气隙磁通量减少，电枢绕组电动势aE随之减小，引起U下降。第三，他励直流电动机的励磁绕组是跨接在电枢两端的，由于发电机输出端电压下降，造成励磁电流的减小，磁通的减小，电枢电动势降低，又导致端电压进一步下降，所以他励直流电动机外特性曲线下垂的更多更快。3他励直流电动机工作特性仿真3.1他励直流电动机自激的仿真3.1.1他励直流电动机的自励过程一般电机的主磁极铁心中有剩磁存在。当电机空载，并由原动机拖动旋转时，电枢绕组中马上就会感应出一个微小的电动势，该电动势作用于励磁回路就会产生微弱的励磁电流。如励磁绕组和电枢两端的链接与电枢旋转方向配合适当，是励磁电流产生的磁势方向和生剩磁方向一致，气隙磁通就会继续增长，电枢电压随之逐步建立起来［7］。由此看出，并励发电机是一个电压直接反馈系统，它的自励建压过程是一种反馈作用。既把输出量（剩磁电压）回馈到输入端（励磁绕组），产生励磁电流，以加强系统的输入量（气息磁场），使发电机依靠剩磁自励建立的电压逐步升高起来。但这个依靠自励建起的电压能否达到所需的稳定值，还需华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书9对自励过程做进一步分析。图3-1他励直流电动机的自励1——空载曲线；2——励磁电阻线；3——临界电阻线图5-2临界电阻与转速的对应关系直流电机的空载电压0U与励磁电流fI首先必须满足图5-1所示的空载曲线)(0fIfU。另外，励磁回路电压方程为式（5-1）,即aaRIU0（5-1）式（5-1）中，fR是励磁回来总电阻。方程（5-1）是励磁回路电阻线，如图中曲线2所示，它的斜率为ffRIu/tan0。所以，空载电压0U与励磁电流fI必须同时满足空载曲线和励磁电阻线，其交点就是并励发电机空载电压的稳定工作点。在建立电枢电压的过程中，励磁电流fI一直在上升，此励磁回路的电压平衡方程为式（3-2），即fffLIRU0（3-2）华东交通大学理工学院《他励直流电机的数学模型与仿真》课程设计说明书10式（3-2）中fL是励磁绕组的电感。由图3-1可见，电压0U和电阻压降fifR之差，就是励磁绕组的自感电压Lf。当ffRiu0时，0dtdiLff，励磁电流及电枢感应电势不断上升，电枢端电压不断增高；当00URIuf时0dtdiLff，如图中曲线1和直线2的交点A此时励磁电流所产生的励磁电压正好与励磁回路中的电阻压降相平衡，励磁电流不再增大，发电机的电压稳定于土中A点，这时发电机已经建立起正常电压。由图3-1可见，当增加励磁回路中的电阻fR时，可以使回路的总电阻fR变大，即增加电阻的斜率，则交点A将沿着空载特性曲线向原点移动，空载电压逐步下降，当电阻线与空载特性曲线的直线部分重合时，便没有固定的交点，空载电压不稳定，如图中的直线3，此种状态称为临界状态，丢赢得励磁电阻称为临界电阻（临界场阻）。由于对应不同的转速，发电机有不同的空载特性，因而也有不同的临界电阻。图3-2中1fR未对应于转速1n的临界电阻，2fR为对应于转速2n的临界电阻［8］。由此可见，并励发电机实现自励还必须