他勵直流電動機(jī)仿真研究0312李華安

1、華東交通大學(xué)理工學(xué)院期末論文 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化（電牽） 班 級： 13電牽1班 姓 名： 李 華 安 學(xué) 號： 20130210470312 課 題： 他勵直流電動機(jī)建模及仿真 指導(dǎo)教師： 李 房 云 2016年6月26號目錄1 直流電動機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、基本電磁關(guān)系.3 二. 直流電動機(jī)的機(jī)械特性仿真.6三. 直流電動機(jī)直接起動和制動仿真.9四. 直流電動機(jī)調(diào)速研究.18五. 結(jié)束語.21一、直流電動機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、基本電磁關(guān)系圖1表示一臺最簡單的兩極直流電動機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝有一對用直流勵磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣

2、隙。電樞鐵心上裝有由A和X根導(dǎo)體連接而成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個圓弧形的銅片K1和K2銅片稱為換向片，換向片之間互相絕緣。換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，換向器固定在轉(zhuǎn)軸上。換向器上放置著一對靜止不動的電刷B1和B2，電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。如果將直流電壓直接加到線圈 AX上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為i，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力 f，f=bil，作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩Txa則等于2倍的電磁力乘上力臂，即Txa=2fD/2=bilda。式中，Da為電樞外徑。若電流i為恒定，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，氣隙磁通密度b的方向為一正一負(fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩Txa

3、將是交變的，一個周期內(nèi)的平均值為0，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動機(jī)中，電流并非直接接入線圈，而是通過電刷B1、B2和換向器再接入線圈，這樣情況就不同了。因為電刷B1和B2靜止不動，電流i總是從正極性電刷B1流入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的換向片流入位于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)位于S極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)而交替地處于N極和S級下的導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)!此時電刷和換向器起到把外部電源通入的直流，改變成線圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機(jī)的工作原理。直流電機(jī)主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定轉(zhuǎn)子之間存在

4、的間隙稱為氣隙。 1.定子是電機(jī)的靜止部分，主要用來產(chǎn)生磁場。它主要包括：(1)主磁極 主磁極包括鐵心和勵磁繞組兩部分。當(dāng)勵磁繞組中通人直流電流后，鐵心中即產(chǎn)生勵磁磁通，并在氣隙中建立勵磁磁場。勵磁繞組通常用圓形或矩形的絕緣導(dǎo)線制成一個集中的線圈，套在磁極鐵心外面。主磁極鐵心一般用11.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成，主磁極鐵心柱體部分稱為極身，靠近氣隙一端較寬的部分稱為極靴，極靴與極身交接處形成一個突出的肩部，用以支撐住勵磁繞組。極靴沿氣隙表面成弧形，使磁極下氣隙磁通密度分布更合理。整個主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極總是N、S兩極成對出現(xiàn)。各主磁極的勵磁繞組通常是相互串聯(lián)連接，連接時要

5、能保證相鄰磁極的極性按N、S交替排列。(2)換向極 換向極也由鐵心和繞組構(gòu)成。中小容量直流電機(jī)的換向極鐵心是用整塊鋼制成的，大容量直流電機(jī)和換向要求高的電機(jī)，換向極鐵心用薄鋼片疊成，換向極繞組要與電樞繞組串聯(lián)，因通過的電流大，導(dǎo)線截面較大，匝數(shù)較少。換向極裝在主磁極之間，換向極的數(shù)目一般等于主磁極數(shù)，在功率很小的電機(jī)中，換向極的數(shù)目有時只有主磁極極數(shù)的一半，或不裝換向極。換向極的作用是改善換向，防止電刷和換向器之間出現(xiàn)過強(qiáng)的火花。(3)電刷裝置 電刷裝置由電刷，刷握、壓緊彈簧和刷桿座等組成。電刷是用碳-石墨等做成的導(dǎo)電塊，電刷裝在刷握的盒內(nèi)，用壓緊彈簧把它壓緊在換向器的表面上。壓緊彈簧的壓力可

6、以調(diào)整，保證電刷與換向器表面有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，彼此之間絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承蓋上，根據(jù)電流的大小，每一刷桿上可以有幾個電刷組成的電刷組，電刷組的數(shù)目一般等于主磁極數(shù)。電刷的作用是與換向器配合引入、引出電流。 (4)機(jī)座和端蓋 機(jī)座一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成。它用來固定主磁極、換向極及端蓋，借助底腳將電機(jī)固定于基礎(chǔ)上、機(jī)座還是磁路的一部分，用以通過磁通的部分稱為磁軛，端蓋主要起支撐作用，端蓋固定于機(jī)座上，其上放置軸承，支撐直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使直流電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)。2轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分，轉(zhuǎn)子的主要作用是感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使機(jī)械能變?yōu)殡娔?發(fā)電機(jī))或電能變

7、為機(jī)械能(電動機(jī))的樞紐。它主要包括：(1)電樞 電樞又包括鐵心和繞組兩部分。 電樞鐵心 電樞鐵心一般用0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊成，這樣鐵心在主磁場中轉(zhuǎn)動時可以減少磁滯和渦流損耗。鐵心表面有均勻分布的齒和槽，槽中嵌放電樞繞組。電樞鐵心構(gòu)成磁的通路。電樞鐵心固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。電樞繞組 電樞繞組是用絕緣銅線繞制成的線圈按一定規(guī)律嵌放到電樞鐵心槽中，并與換向器作相應(yīng)的連接。線圈與鐵心之間以及線圈的上下層之間均要妥善絕緣，用槽楔壓緊，再用玻璃絲帶或鋼絲扎緊。電樞繞組是電機(jī)的核心部件，電機(jī)工作時在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。 (2)換向器 換向器的作用是與電刷配合，

8、將直流電動機(jī)輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，或是將直流發(fā)電機(jī)電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)換成輸出的直流電壓。換向器是一個由許多燕尾狀的梯形銅片間隔云母片絕緣排列而成的圓柱體，每片換向片的一端有高出的部分，上面銑有線槽，供電樞繞組引出端焊接用。所有換向片均放置在與它配合的具有燕尾狀槽的金屬套簡內(nèi)，然后用V形鋼環(huán)和螺紋壓圈將換向片和套筒緊固成一整體，換向片組與套筒、V形鋼環(huán)之間均要用云母片絕緣。(3)轉(zhuǎn)軸 在轉(zhuǎn)軸上安裝電樞和換向器。3.氣隙 靜止的磁極和旋轉(zhuǎn)的電樞之間的間隙稱為氣隙。在小容量電機(jī)中，氣隙為0.53mm。氣隙數(shù)值雖小，但磁阻很大，為電機(jī)磁路的主要組成部分。氣隙大小對電機(jī)運(yùn)行性能

9、有很大影響。二、直流電動機(jī)的機(jī)械特性仿真1直流電動機(jī)的機(jī)械特性仿真clear;U_N=220;P_N=22;I_N=115;n_N=1500;R_a=0.18;R_f=628;Ia_N=I_N-U_N/R_f;C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N;C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N;Ia=0;Ia_N;n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia;Te=C_TPhi_N*Ia;P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f;T2_N=9550*P_N/n_N;figure(1);plot(Te,n,'.-');xlabel('

10、電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');ylim(0,1800);figure(2);plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');hold on;R_c=0;for coef=1:-0.25;0.25; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('U=',num2str(U)

11、,'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str);endfigure(3);n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-');

12、 str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'Omega'); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str);endylim(0,1700);figure(4);R_c=0;n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0.5:0.25:1.

13、3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('phi=',num2str(coef),'*phi_N'); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str);end a)固有機(jī)械特性 b)降低電樞電壓人為機(jī)械特性c) 增加電樞電阻人為機(jī)械特性 d) 改變磁通人為機(jī)械特性三、直流電動機(jī)直接起動和制動仿真1 直流電動機(jī)直接起

14、動研究直流電動機(jī)剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動起來時，他勵和串勵電動機(jī)的電樞電流以及并勵和復(fù)勵電動機(jī)的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動時，起動電流可達(dá)電樞電流額定值的1020倍，起動轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍，這樣的起動電流是換向所不允許的，而且過大的起動轉(zhuǎn)矩會使電動機(jī)和它所拖動的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動機(jī)械和生產(chǎn)機(jī)械。由此可見，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大以及轉(zhuǎn)動慣量又比較小，可以直接起動以外，一般的直流電動機(jī)是不允許采用直接起動的。1.1 直流電動機(jī)直接起動仿真模型的建立直流

15、電動機(jī)直接啟動在MATLAB/SIMULINK中的仿真模型如圖1所示。在圖1中電動機(jī)勵磁繞組和電樞繞組的輸入端并聯(lián)后再與直流電源電壓Vd的正極端相連接，電動機(jī)勵磁繞組和電樞的輸出端通過T形接點(diǎn)并聯(lián)后與直流電源Vd的負(fù)極端連接在一起，這時電動機(jī)的模型為并勵形式，電動機(jī)參數(shù)設(shè)置為：PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/m，電樞電路總電阻Ra=0.08，勵磁回路總電阻Rf=181.5，電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量J=0.76kg·m2。電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由常數(shù)模塊TL設(shè)定，后在電動機(jī)模塊的m端接上示波器，用于觀察電動機(jī)的各項波形，Demux分解模塊用于輸出轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁

16、電流和轉(zhuǎn)矩四項參數(shù)。放大器(Gain)將rad/轉(zhuǎn)換為r/min，變換系數(shù)為K=60/2=9.55。1.2 直接起動仿真結(jié)果及分析直流電動機(jī)直接起動仿真波形如圖2所示，在圖2的仿真波形中很容易看出電動機(jī)在直接啟動時啟動電流很大，最大可達(dá)到2500A，起動轉(zhuǎn)矩最大可以達(dá)到1800N·m。電動機(jī)在啟動0.4s后，轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min，電流下降為額定值89A左右。轉(zhuǎn)矩也有相應(yīng)變化，從圖2仿真波形可以看出直流電動機(jī)直接起動造成大電流和大轉(zhuǎn)矩，很容易損壞電機(jī)和負(fù)載，因此這是不允許的。直接啟動模型仿真波形2 直流電動機(jī)串電阻起動研究由上所述，大型直流電動機(jī)不宜采用直接起動，因此本文采用串電

17、阻起動。具體實現(xiàn)方法是基于圖1所示的直接起動模型基礎(chǔ)上，采用三級串電阻方法限制啟動電流，控制啟動電流在200100A之間，通過仿真設(shè)計選擇啟動電阻和切換時間。2.1 直流電動機(jī)串電阻起動仿真模型的建立直流電動機(jī)串電阻起動仿真模型如圖3 所示，該模型在圖1所示直接起動模型的基礎(chǔ)上，在電樞回路中串聯(lián)一個由三級電阻組成的啟動器。在每個電阻(R1、R2、R3)上并聯(lián)一個理想開關(guān)，用于切除電阻，開關(guān)受Step模塊控制。(注：在Step模塊對話框中設(shè)定單位階躍信號發(fā)生時刻，即可控制開關(guān)的閉合，從而短接該電阻)。模型檢測將轉(zhuǎn)速n、電樞電流I等送入示波器。 圖3直流電動機(jī)串電阻啟動仿真模型2.2 直流電動機(jī)串

18、電阻起動時電阻值計算以及仿真結(jié)果分析為了實現(xiàn)直流電動機(jī)串電阻起動，對于電樞繞組串入電阻值的計算非常重要，需要計算精確，本文為了盡可能地降低起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，采用三級串電阻計算方法。具體實現(xiàn)步驟如下（1）將step模塊2和3的階躍信號發(fā)生時間設(shè)為“0”，step1設(shè)為20s，R1接入電樞回路，并初選R'1的阻值。在模型中設(shè)R1=R'1=1，得到仿真圖形如圖4所示圖4 串一級電阻啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖4可知，串聯(lián)電阻后最大啟動電流為200A，在3.5s時電流下降到100A，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，相對于直流電機(jī)直接起動，起動電流從2500A變?yōu)?00A，顯著地減低了，

19、起到了保護(hù)電機(jī)的作用。為了進(jìn)一步減少起動電流，需要減小啟動電阻，計算R1的阻值和預(yù)選R'2阻值。（2）重新設(shè)定R1和R2(R2=R'2)并設(shè)step1的信號發(fā)生時間為3.5s，設(shè)step2信號發(fā)生時間為20s得到仿真圖形如圖5所示。圖5 串二級電阻啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖5中可知，在啟動6s后電流再次下降到100A，此時的轉(zhuǎn)速為2200r/min。為了進(jìn)一步減少起動電流，需要再次減小啟動電阻。根據(jù)式(4)和(5)可以計算R2和R3阻值。（3）：重新設(shè)定R2和R3，并設(shè)step2的信號發(fā)生時間為6s，設(shè)step3的信號發(fā)生時間為20s得到仿真圖形如圖6所示。圖6 串三級電阻啟動

20、時的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖6可知在啟動8s后起動電流再次下降到100A，此時的轉(zhuǎn)速為2800r/min，需要再次切除R3，因此設(shè)step3的信號發(fā)生時間為8s，再次仿真，得到圖形如7所示。圖7 切除R3啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖7可知：在切除R3后，轉(zhuǎn)速升到3000r/min，在整個啟動過程中電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。3、直流電動機(jī)制動仿真直流電動機(jī)有4種制動方式,分別為能耗制動、反接制動、倒拉反轉(zhuǎn)和回饋制動。設(shè)定在制動狀態(tài)下,負(fù)載折合到電動機(jī)軸上的阻力矩為3844.0 N/m,折合到電動機(jī)軸上的角速度為38 rad/s依據(jù)這些參數(shù)分別對電動機(jī)的能耗制動和反接制動狀態(tài)進(jìn)行仿真。選擇po

21、werlib中的模塊拖放到Simulink仿真環(huán)境中,構(gòu)成能耗制動仿真配置如圖3所示,預(yù)先設(shè)定負(fù)載扭矩的大小。開關(guān)1,2受定時器的控制,電機(jī)啟動時開關(guān)1閉合,2斷開,此時電機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)行,然后同時斷開開關(guān)1,閉合2,將一個電阻串入電動機(jī)的電樞電路,電動機(jī)進(jìn)入能耗制動狀態(tài)。改變串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結(jié)果,當(dāng)阻值為48時,仿真結(jié)果如圖4所示。電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于第四象限的A點(diǎn),扭矩接近3800.0 N/m,轉(zhuǎn)速接近-38rad/s(此刻電機(jī)為反轉(zhuǎn)),可見串入的電阻可以滿足實際要求5。反接制動仿真配置如圖5所示,電機(jī)啟動時開關(guān)1閉合,2斷開,此時電機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)行,然后同時斷開開關(guān)1,閉合2,

22、將一個反接電源和一個電阻串入電動機(jī)的電樞電路,電動機(jī)進(jìn)入反接制動狀態(tài).改變反接電源和串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結(jié)果,當(dāng)反接電源為260V,阻值為38時,得到仿真結(jié)果如圖6所示。電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于第四象限的A點(diǎn),扭矩接近3800.0 N/m,轉(zhuǎn)速接近-38rad/s,可見串入的反接電源和電阻可以滿足要求。圖3 能耗制動仿真配置圖4 能耗制動仿真結(jié)果圖5 反接制動仿真配置圖6 反接制動仿真結(jié)果四、直流電動機(jī)調(diào)速研究現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械為適應(yīng)其工藝過程要求，在不同的場合下必須具有不同的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行工作，以保證生產(chǎn)機(jī)械的合理運(yùn)行，并提高產(chǎn)品質(zhì)量"直流調(diào)速即直流電動機(jī)速度控制，是指在直

23、流傳動系統(tǒng)中人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械對不同轉(zhuǎn)速的要求如金屬切削機(jī)械在進(jìn)行精加工時，為提高工件的表面光潔度而需要提高切削速度"由此可見，調(diào)速在生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)行中，具有重要的意義。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法，改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而改變它與工作機(jī)械特性的交點(diǎn)，改變電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度以他勵直流電動機(jī)為例，直流電動機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)他勵直流電動機(jī)的電樞回路串入電阻調(diào)速；(2) 他勵直流電動機(jī)的降低電源電壓調(diào)速；(3)他勵直流電動機(jī)的減弱磁通調(diào)速"以下分別進(jìn)行討論"1 他勵直流電動機(jī)的電樞回路串入電阻調(diào)速電

24、樞回路串入電阻調(diào)速要求，僅通過改變電樞回路的電阻來調(diào)節(jié)速度。此時，他勵直流電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，額定轉(zhuǎn)速降變大，特性變軟。如圖一所示，設(shè)他勵直流電動機(jī)工作在固有機(jī)械特性曲線的點(diǎn)上，以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。為了調(diào)節(jié)速度，將接觸器 KM 的常開觸頭斷開，串入電阻，此時，他勵直流電動機(jī)的工作點(diǎn)從固有特性曲線移到人為特性曲線上運(yùn)行，他勵直流電動機(jī)所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)速為 nc串入不同的電阻，可獲得不同的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。用電樞回路串聯(lián)電阻的方法調(diào)速時，雖然設(shè)備簡單!操作方便，但因電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大，此時輕載時達(dá)不到調(diào)速的目的，重載時還會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而且在串聯(lián)電阻中流過的是電樞電流，長期運(yùn)行時損耗也大，經(jīng)濟(jì)性差，因此這種調(diào)速方法在使用上有一定局限性。串入電阻接線圖2 他勵直流電動機(jī)的降低電源電壓調(diào)速不同的人為機(jī)械特性對應(yīng)不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖二中的 a!b!c 點(diǎn)所示"如將電源電壓由 UN調(diào)至U1，則他勵直流電動機(jī)的工作點(diǎn)將由 a 點(diǎn)經(jīng) v 點(diǎn)過渡到 c 點(diǎn)