直流電機(jī)弱磁調(diào)速的臨界條件

1、第36卷第1期2014年2月電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)JOUNAL OF EEEVol36No1Feb2014收稿日期:2013-08-24;修回日期:2013-09-30基金項(xiàng)目:山東科技大學(xué)群星計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào):qx2013240第一作者:宋保業(yè)(1982-,男,博士,講師,主要從事電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制方面的教學(xué)與科研工作,E-mail :songbaoyegmailcom 直流電機(jī)弱磁調(diào)速的臨界條件宋保業(yè),許琳,公茂法(山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,山東青島266590摘要:本文針對(duì)直流電機(jī)弱磁調(diào)速后轉(zhuǎn)速的變化問題,分析了弱磁升速時(shí)電機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)應(yīng)滿足的條件,進(jìn)一步給出了直流電機(jī)弱磁調(diào)速的臨界條件,

2、并通過Matlab /Simulink 仿真對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明,若要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的弱磁升速,則弱磁調(diào)速前電機(jī)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速必須大于臨界轉(zhuǎn)速或弱磁幅度應(yīng)小于臨界值。關(guān)鍵詞:直流電機(jī);弱磁調(diào)速;Simulink 仿真中圖分類號(hào):TM331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-0686(201401-0061-02Critical Condition for Speed Adjusting with Field Weakening of DC MotorSONG Bao-ye ,XU Lin ,GONG Mao-fa(College of Information and Elec

3、trical Engineering ,Shandong University of Science and Technology ,Qingdao 266590,China Abstract :Aiming at the problem of variation in speed after speed adjusting with field weakening ,this paper analy-ses the conditions to be satisfied for working point parameters when DC motor is raising speed by

4、 field weakening ,and the critical conditions are given for speed adjusting with field weakeningAll of the analyses are verified with Matlab /Simulink simulationBoth the theory analyses and simulation experiments demonstrate that ,in order to rise DC motor speed by field weakening ,the speed at the

5、working point must greater than the critical speed or the am-plitude of filed weakening should be less than the critical valueKeywords :DC motor ;speed adjusting with field weakening ;Simulink simulation 直流電機(jī)弱磁調(diào)速是通過控制功率較小的勵(lì)磁回路來完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,調(diào)速方法簡(jiǎn)單、能耗小、平滑性高,且能夠使電機(jī)在高于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,因此在恒功率調(diào)速等場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。然而,“電機(jī)學(xué)”課程

6、的初學(xué)者對(duì)弱磁后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是升高還是降低,如何判斷等往往不易掌握。為此,本文推導(dǎo)了弱磁調(diào)速的臨界條件,具有直觀的物理意義,在教學(xué)中取得了良好的效果。1問題的提出根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1n N =U NC E a C E C T 2T e=n 0n (1式中,n 0=U N /C E 為理想空載轉(zhuǎn)速,n =a T e /C E C T 2為轉(zhuǎn)速降,T e 為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,C E 、C T 分別為電勢(shì)和轉(zhuǎn)矩常數(shù),U N 是額定電壓,a 是電樞等效電阻。磁通弱磁調(diào)速時(shí),減小,n 0和n 增大,且n 的增幅大于n 0,那么n N =n 0n 是增大還是減小呢?弱磁升速應(yīng)滿足什么條件?這是教學(xué)過

7、程中經(jīng)常遇到的問題。針對(duì)這一問題,文獻(xiàn)1分別從電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程兩個(gè)方面,從實(shí)例出發(fā)分析了弱磁升速的過程,但沒有給出一般性結(jié)論。文獻(xiàn)3推導(dǎo)出以磁通為自變量、電磁轉(zhuǎn)矩為參數(shù)、轉(zhuǎn)速為因變量的關(guān)系式:n N =U N C E a C E C T 2T e =-A 1(B 2+C T U 2N4a C E T e(262電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)第35卷其中,A=a T/C E C T0,B=U N/2AC E=C T U N/2a Te0為兩個(gè)常數(shù)。由式(2可以看出,弱磁后轉(zhuǎn)速是否增減與弱磁前的工作點(diǎn)T e(=T L,1/有關(guān),這里T L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。這一結(jié)論揭示了弱磁調(diào)速的非線性性質(zhì),但在教學(xué)

8、過程中缺乏物理意義的直觀性。為此,本文推導(dǎo)了弱磁調(diào)速的臨界條件,作為教材的補(bǔ)充。2弱磁調(diào)速的臨界條件我們以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例,推導(dǎo)弱磁升速的條件。設(shè)電機(jī)接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(即穩(wěn)態(tài)時(shí)T e=T L運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速,弱磁后磁通變?yōu)樵磐ǖ谋?則弱磁升速應(yīng)滿足關(guān)系式為UNCE aCECTTe=nn2nN=nn(3我們由上式,容易推導(dǎo)得出弱磁升速時(shí)應(yīng)滿足關(guān)系:n/n0/(1+(4n N n/(1+(5此即,若通過弱磁為原磁通的倍實(shí)現(xiàn)弱磁升速,則弱磁前的靜差率n/n0應(yīng)小于/(1+,或弱磁前的額定轉(zhuǎn)速n N應(yīng)大于n0/(1+。另一方面,對(duì)于靜差率為n/n0和額定轉(zhuǎn)速為n N的直流電動(dòng)機(jī),若要通過弱磁實(shí)現(xiàn)升速,則

9、弱磁后的磁通應(yīng)大于原磁通的(n/n0/(1n/n0倍或n/n N倍,即對(duì)弱磁的幅度要有一定的限制。以上討論了弱磁升速的條件。顯然,當(dāng)上述不等式變?yōu)榈仁綍r(shí),即為弱磁調(diào)速的臨界條件。對(duì)弱磁升速來說,調(diào)速前的靜差率或轉(zhuǎn)速降應(yīng)較小,否則如果超過臨界點(diǎn),則弱磁后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不但不升高反而下降。下面通過Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一結(jié)論。3仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)使用Matlab/Simulink中的模塊DC Machine。模塊參數(shù)取默認(rèn)值,理想空載轉(zhuǎn)速n= 1275rpm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)1直流電機(jī)接30Nm恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速n N=1220rpm,電機(jī)啟動(dòng)5s后弱磁調(diào)速,弱磁倍

10、數(shù)=05,電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖2所示。以上參數(shù)滿足式(5,故弱磁后電機(jī)升速為2330rpm。實(shí)驗(yàn)2直流電機(jī)接300Nm恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載, 穩(wěn)圖1弱磁調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速n N=742rpm,弱磁調(diào)速時(shí)間和弱磁倍數(shù)不變。由于弱磁前電機(jī)轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速850rpm,因此弱磁后轉(zhuǎn)速下降為426rpm,電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖3所示 。圖2實(shí)驗(yàn)1轉(zhuǎn)速變化圖圖3實(shí)驗(yàn)2轉(zhuǎn)速變化圖另外,對(duì)于實(shí)驗(yàn)1中弱磁前的電機(jī)參數(shù),要取得弱磁升速的效果,弱磁倍數(shù)應(yīng)高于0045,實(shí)驗(yàn)中取05顯然滿足要求。對(duì)于實(shí)驗(yàn)2,若要實(shí)現(xiàn)弱磁升速則要求弱磁倍數(shù)高于0718,由于超過了弱磁倍數(shù)的臨界點(diǎn),因此弱磁后轉(zhuǎn)速反而下降。4結(jié)語(yǔ)本文從直流電機(jī)弱磁后轉(zhuǎn)速的變化問題出發(fā),以他勵(lì)直流電機(jī)為例,推導(dǎo)了直流電機(jī)弱磁調(diào)速的臨界條件。該臨界條件具有直觀的物理意義,從而容易判斷弱磁調(diào)速前的電機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)是否滿足弱磁升速的要求。通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明,弱磁前轉(zhuǎn)速低于臨界