電機(jī)學(xué)電機(jī)實驗matlab大作業(yè)直流電機(jī)運行特性分析

電機(jī)MATLAB仿真大作業(yè)0706106班哈爾濱工業(yè)大學(xué)PAGEPAGE1直流電動機(jī)運行特性的分析一.仿真目的1．通過對不同勵磁方式直流電動機(jī)的運行特性的分析比較，掌握因勵磁方式的不同對直流電機(jī)特性的影響；2．應(yīng)用MATLAB語句進(jìn)行軟件編程,對直流電機(jī)的運行特性進(jìn)行了仿真分析,表明MATLAB語言可作為電機(jī)仿真分析中的一種方便、快捷、有力工具；3．通過建模、仿真，加深對直流電機(jī)運行特性的直觀認(rèn)識和理解的同時，熟悉了MATLAB進(jìn)行工程分析的方法與運用。二．仿真原理與內(nèi)容直流電動機(jī)的運行特性包括工作特性和機(jī)械特性（即轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性）。直流電動機(jī)的工作特性是指，勵磁不變，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率與電樞電流或者輸出功率的關(guān)系曲線。直流電動機(jī)的機(jī)械特性是指，，電樞回路電阻為常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線.由于直流電機(jī)的運行性能因勵磁方式的不同有很大差異，我們將其分為四類，分別加以研究其轉(zhuǎn)速特性和機(jī)械特性。1.并勵電動機(jī)的運行特性轉(zhuǎn)速特性）并勵電動機(jī)的工作特性是在電動機(jī)的端電壓.勵磁電流的條件下得到的，我們僅分析電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系.由于在實際運行中較易測得，且隨著的增大而增大，故可以把工作特性表示為）.由電動勢公式和電壓方程可以得到轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式為根據(jù)上面建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型，我們用matlab進(jìn)行仿真，可得其圖像如下由仿真圖像可知，隨著輸入電流的增大，并勵電動機(jī)有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。這是由于影響并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降，二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增加時，電樞電流增大，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降。與此同時，電樞反應(yīng)有去磁作用，使轉(zhuǎn)速趨于上升。這兩個因素對轉(zhuǎn)速的影響部分的抵消，使并勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實際中，為保證并勵電動機(jī)的穩(wěn)定運行，常使它具有如圖所示的稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。值得注意的是，并勵電動機(jī)在運行的時候，勵磁繞組絕對不能斷開。若勵磁繞組斷開，，主磁通講迅速下降到剩磁通，使電樞電流迅速增大。此時若負(fù)載為輕載，電動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，造成“飛車”現(xiàn)象；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到啟動電流，引起繞組過熱而將電動機(jī)燒毀。這兩種情況都是危險的。機(jī)械特性并勵電動機(jī)的機(jī)械特性是指，勵磁回路電阻=常值時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。由電磁轉(zhuǎn)矩公式和電動機(jī)的電壓方程推出根據(jù)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型，我們用matlab對其進(jìn)行仿真，得到其圖像如下由圖像可知，并勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨所需的電磁轉(zhuǎn)矩的增加而稍有變化，若不計磁飽和，并勵電動機(jī)的機(jī)械特性為稍微下降的直線；若計磁飽和，交軸電樞反應(yīng)的去磁作用使曲線的下降程度減小，甚至可以變成水平或者上翹的曲線。我們稱這種特性為硬特性。2.串勵電動機(jī)的運行特性轉(zhuǎn)速特性）串勵電動機(jī)的工作特性是在電動機(jī)的端電壓條件下測得的。串勵時.電機(jī)的磁化曲線近似為，則從轉(zhuǎn)速公式知根據(jù)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型，我們用matlab對其進(jìn)行仿真，得到其圖像如下,由仿真圖像可知，n與大體成雙曲線關(guān)系。這是由于負(fù)載增大時，增加，使電樞回路的電阻壓降增大，此時串勵磁動勢和主磁場亦同時增大，這兩個因素都促使轉(zhuǎn)速下降，所以串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增大而迅速下降。需要注意的是，串勵電動機(jī)不允許空載運行。這是因為空載時I很小，主磁通也很小，使轉(zhuǎn)速極高，產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象，這是不允許的。機(jī)械特性串勵電動機(jī)的機(jī)械特性是指，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。由電動機(jī)的電壓方程可得（式中）再由電磁轉(zhuǎn)矩我們可以得到根據(jù)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型，我們用matlab對其進(jìn)行仿真，得到其圖像如下由圖可知，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，這種特性稱之為軟特性。3.積復(fù)勵電動機(jī)的運行特性積復(fù)勵電動機(jī)是指串勵繞組的磁動勢與并勵繞組的磁動勢方向相同。我們在對積復(fù)勵運行特性進(jìn)行MATLAB分析時，首先得先建立出其數(shù)學(xué)模型?？墒且胫苯訌姆e復(fù)勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程中推導(dǎo)出的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)方程時是很困難的，即使得出來了，它的表達(dá)式也很復(fù)雜，難以用其進(jìn)行數(shù)量的求解和模型的建立。為了得到所需的模型和簡化計算，我們選用電樞電流作為中間變量，進(jìn)而求出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的特性曲線。積復(fù)勵直流電動機(jī)的并勵和串勵繞組的磁動勢是疊加的，而每極磁通=（式中R為電動機(jī)磁路內(nèi)每極下的等值磁阻）。所以可以得到轉(zhuǎn)速為=又因為式中相對于U來說通常可以忽略不計，故故根據(jù)上面推導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，我們用matlab對其進(jìn)行仿真可得其圖像如下我們對上面轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式進(jìn)行定性的分析，得知：當(dāng)電樞電流增大時，轉(zhuǎn)速便減小，而轉(zhuǎn)矩則增大。相反，當(dāng)電樞電流減小時，轉(zhuǎn)速便升高，而轉(zhuǎn)矩則減小。此外，當(dāng)0時，0，以及(邊界常數(shù))。由仿真圖像可以看到，積復(fù)勵直流電機(jī)的運行特性介于并勵與串勵電動機(jī)之間。這是由于積復(fù)勵電動機(jī)既有并勵繞組，又有串勵繞組。當(dāng)勵磁磁動勢中以并勵磁動勢為主時，其機(jī)械特性接近并勵電動機(jī)，但由于有串勵磁動勢的存在，負(fù)載增大時，電樞反應(yīng)的去磁作用可以得到抑制，不使轉(zhuǎn)速上升，從而保證電動機(jī)穩(wěn)定運行；當(dāng)勵磁磁動勢中以串勵磁動勢為主時，其機(jī)械特性接近串勵電動機(jī)，但由于并勵磁動勢的存在，不會使電動機(jī)空載時出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。可見，積復(fù)勵電動機(jī)既有并勵電動機(jī)的優(yōu)點，又有串勵電動機(jī)的優(yōu)點。4.差復(fù)勵電動機(jī)的運行特性差復(fù)勵電動機(jī)是指串勵繞組的磁動勢與并勵繞組的磁動勢方向相反。其建模分析方法和積復(fù)勵電動機(jī)方法基本相同?？梢缘玫狡鋽?shù)學(xué)表達(dá)式為我們用matlab對其進(jìn)行仿真可得其圖像如下在實際過程中，我們要將一臺直流電動機(jī)連接成積復(fù)勵直流電動機(jī)時，卻將其串勵繞組接反，因而誤接成差復(fù)勵直流電動機(jī)，這種事情是很容易發(fā)生的。然而，這種情況還是應(yīng)該盡量避免的。這是由于將一臺差復(fù)勵直流電動機(jī)投入運行，則將其加載到反向串勵繞組的磁動勢，正好抵消了并勵繞組的磁動勢時，則從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速升高到了不穩(wěn)定的程度，甚至?xí)霈F(xiàn)上翹的特性，這是我們需要盡量避免的。從式中可以看出，當(dāng)（）0時，轉(zhuǎn)速確實大幅度升高。當(dāng)繞組的磁動勢相互抵消時，線圈的感應(yīng)電勢也大大減小。因此，電動機(jī)的電樞電流快速增大。最后我們綜合比較一下四類電動機(jī)的機(jī)械特性，下圖為一組轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的額定值均相同的各類直流電動機(jī)，在相同的端電壓下，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的特性關(guān)系。由圖中比較分析可知，并勵電動機(jī)的機(jī)械特性為稍微下降的直線（硬特性），而串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降（軟特性），積復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性介于并勵電動機(jī)和串勵電動機(jī)之間，差復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性會出現(xiàn)“上翹”的不穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)該盡量避免。三．仿真結(jié)論1.對于不同的勵磁方式的直流電動機(jī)，其運行特性也是各不相同的，甚至?xí)泻艽蟮牟顒e。我們得根據(jù)直流電機(jī)的不同勵磁方式來對其的運行特性進(jìn)行具體的分析、比較。2.對于并勵電動機(jī)的運行特性，其轉(zhuǎn)速特性隨著輸入電流的增大有稍微下降，其機(jī)械特性曲線為隨著隨著轉(zhuǎn)矩的增加稍微下降的直線（硬特性）。此外，并勵電動機(jī)在運行的時候，勵磁繞組絕對不能斷開，以免造成“飛車”現(xiàn)象或者停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。3.對于串勵電動機(jī)的運行特性，其轉(zhuǎn)速特性曲線為轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增大而迅速下降，其機(jī)械特性曲線為轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降（軟特性）。此外，串勵電動機(jī)不允許空載運行。以免產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象。4.積復(fù)勵直流電機(jī)的運行特性介于并勵與串勵電動機(jī)之間，既有并勵電動機(jī)的優(yōu)點，又有串勵電動機(jī)的優(yōu)點。5.對于差復(fù)勵電動機(jī)的運行特性，當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定程度時，其轉(zhuǎn)速升高到了不穩(wěn)定的程度，甚至?xí)霈F(xiàn)上翹的特性，我們需要盡量避免。四．仿真感想通過對直流電動機(jī)運行特性的MATLAB仿真、分析與比較，我們對直流電機(jī)的特性有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對不同勵磁方式對直流電機(jī)特性的影響有了更加直觀的感受和清晰的理解。特別是積復(fù)勵與差復(fù)勵的運行特性，課本上并沒有給出具體的數(shù)學(xué)模型和特性圖像，可是我們組經(jīng)過查資料，參閱文獻(xiàn)等途徑，對兩種復(fù)勵電動機(jī)的運行特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立、程序的編寫與調(diào)試、圖形的繪制、結(jié)果的分析與驗證，得到了較好的結(jié)果，這樣便于與并勵和串勵電動機(jī)運行特性進(jìn)行比較，達(dá)到了我們的預(yù)期目的，加強(qiáng)了我們團(tuán)隊合作的意識。與此同時，通過建模與仿真，我們初步掌握了運用MATLAB工具對電機(jī)仿真的方法，樹立了需要充分運用軟件等信息工具指導(dǎo)自己學(xué)習(xí)的思想。此次仿真中也出現(xiàn)了一些問題與不足。由于對MATLAB的熟練程度不夠，在進(jìn)行建模仿真的時候，對程序的編寫、調(diào)試過程中碰到了很多的困難。不過，經(jīng)過同組同學(xué)的共同努力，不斷地修改，調(diào)試，查閱資料，最后終于得到了預(yù)期的目標(biāo)。此外，由于時間上比較緊張，未對并勵電動機(jī)空載“飛車”，短路停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的建模仿真分析，這也不得不算是個遺憾。在今后的學(xué)習(xí)過程中，要更加的在理論與實踐上充實自己、提高自己。五．源程序clear;clf;VtR=600;PR=80;Ra=0.25;Rs=0.03;Nf1=750;Nf2=250;a=0.2;b=0.6e-5;Ns1=3;Ns2=10;nmR=1200;TdR=PR*746/(nmR*pi/30)/0.96;IaR=(VtR-sqrt(VtR^2-4*(Ra+Rs)*TdR*nmR*pi/30))/2/(Ra+Rs);TdR1=PR*746/(nmR*pi/30)+(a+b*nmR^1.7)*30/pi;IaR1=(VtR-sqrt(VtR^2-4*Ra*TdR1*nmR*pi/30))/2/Ra;loadeifm=length(eif);npts=200;Kphip=eif(1:m,1)/(nmR*pi/30);If=eif(1:m,2);IfR1=interp1(Kphip,If,(VtR-IaR*(Ra+Rs))/(nmR*pi/30))-Ns1/Nf1*IaR;IfR2=table1([KphipIf],(VtR-IaR*(Ra+Rs))/(nmR*pi/30))+Ns1/Nf2*IaR;Rfeq1=VtR/IfR1;Rfeq2=VtR/IfR2;IfR3=interp1(Kphip,If,(VtR-IaR1*Ra)/(nmR*pi/30));Rfeq3=VtR/IfR3;npts1=25;Ia4=linspace(1.5*PR*746/VtR,0,npts1);npts=200;Ia1=linspace(0,1.5*PR*746/VtR,npts);Ia3=linspace(0.25*IaR,1.5*IaR,npts);E=eif(1:m,1);mmfs=eif(1:m,2)*Ns2*IaR/(interp1(E,If,VtR-IaR*(Ra+Rs)));fori=1:nptsKphi1=interp1(If,Kphip,IfR1+Ns1/Nf1*Ia1(i));Kphi2=table1([IfKphip],IfR2-Ns1/Nf2*Ia1(i));Kphi3=interp1(mmfs,Kphip,Ns2*Ia3(i));Td1(i)=Kphi1*Ia1(i);Td2(i)=Kphi2*Ia1(i);Td3(i)=Kphi3*Ia3(i);wm1(i)=VtR/Kphi1-Td1(i)*(Ra+Rs)/Kphi1^2;wm2(i)=VtR/Kphi2-Td2(i)*(Ra+Rs)/Kphi2^2;wm3(i)=VtR/Kphi3-Td3(i)*Ra/Kphi3^2;endnm1=wm1*30/pi;nm2=wm2*30/pi;nm3=wm3*30/pi;fori=1:nptsKphi4=interp1(If,Kphip,IfR3);Td4(i)=Kphi4*Ia4(i);wm4(i)=VtR/Kphi4-Td4(i)*Ra/Kphi4^2;nm4(i)=wm4(i)*30/pi;Pfw=a*nm4(i)+b*nm4(i)^2.7;eff(i)=(1-(Pfw+Ia4(i)^2*Ra+VtR*IfR3)/(IfR3+Ia4(i))/VtR)*100;ifeff(i)<0;m=i-1;break;endendholdonplot(0,0,Td1,nm1,'-',TdR,nmR,'o');gridon;plot(0,0,Td2,nm2,':',TdR,nmR,'o');gridon;plot(0,0,Td3,nm3,'-.',TdR,nmR,'o');gridon;plot(0,0,Td4(1:m),nm4(1:m),'--',TdR,nmR,'o');gridon;text(600,3400,'————積復(fù)勵直流電動機(jī)','fontsize',10);text(600,3600,'·········差復(fù)勵直流電動機(jī)','fontsize',10);text(600,3800,'—·—·—串勵直流電動機(jī)','fontsize',10);text(600,3200,'-----并勵直流電動機(jī)','fontsize',10);title('直流電動機(jī)的運行特性');ylabel('轉(zhuǎn)速,rpm');xlabel('轉(zhuǎn)矩,N-m');figure(2);subplot(2,1,1);plot(0,0,Td4(1:m),nm4(1:m),TdR1,nmR,'o');grid;title('并勵直流電動機(jī)');ylabel('轉(zhuǎn)速,rpm');xlabel('轉(zhuǎn)矩,N-m');subplot(2,1,2);plot(0,0,Ia4(1:m)+IfR3,nm4(1:m),IaR1+IfR3,nmR,'o');grid;title('并勵直流電動機(jī)');ylabel('轉(zhuǎn)速,rpm');xlabel('輸入電流,A');figure(3);subplot(2