他勵直流電動機仿真研究0312李華安

1、華東交通大學理工學院期末論文 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 號： 20130210470312 課 題： 他勵直流電動機建模及仿真 指導教師： 李 房 云 2016年6月26號目錄1 直流電動機的工作原理、結構、基本電磁關系.3 二. 直流電動機的機械特性仿真.6三. 直流電動機直接起動和制動仿真.9四. 直流電動機調速研究.18五. 結束語.21一、直流電動機的工作原理、結構、基本電磁關系圖1表示一臺最簡單的兩極直流電動機模型，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，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞。定子與轉子之間有一氣

2、隙。電樞鐵心上裝有由A和X根導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。換向片構成的整體稱為換向器，換向器固定在轉軸上。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，導體中就有直流電流通過。設導體中的電流為i，載流導體在磁場中將受到電磁力 f，f=bil，作用在線圈上的電磁轉矩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，轉子旋轉一周時，氣隙磁通密度b的方向為一正一負，因此電磁轉矩Txa

3、將是交變的，一個周期內的平均值為0，無法使電樞持續(xù)旋轉。然而在直流電動機中，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)過旋轉的換向片流入位于N極下的導體，再經(jīng)位于S極下的導體，由負極性電刷B2流出；故當導體旋轉而交替地處于N極和S級下的導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，從而使電磁轉矩的方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉!此時電刷和換向器起到把外部電源通入的直流，改變成線圈內的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機的工作原理。直流電機主要分為定子和轉子兩大部分。定轉子之間存在

4、的間隙稱為氣隙。 1.定子是電機的靜止部分，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成。中小容量直流電機的換向極鐵心是用整塊鋼制成的，大容量直流電機和換向要求高的電機，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-石墨等做成的導電塊，電刷裝在刷握的盒內，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)機座和端蓋 機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，借助底腳將電機固定于基礎上、機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，端蓋固定于機座上，其上放置軸承，支撐直流電機的轉軸，使直流電機能夠旋轉。2轉子是電機的轉動部分，轉子的主要作用是感應電動勢，產(chǎn)生電磁轉矩，使機械能變?yōu)殡娔?發(fā)電機)或電能變

7、為機械能(電動機)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。電樞鐵心構成磁的通路。電樞鐵心固定在轉子支架或轉軸上。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。電樞繞組是電機的核心部件，電機工作時在其中產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)能量的轉換。 (2)換向器 換向器的作用是與電刷配合，

8、將直流電動機輸入的直流電流轉換成電樞繞組內的交變電流，或是將直流發(fā)電機電樞繞組中的交變電動勢轉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，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)轉軸 在轉軸上安裝電樞和換向器。3.氣隙 靜止的磁極和旋轉的電樞之間的間隙稱為氣隙。在小容量電機中，氣隙為0.53mm。氣隙數(shù)值雖小，但磁阻很大，為電機磁路的主要組成部分。氣隙大小對電機運行性能

9、有很大影響。二、直流電動機的機械特性仿真1直流電動機的機械特性仿真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、電磁轉矩Te/N.m');ylabel('轉矩n/rpm');ylim(0,1800);figure(2);plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉矩Te/N.m');ylabel('轉矩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('電磁轉矩Te/N.m');ylabel('轉矩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('電磁轉矩Te/N.m');ylabel('轉矩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)固有機械特性 b)降低電樞電壓人為機械特性c) 增加電樞電阻人為機械特性 d) 改變磁通人為機械特性三、直流電動機直接起動和制動仿真1 直流電動機直接起

14、動研究直流電動機剛與電源接通的瞬間，轉子尚未轉動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流以及并勵和復勵電動機的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉矩稱為起動轉矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動時，起動電流可達電樞電流額定值的1020倍，起動轉矩也能達到額定轉矩的1020倍，這樣的起動電流是換向所不允許的，而且過大的起動轉矩會使電動機和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動機械和生產(chǎn)機械。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，因電樞繞組導線細、電樞電阻大以及轉動慣量又比較小，可以直接起動以外，一般的直流電動機是不允許采用直接起動的。1.1 直流電動機直接起動仿真模型的建立直流

15、電動機直接啟動在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，電動機勵磁繞組和電樞的輸出端通過T形接點并聯(lián)后與直流電源Vd的負極端連接在一起，這時電動機的模型為并勵形式，電動機參數(shù)設置為：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，電動機轉動慣量J=0.76kg·m2。電動機的負載轉矩由常數(shù)模塊TL設定，后在電動機模塊的m端接上示波器，用于觀察電動機的各項波形，Demux分解模塊用于輸出轉速、電樞電流、勵磁

16、電流和轉矩四項參數(shù)。放大器(Gain)將rad/轉換為r/min，變換系數(shù)為K=60/2=9.55。1.2 直接起動仿真結果及分析直流電動機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在直接啟動時啟動電流很大，最大可達到2500A，起動轉矩最大可以達到1800N·m。電動機在啟動0.4s后，轉速達到3000r/min，電流下降為額定值89A左右。轉矩也有相應變化，從圖2仿真波形可以看出直流電動機直接起動造成大電流和大轉矩，很容易損壞電機和負載，因此這是不允許的。直接啟動模型仿真波形2 直流電動機串電阻起動研究由上所述，大型直流電動機不宜采用直接起動，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，通過仿真設計選擇啟動電阻和切換時間。2.1 直流電動機串電阻起動仿真模型的建立直流電動機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，用于切除電阻，開關受Step模塊控制。(注：在Step模塊對話框中設定單位階躍信號發(fā)生時刻，即可控制開關的閉合，從而短接該電阻)。模型檢測將轉速n、電樞電流I等送入示波器。 圖3直流電動機串電阻啟動仿真模型2.2 直流電動機串

18、電阻起動時電阻值計算以及仿真結果分析為了實現(xiàn)直流電動機串電阻起動，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)生時間設為“0”，step1設為20s，R1接入電樞回路，并初選R'1的阻值。在模型中設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，對應的轉速為1500r/min，相對于直流電機直接起動，起動電流從2500A變?yōu)?00A，顯著地減低了，

19、起到了保護電機的作用。為了進一步減少起動電流，需要減小啟動電阻，計算R1的阻值和預選R'2阻值。（2）重新設定R1和R2(R2=R'2)并設step1的信號發(fā)生時間為3.5s，設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，此時的轉速為2200r/min。為了進一步減少起動電流，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）：重新設定R2和R3，并設step2的信號發(fā)生時間為6s，設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，此時的轉速為2800r/min，需要再次切除R3，因此設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啟動時的轉速和電流波形由圖7可知：在切除R3后，轉速升到3000r/min，在整個啟動過程中電流限制在規(guī)定的范圍內，滿足設計要求。3、直流電動機制動仿真直流電動機有4種制動方式,分別為能耗制動、反接制動、倒拉反轉和回饋制動。設定在制動狀態(tài)下,負載折合到電動機軸上的阻力矩為3844.0 N/m,折合到電動機軸上的角速度為38 rad/s依據(jù)這些參數(shù)分別對電動機的能耗制動和反接制動狀態(tài)進行仿真。選擇po

21、werlib中的模塊拖放到Simulink仿真環(huán)境中,構成能耗制動仿真配置如圖3所示,預先設定負載扭矩的大小。開關1,2受定時器的控制,電機啟動時開關1閉合,2斷開,此時電機帶動負載運行,然后同時斷開開關1,閉合2,將一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入能耗制動狀態(tài)。改變串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結果,當阻值為48時,仿真結果如圖4所示。電動機穩(wěn)定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉速接近-38rad/s(此刻電機為反轉),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,電機啟動時開關1閉合,2斷開,此時電機帶動負載運行,然后同時斷開開關1,閉合2,

22、將一個反接電源和一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入反接制動狀態(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果,當反接電源為260V,阻值為38時,得到仿真結果如圖6所示。電動機穩(wěn)定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉速接近-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 能耗制動仿真結果圖5 反接制動仿真配置圖6 反接制動仿真結果四、直流電動機調速研究現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械為適應其工藝過程要求，在不同的場合下必須具有不同的轉速來進行工作，以保證生產(chǎn)機械的合理運行，并提高產(chǎn)品質量"直流調速即直流電動機速度控制，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的轉速，以滿足工作機械對不同轉速的要求如金屬切削機械在進行精加工時，為提高工件的表面光潔度而需要提高切削速度"由此可見，調速在生產(chǎn)機械的運行中，具有重要的意義。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法，改變電動機的機械特性，從而改變它與工作機械特性的交點，改變電動機的穩(wěn)定運轉速度以他勵直流電動機為例，直流電動機有三種基本調速方法：(1)他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調速；(2) 他勵直流電動機的降低電源電壓調速；(3)他勵直流電動機的減弱磁通調速"以下分別進行討論"1 他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調速電

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