電機學電機實驗matlab大作業(yè)直流電機運行特性分析

電機MATLAB仿真大作業(yè)0706106班哈爾濱工業(yè)大學PAGEPAGE1直流電動機運行特性的分析一.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特性的影響；2．應用MATLAB語句進行軟件編程,對直流電機的運行特性進行了仿真分析,表明MATLAB語言可作為電機仿真分析中的一種方便、快捷、有力工具；3．通過建模、仿真，加深對直流電機運行特性的直觀認識和理解的同時，熟悉了MATLAB進行工程分析的方法與運用。二．仿真原理與內容直流電動機的運行特性包括工作特性和機械特性（即轉速—轉矩特性）。直流電動機的工作特性是指，勵磁不變，電動機的轉矩、轉速、效率與電樞電流或者輸出功率的關系曲線。直流電動機的機械特性是指，，電樞回路電阻為常數時，轉速與轉矩之間的關系曲線.由于直流電機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，分別加以研究其轉速特性和機械特性。1.并勵電動機的運行特性轉速特性）并勵電動機的工作特性是在電動機的端電壓.勵磁電流的條件下得到的，我們僅分析電動機的轉速與輸出功率的關系.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速的數學表達式為根據上面建立的數學表達式模型，我們用matlab進行仿真，可得其圖像如下由仿真圖像可知，隨著輸入電流的增大，并勵電動機有稍微下降的轉速特性。這是由于影響并勵電動機轉速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降，二是電樞反應。當電動機的負載增加時，電樞電流增大，使電動機的轉速趨于下降。與此同時，電樞反應有去磁作用，使轉速趨于上升。這兩個因素對轉速的影響部分的抵消，使并勵電動機的轉速變化很小。實際中，為保證并勵電動機的穩(wěn)定運行，常使它具有如圖所示的稍微下降的轉速特性。值得注意的是，并勵電動機在運行的時候，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。此時若負載為輕載，電動機轉速迅速上升，造成“飛車”現象；若負載為重載，所產生的電磁轉矩克服不了負載轉矩，電動機可能停轉，使電樞電流增大到啟動電流，引起繞組過熱而將電動機燒毀。這兩種情況都是危險的。機械特性并勵電動機的機械特性是指，勵磁回路電阻=常值時，電動機的轉速與電磁轉矩的關系。由電磁轉矩公式和電動機的電壓方程推出根據建立的數學表達式模型，我們用matlab對其進行仿真，得到其圖像如下由圖像可知，并勵電動機的轉速隨所需的電磁轉矩的增加而稍有變化，若不計磁飽和，并勵電動機的機械特性為稍微下降的直線；若計磁飽和，交軸電樞反應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.串勵電動機的運行特性轉速特性）串勵電動機的工作特性是在電動機的端電壓條件下測得的。串勵時.電機的磁化曲線近似為，則從轉速公式知根據建立的數學表達式模型，我們用matlab對其進行仿真，得到其圖像如下,由仿真圖像可知，n與大體成雙曲線關系。這是由于負載增大時，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速下降，所以串勵電動機的轉速隨負載的增大而迅速下降。需要注意的是，串勵電動機不允許空載運行。這是因為空載時I很小，主磁通也很小，使轉速極高，產生“飛車”現象，這是不允許的。機械特性串勵電動機的機械特性是指，電動機的轉速與電磁轉矩的關系。由電動機的電壓方程可得（式中）再由電磁轉矩我們可以得到根據建立的數學表達式模型，我們用matlab對其進行仿真，得到其圖像如下由圖可知，隨著轉矩的增加，串勵電動機的轉速迅速下降，這種特性稱之為軟特性。3.積復勵電動機的運行特性積復勵電動機是指串勵繞組的磁動勢與并勵繞組的磁動勢方向相同。我們在對積復勵運行特性進行MATLAB分析時，首先得先建立出其數學模型?？墒且胫苯訌姆e復勵直流電動機的轉矩方程中推導出的函數關系數學方程時是很困難的，即使得出來了，它的表達式也很復雜，難以用其進行數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，進而求出轉速與轉矩的特性曲線。積復勵直流電動機的并勵和串勵繞組的磁動勢是疊加的，而每極磁通=（式中R為電動機磁路內每極下的等值磁阻）。所以可以得到轉速為=又因為式中相對于U來說通?？梢院雎圆挥?，故故根據上面推導的數學表達式，我們用matlab對其進行仿真可得其圖像如下我們對上面轉速與轉矩的表達式進行定性的分析，得知：當電樞電流增大時，轉速便減小，而轉矩則增大。相反，當電樞電流減小時，轉速便升高，而轉矩則減小。此外，當0時，0，以及(邊界常數)。由仿真圖像可以看到，積復勵直流電機的運行特性介于并勵與串勵電動機之間。這是由于積復勵電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組。當勵磁磁動勢中以并勵磁動勢為主時，其機械特性接近并勵電動機，但由于有串勵磁動勢的存在，負載增大時，電樞反應的去磁作用可以得到抑制，不使轉速上升，從而保證電動機穩(wěn)定運行；當勵磁磁動勢中以串勵磁動勢為主時，其機械特性接近串勵電動機，但由于并勵磁動勢的存在，不會使電動機空載時出現“飛車”現象?？梢姡e復勵電動機既有并勵電動機的優(yōu)點，又有串勵電動機的優(yōu)點。4.差復勵電動機的運行特性差復勵電動機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勵電動機方法基本相同?？梢缘玫狡鋽祵W表達式為我們用matlab對其進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連接成積復勵直流電動機時，卻將其串勵繞組接反，因而誤接成差復勵直流電動機，這種事情是很容易發(fā)生的。然而，這種情況還是應該盡量避免的。這是由于將一臺差復勵直流電動機投入運行，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，轉速升高到了不穩(wěn)定的程度，甚至會出現上翹的特性，這是我們需要盡量避免的。從式中可以看出，當（）0時，轉速確實大幅度升高。當繞組的磁動勢相互抵消時，線圈的感應電勢也大大減小。因此，電動機的電樞電流快速增大。最后我們綜合比較一下四類電動機的機械特性，下圖為一組轉矩與轉速的額定值均相同的各類直流電動機，在相同的端電壓下，轉矩與轉速之間的特性關系。由圖中比較分析可知，并勵電動機的機械特性為稍微下降的直線（硬特性），而串勵電動機的轉速隨著轉矩的增加迅速下降（軟特性），積復勵電動機的機械特性介于并勵電動機和串勵電動機之間，差復勵電動機的機械特性會出現“上翹”的不穩(wěn)定現象，應該盡量避免。三．仿真結論1.對于不同的勵磁方式的直流電動機，其運行特性也是各不相同的，甚至會有很大的差別。我們得根據直流電機的不同勵磁方式來對其的運行特性進行具體的分析、比較。2.對于并勵電動機的運行特性，其轉速特性隨著輸入電流的增大有稍微下降，其機械特性曲線為隨著隨著轉矩的增加稍微下降的直線（硬特性）。此外，并勵電動機在運行的時候，勵磁繞組絕對不能斷開，以免造成“飛車”現象或者停轉現象。3.對于串勵電動機的運行特性，其轉速特性曲線為轉速隨負載的增大而迅速下降，其機械特性曲線為轉速隨著轉矩的增加迅速下降（軟特性）。此外，串勵電動機不允許空載運行。以免產生“飛車”現象。4.積復勵直流電機的運行特性介于并勵與串勵電動機之間，既有并勵電動機的優(yōu)點，又有串勵電動機的優(yōu)點。5.對于差復勵電動機的運行特性，當負載達到一定程度時，其轉速升高到了不穩(wěn)定的程度，甚至會出現上翹的特性，我們需要盡量避免。四．仿真感想通過對直流電動機運行特性的MATLAB仿真、分析與比較，我們對直流電機的特性有了進一步的認識，對不同勵磁方式對直流電機特性的影響有了更加直觀的感受和清晰的理解。特別是積復勵與差復勵的運行特性，課本上并沒有給出具體的數學模型和特性圖像，可是我們組經過查資料，參閱文獻等途徑，對兩種復勵電動機的運行特性進行了數學模型的建立、程序的編寫與調試、圖形的繪制、結果的分析與驗證，得到了較好的結果，這樣便于與并勵和串勵電動機運行特性進行比較，達到了我們的預期目的，加強了我們團隊合作的意識。與此同時，通過建模與仿真，我們初步掌握了運用MATLAB工具對電機仿真的方法，樹立了需要充分運用軟件等信息工具指導自己學習的思想。此次仿真中也出現了一些問題與不足。由于對MATLAB的熟練程度不夠，在進行建模仿真的時候，對程序的編寫、調試過程中碰到了很多的困難。不過，經過同組同學的共同努力，不斷地修改，調試，查閱資料，最后終于得到了預期的目標。此外，由于時間上比較緊張，未對并勵電動機空載“飛車”，短路停轉的現象進行相應的建模仿真分析，這也不得不算是個遺憾。在今后的學習過程中，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,'————積復勵直流電動機','fontsize',10);text(600,3600,'·········差復勵直流電動機','fontsize',10);text(600,3800,'—·—·—串勵直流電動機','fontsize',10);text(600,3200,'-----并勵直流電動機','fontsize',10);title('直流電動機的運行特性');ylabel('轉速,rpm');xlabel('轉矩,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');ylabel('轉速,rpm');xlabel('轉矩,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');ylabel('轉速,rpm');xlabel('輸入電流,A');figure(3);subplot(2