直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性調(diào)速仿真研究

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄1引言11.1本課題研究意義11.2課題的主要內(nèi)容21.3程序?qū)崿F(xiàn)思路21.3.1直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真21.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)仿真21.3.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真31.4Matlab介紹32直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真62.1并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真62.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真93直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)和制動(dòng)仿真153.1直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)研究153.1.1直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型的建立153.1.2 直接起動(dòng)仿真結(jié)果及分析163.2直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)研究163.2.1直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型的建立16 3.2.2直流電動(dòng)機(jī)串電

2、阻起動(dòng)時(shí)電阻值計(jì)算以及仿真結(jié)果分析173.2.3直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)仿真214直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速研究244.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路串入電阻調(diào)速244.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的降低電源電壓調(diào)速254.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的減弱磁通調(diào)速27參考文獻(xiàn)：31致謝33第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè)1引言1.1本課題研究意義直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。長(zhǎng)期以來(lái)，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方法一直占主要地位。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，它的調(diào)速范圍較廣；調(diào)速連續(xù)平滑；經(jīng)濟(jì)性好，設(shè)備投資較少，調(diào)速損耗較小，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高;調(diào)速方法簡(jiǎn)便，工作可靠。在許多工業(yè)部門(mén)，例如大型軋鋼設(shè)備、大型

3、精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車(chē)、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。Matlab語(yǔ)言是一種面向科學(xué)工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等功能于一體，是一種高級(jí)的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算軟件，可用作動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真。目前，電機(jī)控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，不斷有新的控制算法被采用。仿真是對(duì)其進(jìn)行研究的一個(gè)重要的不可缺少的手段。Matlab的仿真研究功能被成功

4、方便地應(yīng)用到各種科研過(guò)程中。直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我學(xué)會(huì)用MATLAB進(jìn)行基本仿真，通過(guò)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)綜合運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，提高對(duì)直流電機(jī)知識(shí)的理解能力，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)習(xí)使用MATLAB的一般方法、步驟，掌握Simulink的使用方法，以及其強(qiáng)大的仿真功能。學(xué)會(huì)用MATLAB仿真軟件仿真直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng) ，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真，其中包括直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真，直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)電阻起動(dòng)仿真，直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)仿真，直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)仿真，直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速仿真和直流電動(dòng)機(jī)改變勵(lì)

5、磁電流調(diào)速仿真。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了我的自我動(dòng)手能力，了解直流電動(dòng)機(jī)的各種人為改變參數(shù)的操作特性，理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)際的工作過(guò)程中積極地去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。1.2課題的主要內(nèi)容了解直流電機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)、基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性進(jìn)行繪制，并且通過(guò)運(yùn)用不同的起動(dòng)和制動(dòng)、調(diào)速方法對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真研究。而更好的理解直流電動(dòng)機(jī)的的控制特性、控制規(guī)律、和工作特性。1.學(xué)習(xí)并掌握直流電機(jī)的基本理論，理解直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與工作特性。2.通過(guò)改變電樞電壓、電樞電阻、改變磁通等方法獲得各種人為機(jī)械特性，并通過(guò)仿真得出結(jié)果。3.直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)用直接起動(dòng)或減壓起動(dòng)

6、、電樞串電阻起動(dòng)等方式，制動(dòng)運(yùn)用回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)等方式對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)進(jìn)行仿真分析，建立仿真模型同時(shí)給出仿真結(jié)果。4.調(diào)速分析主要是通過(guò)串聯(lián)電阻、改變電樞電壓或改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。建立仿真模型。5.熟練掌握Matlab的simulink和Power system工具箱，以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，弄清楚系統(tǒng)的構(gòu)成，并在模塊庫(kù)中找出相應(yīng)的模塊，完成對(duì)各個(gè)組成環(huán)節(jié)的元件參數(shù)配置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并給出結(jié)論。1.3程序?qū)崿F(xiàn)思路1.3.1直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性主要有改變電樞電壓,改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據(jù)已知的直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，使用

7、MATLAB編制M文件，通過(guò)計(jì)算可以畫(huà)出直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性曲線。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性不同，通過(guò)仿真計(jì)算可以獲得這些特性曲線。 1.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)仿真 直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真，直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，可達(dá)額定電流的10-20倍，由此產(chǎn)生很大的沖擊轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)不允許直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)。要求使用Simulink對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)過(guò)程建立仿真模型，通過(guò)仿真獲得直流電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程。 直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)電阻起動(dòng)仿真:建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)三級(jí)電阻起動(dòng)的仿真模型，仿真分析其串聯(lián)電阻起動(dòng)過(guò)程，獲得起動(dòng)過(guò)程的電樞電流，

8、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。 直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)仿真要求使用Simulink建立直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過(guò)程曲線。 直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)仿真要求使用Simulink建立直流電動(dòng)機(jī)的電壓反向反接制動(dòng)的模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過(guò)程曲線。 1.3.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種，即電樞回路串電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速和改變勵(lì)磁電流（減弱磁通）調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速仿真要求實(shí)用Simulink建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的改變電樞電壓的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過(guò)程曲線。直流電動(dòng)機(jī)改變

9、勵(lì)磁電流調(diào)速仿真要求使用Simulink建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變勵(lì)磁電流的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過(guò)程曲線1.4Matlab介紹Matlab是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C+語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C+語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLA

10、B能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、

11、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖。可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特

12、殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶(hù)不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶(hù)界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶(hù)也可以得到滿足。MATLAB對(duì)許多專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的，用戶(hù)可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼。領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)

13、、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶(hù)編寫(xiě)可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱(chēng)之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類(lèi)學(xué)科專(zhuān)業(yè)和應(yīng)用而定制的，主

14、要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用戶(hù)更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f(Tem)。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機(jī)械量，所以把它稱(chēng)為機(jī)械特性。電樞回路電阻R、端電壓U和勵(lì)磁磁通都是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的，每調(diào)

15、節(jié)一個(gè)參數(shù)可以對(duì)應(yīng)得到一條機(jī)械特性，所以可以得到許多條機(jī)械特性。其中，電動(dòng)機(jī)自身所固有的，反映電動(dòng)機(jī)本來(lái)“面目”的機(jī)械特性是在電樞電壓、勵(lì)磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時(shí)的機(jī)械特性，稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的固有（自然）機(jī)械特性；調(diào)節(jié)U、R、等參數(shù)后得到的機(jī)械特性稱(chēng)為人為機(jī)械特性。 直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性主要有改變電樞電壓改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據(jù)已知條件，使用Matlab編寫(xiě)M文件，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以畫(huà)出直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性曲線。某直流電動(dòng)機(jī)，已知額定值為U=220V，P=22W，I=115A，Nn=1500r/min;某電樞電阻R=0.18；勵(lì)磁電阻R=628。求出，并分別劃出固有機(jī)械

16、特性曲線和改變電樞電壓、改變電樞電阻、改變勵(lì)磁同時(shí)的人為機(jī)械特性曲線。2.1并勵(lì)直流電動(dòng)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,'.-

17、');xlabel('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)速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('

18、;U=',num2str(U),'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(

19、Te,n,'k-'); 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)速n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;

20、for R_c=0.5:0.25:1.3; 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 圖2.1并勵(lì)直流電機(jī)固有機(jī)械特性 圖2.2降低電樞電壓人為機(jī)械特性 圖2.3增加電樞電阻人為機(jī)械特性 圖2.4改變磁通

21、人為機(jī)械特性2.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性仿真U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=0.18; Ia_N=I_N; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N; %假定Phi=Phi_N,U=U_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; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,'.-'); xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m&#

22、39;);ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm'); ylim(0,1800); %計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，不同的條件下的機(jī)械特性 figure(2); plot(Te,n,'rs'); xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩 Te/N.m'); ylabel('轉(zhuǎn)速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(

23、9;U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end %計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，不同的條件下的機(jī)械特性 figure(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)速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+

24、R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'Omega'); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str); end ylim(0,1700); %計(jì)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，不同的條件下的機(jī)械特性 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

25、磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m'); ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=0; for coef=0.5:0.25:1.3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi-(R_a+R_c)/(C_EPhi*C_TPhi)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('phi=',num2str(coef),'*phi_N'); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str); e

26、nd ylim(0,3500); 圖2.5 固有機(jī)械特性曲線 圖2.6改變電樞電壓的人為機(jī)械特性曲線隨著電壓的降低，理想空載轉(zhuǎn)速線性下降，但直線的斜率保持不變，也就是說(shuō)，機(jī)械特性的硬度保持不變。圖2.7串電阻的人為機(jī)械特性曲線電阻的增加直線的斜率增大。表面電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降增大，機(jī)械特性的硬度降低。但考慮到理想空載轉(zhuǎn)速不變，因此。電樞回路串電阻時(shí)所有人工機(jī)械特性曲線都交于縱坐標(biāo)的理想空載點(diǎn)。圖2.8弱磁的人為機(jī)械特性曲線 由于勵(lì)磁電流的減小使得磁通也 減小，對(duì)應(yīng)于縱坐標(biāo)軸上的兩個(gè)極點(diǎn)（1）理想空載轉(zhuǎn)速升高，（2）短路電流保持不變，但是相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減小。3直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)和制動(dòng)仿真3.1直流電動(dòng)

27、機(jī)直接起動(dòng)研究直流電動(dòng)機(jī)剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，他勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電流以及并勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的輸入電流稱(chēng)為起動(dòng)電流，這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流可達(dá)電樞電流額定值的1020倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍，這樣的起動(dòng)電流是換向所不允許的，而且過(guò)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使電動(dòng)機(jī)和它所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動(dòng)機(jī)械和生產(chǎn)機(jī)械。由此可見(jiàn)，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動(dòng)機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又比較小，可以直接起動(dòng)以外，一般的直流電動(dòng)機(jī)是不允許采用直接起動(dòng)的。3.1.1直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型

28、的建立直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)在MATLAB/SIMULINK中的仿真模型如圖3.1所示。在圖3.1中電動(dòng)機(jī)勵(lì)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(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞的輸出端通過(guò)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(shí)電動(dòng)機(jī)的模型為并勵(lì)形式，電動(dòng)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(lì)磁回路總電阻Rf=181.5，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.76kg·m2。電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由常數(shù)模塊TL設(shè)定，后在電動(dòng)機(jī)模塊的m端接上示波器，用于觀察電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)波形，Demux分解模塊用于輸出轉(zhuǎn)

29、速、電樞電流、勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)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。圖3.1直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真模型3.1.2 直接起動(dòng)仿真結(jié)果及分析直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真波形如圖3.2所示，在圖3.2的仿真波形中很容易看出電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，最大可達(dá)到2500A，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大可以達(dá)到1800N·m。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)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3.2仿真波形可以看出直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)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。圖3.2直接啟動(dòng)模型仿真波形3.2直流

30、電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)研究由上所述，大型直流電動(dòng)機(jī)不宜采用直接起動(dòng)，因此本文采用串電阻起動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)方法是基于圖3.1所示的直接起動(dòng)模型基礎(chǔ)上，采用三級(jí)串電阻方法限制啟動(dòng)電流，控制啟動(dòng)電流在200100A之間，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)選擇啟動(dòng)電阻和切換時(shí)間。3.2.1直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型的建立直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型如圖3.3 所示，該模型在圖3.1所示直接起動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)由三級(jí)電阻組成的啟動(dòng)器。在每個(gè)電阻(R1、R2、R3)上并聯(lián)一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，用于切除電阻，開(kāi)關(guān)受Step模塊控制。(注：在Step模塊對(duì)話框中設(shè)定單位階躍信號(hào)發(fā)生時(shí)刻，即可控制開(kāi)關(guān)的閉合，從而短接該電阻)。模型

31、檢測(cè)將轉(zhuǎn)速n、電樞電流I等送入示波器。 圖3.3直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)仿真模型3.2.2直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)時(shí)電阻值計(jì)算以及仿真結(jié)果分析為了實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)，對(duì)于電樞繞組串入電阻值的計(jì)算非常重要，需要計(jì)算精確，本文為了盡可能地降低起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用三級(jí)串電阻計(jì)算方法。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下（1）將step模塊2和3的階躍信號(hào)發(fā)生時(shí)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3.4所示圖3.4 串一級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖3.4可知，串聯(lián)電阻后最大啟動(dòng)電流為200A，在3.5s時(shí)電流下降到10

32、0A，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，相對(duì)于直流電機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)電流從2500A變?yōu)?00A，顯著地減低了，起到了保護(hù)電機(jī)的作用。為了進(jìn)一步減少起動(dòng)電流，需要減小啟動(dòng)電阻，計(jì)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(hào)發(fā)生時(shí)間為3.5s，設(shè)step2信號(hào)發(fā)生時(shí)間為20s得到仿真圖形如圖3.5所示。圖3.5 串二級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖5中可知，在啟動(dòng)6s后電流再次下降到100A，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為2200r/min。為了進(jìn)一步減少起動(dòng)電流，需要再次減小啟動(dòng)電阻。根據(jù)式(4)和(5)可以計(jì)算R2和R3阻值。=0.162（3）：重新

33、設(shè)定R2和R3，并設(shè)step2的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為6s，設(shè)step3的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為20s得到仿真圖形如圖3.6所示。圖3.6 串三級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖3.6可知在啟動(dòng)8s后起動(dòng)電流再次下降到100A，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為2800r/min，需要再次切除R3，因此設(shè)step3的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為8s，再次仿真，得到圖形如3.7所示。圖3.7 切除R3啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖3.7可知：在切除R3后，轉(zhuǎn)速升到3000r/min，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.3直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)仿真直流電動(dòng)機(jī)有4種制動(dòng)方式,分別為能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)、倒拉反轉(zhuǎn)和回饋制動(dòng)。設(shè)定在制動(dòng)狀態(tài)下,

34、負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)軸上的阻力矩為3844.0 N/m,折合到電動(dòng)機(jī)軸上的角速度為38 rad/s依據(jù)這些參數(shù)分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真。選擇powerlib中的模塊拖放到Simulink仿真環(huán)境中,構(gòu)成能耗制動(dòng)仿真配置如圖3.8所示,預(yù)先設(shè)定負(fù)載扭矩的大小。開(kāi)關(guān)1,2受定時(shí)器的控制,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)1閉合,2斷開(kāi),此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行,然后同時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1,閉合2,將一個(gè)電阻串入電動(dòng)機(jī)的電樞電路,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)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(shí),仿真結(jié)果如圖3.9所示。電動(dòng)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-38ra

35、d/s(此刻電機(jī)為反轉(zhuǎn)),可見(jiàn)串入的電阻可以滿足實(shí)際要求。反接制動(dòng)仿真配置如圖3.10所示,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)1閉合,2斷開(kāi),此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行,然后同時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1,閉合2,將一個(gè)反接電源和一個(gè)電阻串入電動(dòng)機(jī)的電樞電路,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入反接制動(dòng)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(shí),得到仿真結(jié)果如圖3.11所示。電動(dòng)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(jiàn)串入的反接電源和電阻可以滿足要求。圖3.8 能耗制動(dòng)仿真配置圖3.9 能耗制動(dòng)仿真結(jié)果圖3.10 反接制動(dòng)仿真配置圖3.11 反接制動(dòng)仿真結(jié)果4直

36、流電動(dòng)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(guò)程要求，在不同的場(chǎng)合下必須具有不同的轉(zhuǎn)速來(lái)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(dòng)機(jī)速度控制，是指在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械對(duì)不同轉(zhuǎn)速的要求如金屬切削機(jī)械在進(jìn)行精加工時(shí)，為提高工件的表面光潔度而需要提高切削速度。由此可見(jiàn)，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(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法，改變電動(dòng)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞

37、回路串入電阻調(diào)速；(2) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的降低電源電壓調(diào)速；(3)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的減弱磁通調(diào)速。以下分別進(jìn)行討論"4.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路串入電阻調(diào)速電樞回路串入電阻調(diào)速要求，僅通過(guò)改變電樞回路的電阻來(lái)調(diào)節(jié)速度。此時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)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4.1所示，設(shè)他勵(lì)直流電動(dòng)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(kāi)觸頭斷開(kāi)，串入電阻，此時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)所對(duì)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(shí)，雖

38、然設(shè)備簡(jiǎn)單!操作方便，但因電動(dòng)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(shí)輕載時(shí)達(dá)不到調(diào)速的目的，重載時(shí)還會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而且在串聯(lián)電阻中流過(guò)的是電樞電流，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)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。圖4.1串入電阻接線4.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的降低電源電壓調(diào)速不同的人為機(jī)械特性對(duì)應(yīng)不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖4.2中的 a!b!c 點(diǎn)所示。如將電源電壓由 UN調(diào)至U1，則他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將由 a 點(diǎn)經(jīng) v 點(diǎn)過(guò)渡到 c 點(diǎn)，其特性曲線是一簇以 U 為參數(shù)的平行直線。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化率范圍內(nèi)可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，故此種方法的調(diào)速范圍較寬，一般

39、可達(dá) 10%12。通過(guò)電壓正反向變化，使電動(dòng)機(jī)能平滑地起動(dòng)和工作在四個(gè)象限，能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，而且控制功率較小，效率較高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成性能指標(biāo)較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 圖4.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電源電壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性線圖4.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速仿真模型原理圖4.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速仿真結(jié)果4.5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變勵(lì)磁電壓仿真模型原理圖4.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的減弱磁通調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下工作時(shí)，磁路已接近飽和，因此，一般采用減磁調(diào)速。在 U=UN，電樞回路中不串入附加電阻時(shí)，若減弱磁通，則理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降將均隨磁通的減小而升高，因此，

40、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通越弱，其機(jī)械特性越軟。采用調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速方法時(shí)，在高速下由于電樞電流去磁作用增大，使轉(zhuǎn)速特性變得不穩(wěn)定，換向性能也會(huì)下降。因此，采用改變磁通量來(lái)調(diào)速的范圍是有限的。4.6他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速原理圖 4.7他勵(lì)直流電機(jī)弱磁調(diào)速仿真結(jié)果圖圖4.8他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變磁通調(diào)速是轉(zhuǎn)速-電流關(guān)系仿真結(jié)果由于弱磁調(diào)速只能升速，而轉(zhuǎn)速的升高受到換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，調(diào)速范圍不大，因此單獨(dú)使用弱磁調(diào)速方法意義不大。對(duì)于要求調(diào)速范圍較大的系統(tǒng)，常常把調(diào)壓與調(diào)磁兩種方法配合使用。以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為基礎(chǔ)速度，在基速以下采用調(diào)壓調(diào)速，在基速以上采用弱磁調(diào)速。上述他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三種調(diào)速的性能與

41、應(yīng)用場(chǎng)合如表一所示，可根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求合理選擇調(diào)速方法。表一 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法比較調(diào)速方法調(diào)整范圍D相對(duì)穩(wěn)定性平滑性經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用串電阻調(diào)速在額定負(fù)載下D=2，輕載D更小差差調(diào)速設(shè)備投資少，電能損耗大對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，適合與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合減壓調(diào)速一般約為8；100kw以上電動(dòng)機(jī)可達(dá)10：1kw一下的電動(dòng)機(jī)為3左右好好調(diào)速設(shè)備投資大，電能損耗小對(duì)調(diào)速要求高的場(chǎng)合，適合與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合弱磁調(diào)速一般直流電動(dòng)機(jī)約為1.2；變磁通電動(dòng)機(jī)最大可選4較好好調(diào)速設(shè)備投資少，電能損耗小一般與降壓調(diào)速配合使用，適合與恒功率負(fù)載配合直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)，制動(dòng)性能，宜于在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。長(zhǎng)期以來(lái)在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方法一直占主要地位。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，它的調(diào)速范圍較廣；調(diào)速連續(xù)平滑；經(jīng)濟(jì)性好，設(shè)備投資較少，調(diào)速損耗較小，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高；調(diào)速方法簡(jiǎn)便，工作可靠。因此在現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械中被廣泛采用。參考文獻(xiàn)：1 王瑞安. 關(guān)于非獨(dú)立控制勵(lì)磁的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)采用雙通道LQSF直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)勵(lì)磁回路控制的探討J. 冶金自動(dòng)化, 1983,(