他励直流电动机仿真特性研究_毕业设计(编辑修改稿)

他励直流电动机仿真特性研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

一种科学工程计算的高级语言，是进行数据分析算法开发的忌辰开发环境。 MATLAB7 针对编程环境、代码效率、数据可视化、数学计算、文件 I/O 等方面进行了升级，概括起来有以下几个方面。 （ 1） 窗体 ： 重新设计的桌面环境，针对多文档界面应用提供了简便的管理和访问方法；增强 数组编辑器和工作空间浏览器的功能；增强了 M 文件编辑器，支持多格式源代码分析。 （ 2） 编程：支 持创建嵌套函数和匿名函数功能，同时增强了模块化注释的功能。 （ 3） 数学：支持整数的算术运算和单精度数学类型运算。 （ 4） 图形：新的图形窗体界面和图形窗体注释，同时使用了数据侦测工具，提供了丰富的数据观测手段。 （ 5） 接口：新增文件 I/O 函数，使得具有压缩功能的 MAT 文件格式具备了支持快速数据文件 I/O 的能力；支持 COM、 VBS、 SOAP、 FTP 和 Unicode编码格式。 许多工具箱都得到了升级的同时，在 Release 14 中添加了学多新特性。 Simulink 概述 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink他励直流电动机特性仿真 X 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 （ GUI） ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、 直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 简述 Simulink 和 MATLAB 集成 SimPowerSystem 与 Simulink 和 MATLAB 是无 缝 结合在一起的。 仿真仍 可使用 Simulink 强大的变步长积分器 ， 其中有一些专为刚性系统求解而设计 来精确的计算电气系统模型。 另外， Simulink 的零点穿越检测功能，能以机器数据精度水平计算检测并求解不连续过程。 MATLAB 及其工具箱所提供的功能同样可以用来分析仿真结果，将其可视化，并进一步 作 整个完整系统的建摸， 仿真和优化设计。 使用 SimPowerSystem 提供的 Powergui 模块，用户可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始仿真分析。 Powergui 交互式工具模块提供的工具可以 达到这样的效果： （ 1） 显示稳态电压和电流。 （ 2） 显示并修改初始状态量。 （ 3） 计算潮流和初始化机电摸块。 （ 4） 当模型中存在电抗测量模块时可显示电抗相对频率的变化。 （ 5） 可使用控制系统工具箱的 LTI Viewer 工具，进行系统的时域、频域 响应分析。 （ 6） 生成稳态计算分析报告。 仿真和分析 他励直流电动机特性仿真 XI 4 他励直流电动机工作特性实验 实验目的 掌握用实验的方法来测定他励直流电动机的工作特性。 掌握测定他励直流电动机在不受载荷时能量损耗的方法。 实验内容 电机的转矩特性测定 电机的效率特性测定 电机的转速特性测定 电机在空载时损耗的测定 实验所依据的原理 当两端电压 U 和 UN 相等且二者均为 常数，还有电枢回路里不串联接入额外的附加电阻，以及励磁电流 If 和 IfN 相等且为常数 时，他励直流电动机的转轴转动速度 n， 电磁转矩 T 以及机械效率 h 与输出功率 P2的关系即为他励直流电动机的工作特性。 即 n、 T、 h=f（ P2）。 在实际运行中，由于电枢电流 Ia较易测得，而Ia随着 P2的增加而增大，故直流电动机的工作特性也可表示为 n、 T、 h=f（ Ia）。 直流电动机的工作特性分别称为速度特性、转矩特性和效率特性。 速度特性是指电压 U=UN =常数、励磁电流 If=IfN =常数时， n=f（ P2）的关系曲线。 从直流电动机速度特性表达式 可见，在 U 和 If均为常数的条件下，当电枢电流 Ia增加时， IaRa使 n趋于下降，而去磁的电枢反应则使转速趋于上升，因此电动机的转速变化很小。 他励直流电动机具有略为下降的速度特性。 转矩特性是指电压 U=UN =常数、励磁电流 If=IfN =常数时， T=f（ P2）的关系曲线。 由转矩特性表达式 可见，当转速为常数时， T=f（ P2）是一条 直线。 但实际上 P2增大时，转速略有下降，故 T=f（ P2）将略为向上弯曲。 效率特性是指电压 U=UN=常数、励磁电流 If =IfN =常数时， h=f（ P2）的关系曲线。 求取效率特性时，需测量电动机的冷态电枢电阻、周围介质温度以及电动机他励直流电动机特性仿真 XII 的空载损耗。 为了测取空载损耗，则需拆开联轴器，使电动机在额定电压 UN 、额定励磁电流 IfN情况下单独运转，读取直流电动机的空载电流和转速。 电动机的效率 式中： P1—— 电动机输入功率。 P2—— 电动机输出功率。 可根据发电机的励磁电流、转速和电枢电流，从其校正曲线上查出。 电动机的空载损耗 实验设备 实验设备如表 41 所示。 表 41 实验设备 序号 型 号 名 称 数 量 1 MET01 电源控制屏 1 台 2 DD03 不锈钢电机导轨、测速系统及数显转速表 1 件 3 DJ23 校正直流测功机 1 台 4 DJ13 直流并励发电机 1 台 5 D51 波形测试及开关板 1 件 实验方法 观察自励过程 1） 先切断电枢电源，然后断开励磁电源使电机 MG 停机，同时将启动电阻调回最大值，磁场调节电阻调到最小值为下次启动做好准备。 在断电的条件下将发电机 G 的励磁方式从他励改为并励，接线如图 24 所示。 2fR 选用 3R 的 900Ω电阻两只相串联并调至最大阻值，打开开关 S。 2） 先接通励磁电源，然后启动电枢电源，使电动机起动。 调节电动机的转速，使发电机的转速 Nnn ，用直流电压表测量发电机是否有剩磁电压，若无剩他励直流电动机特性仿真 XIII 磁电压，可将并励绕组改接成他励方式进行充磁。 3） 合上开关 S 逐渐减小 2fR ，观察发电机电枢两端的电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件。 如果不能自励建立电压，将励磁回路的两个插头对调即可 ［ 6］。 4） 对应着一定的励磁电阻，逐步降低发电机转速，使发电机电压随之下降，直至电压不能建立，此时的转速即为临界转速。 测外特性 图 41 直流并励发电机接线图 1） 按图 41 接线。 调节负载电阻 2R 到最大 ,合上负载开关 S。 2） 调节电动机的磁场调节电阻 1fR 、发电机的磁场调节电阻 2fR 和负载电阻 2R ，使发电机的转速、输出电压和电流三者均达额定值，即 Nnn ， nUU ，Nl II 。 记录此时的励磁电流 fI 值，即为额定励磁电流 NfI。 3） 保持额定值时的 2fR 阻值及 Nnn 不变，逐次减小负载，直 至 lI =0，从额定到空载运行范围内每次测取发电机的电压 U 和电流 lI。 4） 共得出数据如表 42 所示。 表 42 min/1600 rnn N  2fR =常值 U （ V） 200 215 228 238 246 253 他励直流电动机特性仿真 XIV lI （ A） 0 注意事项 直流电动机 MG 起动时，一定要注意须将 1R 调到最大， 1fR 调到最小，先接通励磁电源，观察到励磁电流 1fI 为最大后，然后再接通电枢电源，使 MG起动运转。 起动完毕，应将 1R 调到最小。 做外特性时，当电流超过 时 ,要将 2R 中串联的电阻调至零并用导线短接 ,以免电流过大引起变阻器损坏。 观察自励过程。 测外特性 保持 Nnn 使 2fR =常数，测取 )( lIfU 实验结果 由验数据作出他励直流电动机外特性曲线，如图 43 所示。 图 43 他励直流电动机外特性曲线 由图 43可以看出，他励直流电动机的外特性曲线是一条随电流的增加快速下垂的曲线，即有载时的端电压比空载时的端电压低 ，这是由以下原因引起的：第一，负载增加时，电枢回路电阻压降 aaRI 增加，由式 aaa RIEU  ， U 随着 aI的增加要降低；第二，电枢反应的去磁作用，使气隙磁通量  减少，电枢绕组电动势 aE 随之减小，引起 U 下降。 第三，他励直流电动机的励 磁绕组是跨接在电枢两端的，由于发电机输出端电压下降，造成励磁电流的减小，磁通的减小，电他励直流电动机特性仿真 XV 枢电动势降低，又导致端电压进一步下降，所以他励直流电动机外特性曲线下垂的更多更快。 他励直流电动机特性仿真 XVI 5 他励直流电动机工作特性仿真 他励直流电动机自激的仿真 他励直流电动机的自励过程 一般电机的主磁极铁心中有剩磁存在。 当电机空载，并由原动机拖动旋转时，电枢绕组中马上就会感应出一个微小的电动势，该电动势作用于励磁回路就会产生微弱的励磁电流。 如励磁绕组和电枢两端的链接与电枢旋转方向配 合适当，是励磁电流产生的磁势方向和生剩磁方向一致，气隙磁通就会继续增长，电枢电压随之逐步建立起来 ［ 7］。 由此看出，并励发电机是一个电压直接反馈系统，它的自励建压过程是一种反馈作用。 既把输出量（剩磁电压）回馈到输入端（励磁绕组），产生励磁电流，以加强系统的输入量（气息磁场），使发电机依靠剩磁自励建立的电压逐步升高起来。 但这个依靠自励建起的电压能否达到所需的稳定值，还需对自励过程做进一步分析。 图 51 他励直流电动机的自励 1—— 空载曲线； 2—— 励磁电阻线； 3—— 临界电阻线 他励直流电动机特性仿真 XVII 图 52 临界电阻与转速的对应关系 直流电机的空载电压 0U 与励磁电流 fI 首先必须满足图 51 所示的空载曲线)(0 fIfU 。 另外，励磁回路电压方程为式 （ 51） ,即 aaRIU 0 （ 51） 式 （ 51） 中， fR 是励磁回来总电阻。 方程 （ 51） 是励磁回路电阻线，如图中曲线 2 所示，它的斜率为 ff RIu  /tan 0。 所以，空载电压 0U 与励磁电流 fI 必须同时满足空载曲线和励磁电阻线，其交点就是并励发电机空载电压的稳定工作点。 在建立电枢电压的过程中，励磁电流 fI 一直在上升，此励磁回路的电压平衡方程为式 （ 52） ，即 fff LIRU 0 （ 52） 式 （ 52） 中 fL 是励磁绕组的电感。 由图 51 可见，电压 0U 和电阻压降 fi fR 之差，就是励磁绕组的自感电压 Lf。 当 ff Riu 0 时， 0dtdiL ff，励磁电流 及电枢感应电势不断上升，电枢端电压不断增高；当 00 URIu f  时 0dtdiL ff，如图中曲线 1 和直线 2 的 交点 A 此时励磁电流所产生的励磁电压正好与励磁回路中的电阻压降相平衡，励磁电流不再增大，发电机的电压稳定于土中 A 点，这时发电机已经建立起正常电压。 由图 51 可见，当增加励磁回路中的电阻 fR 时，可以使回路的总电阻 fR 变大，即增加电阻的斜率，则交点 A 将沿着空载特性曲线 向原点移动，空载电压逐步下降，当电阻线与空载特性曲线的直线部分重合时，便没有固定的交点，空载电压不稳定，如图中的直线 3，此种状态称为临界状态，丢赢得励磁电阻称为临他励直流电动机特性仿真 XVIII 界电阻（临界场阻）。 由于对应不同的转速，发电机有不同的空载特性，因而也有不同的临界电阻。 图 52 中 1fR 未对应于。