他勵直流電動機仿真特性研究畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 與 Simulink 和 MATLAB 是無縫結(jié)合在一起的。仿真仍可使用 Simulink 強大的變步長積分器，其中有一些專為剛性系統(tǒng)求解而設(shè)計 來精確的計算電氣系統(tǒng)模型。另外， Simulink 的零點穿越檢測功能，能以機器數(shù)據(jù)精度水平計算檢測并求解不連續(xù)過程。MATLAB 及其工具箱所提供的功能同樣可以用來分析仿真結(jié)果，將其可視化，并進一步作整個完整系統(tǒng)的建摸，仿真和優(yōu)化設(shè)計。 使用 SimPowerSystem 提供的 Powergui 模塊，用戶可以修改模型的初始狀態(tài)，從任何起始條件開始仿真分析。Powergui 交互式工具模塊提供的工具可以達到這樣的效果：（1）顯示穩(wěn)態(tài)電壓和電流。（2）顯示并修改初始狀態(tài)量。（3）計算潮流和初始化機電摸塊。（4）當(dāng)模型中存在電抗測量模塊時可顯示電抗相對頻率的變化。（5）可使用控制系統(tǒng)工具箱的 LTI Viewer 工具，進行系統(tǒng)的時域、頻域響應(yīng)分析 。（6）生成穩(wěn)態(tài)計算分析報告 。 仿真和分析4 他勵直流電動機工作特性實驗 實驗?zāi)康? 掌握用實驗的方法來測定他勵直流電動機的工作特性。掌握測定他勵直流電動機在不受載荷時能量損耗的方法。 電機的轉(zhuǎn)矩特性測定 電機的效率特性測定 電機的轉(zhuǎn)速特性測定 電機在空載時損耗的測定 當(dāng)兩端電壓U和UN 相等且二者均為常數(shù)，還有電樞回路里不串聯(lián)接入額外的附加電阻，以及勵磁電流If 和IfN相等且為常數(shù)時，他勵直流電動機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速度n，電磁轉(zhuǎn)矩T以及機械效率h與輸出功率P2的關(guān)系即為他勵直流電動機的工作特性。即n、T、h=f（P2）。在實際運行中，由于電樞電流Ia較易測得，而Ia隨著P2的增加而增大，故直流電動機的工作特性也可表示為n、T、h=f（Ia）。直流電動機的工作特性分別稱為速度特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。速度特性是指電壓U=UN =常數(shù)、勵磁電流If=IfN =常數(shù)時，n=f（P2）的關(guān)系曲線。從直流電動機速度特性表達式可見，在U和If均為常數(shù)的條件下，當(dāng)電樞電流Ia增加時，IaRa使n趨于下降，而去磁的電樞反應(yīng)則使轉(zhuǎn)速趨于上升，因此電動機的轉(zhuǎn)速變化很小。他勵直流電動機具有略為下降的速度特性。轉(zhuǎn)矩特性是指電壓U=UN =常數(shù)、勵磁電流If=IfN =常數(shù)時，T=f（P2）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性表達式可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速為常數(shù)時，T=f（P2）是一條直線。但實際上P2增大時，轉(zhuǎn)速略有下降，故T=f（P2）將略為向上彎曲。效率特性是指電壓U=UN=常數(shù)、勵磁電流If =IfN =常數(shù)時，h=f（P2）的關(guān)系曲線。求取效率特性時，需測量電動機的冷態(tài)電樞電阻、周圍介質(zhì)溫度以及電動機的空載損耗。為了測取空載損耗，則需拆開聯(lián)軸器，使電動機在額定電壓UN 、額定勵磁電流IfN情況下單獨運轉(zhuǎn)，讀取直流電動機的空載電流和轉(zhuǎn)速。電動機的效率式中：P1——電動機輸入功率。 P2——電動機輸出功率。可根據(jù)發(fā)電機的勵磁電流、轉(zhuǎn)速和電樞電流，從其校正曲線上查出。電動機的空載損耗實驗設(shè)備實驗設(shè)備如表41所示。表41 實驗設(shè)備序號型 號名 稱數(shù) 量1MET01電源控制屏1臺2DD03不銹鋼電機導(dǎo)軌、測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表1件3DJ23校正直流測功機1 臺4DJ13直流并勵發(fā)電機1 臺5D51波形測試及開關(guān)板1 件 實驗方法 觀察自勵過程 1）先切斷電樞電源，然后斷開勵磁電源使電機MG停機，同時將啟動電阻調(diào)回最大值，磁場調(diào)節(jié)電阻調(diào)到最小值為下次啟動做好準(zhǔn)備。在斷電的條件下將發(fā)電機G的勵磁方式從他勵改為并勵，接線如圖24所示。選用的900Ω電阻兩只相串聯(lián)并調(diào)至最大阻值，打開開關(guān)S。 2）先接通勵磁電源，然后啟動電樞電源，使電動機起動。調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，用直流電壓表測量發(fā)電機是否有剩磁電壓，若無剩磁電壓，可將并勵繞組改接成他勵方式進行充磁。 3）合上開關(guān)S逐漸減小，觀察發(fā)電機電樞兩端的電壓，若電壓逐漸上升，說明滿足自勵條件。如果不能自勵建立電壓，將勵磁回路的兩個插頭對調(diào)即可［6］。 4）對應(yīng)著一定的勵磁電阻，逐步降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機電壓隨之下降，直至電壓不能建立，此時的轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速。測外特性圖41 直流并勵發(fā)電機接線圖 1）按圖41接線。調(diào)節(jié)負載電阻到最大,合上負載開關(guān)。 2）調(diào)節(jié)電動機的磁場調(diào)節(jié)電阻、發(fā)電機的磁場調(diào)節(jié)電阻和負載電阻，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流三者均達額定值，即。記錄此時的勵磁電流值，即為額定勵磁電流。 3）保持額定值時的阻值及不變，逐次減小負載，直至=0，從額定到空載運行范圍內(nèi)每次測取發(fā)電機的電壓和電流。 4）共得出數(shù)據(jù)如表42所示。表42 =常值（V）200215228238246253（A）0 注意事項 直流電動機MG起動時，一定要注意須將調(diào)到最大，調(diào)到最小，先接通勵磁電源，觀察到勵磁電流為最大后，然后再接通電樞電源，使MG起動運轉(zhuǎn)。起動完畢，應(yīng)將調(diào)到最小。做外特性時，,要將中串聯(lián)的電阻調(diào)至零并用導(dǎo)線短接,以免電流過大引起變阻器損壞。觀察自勵過程。測外特性 保持使=常數(shù)，測取 實驗結(jié)果由驗數(shù)據(jù)作出他勵直流電動機外特性曲線，如圖43所示。圖43 他勵直流電動機外特性曲線 由圖43可以看出，他勵直流電動機的外特性曲線是一條隨電流的增加快速下垂的曲線，即有載時的端電壓比空載時的端電壓低，這是由以下原因引起的：第一，負載增加時，電樞回路電阻壓降增加，由式，隨著的增加要降低；第二，電樞反應(yīng)的去磁作用，使氣隙磁通量減少，電樞繞組電動勢隨之減小，引起下降。第三，他勵直流電動機的勵磁繞組是跨接在電樞兩端的，由于發(fā)電機輸出端電壓下降，造成勵磁電流的減小，磁通的減小，電樞電動勢降低，又導(dǎo)致端電壓進一步下降，所以他勵直流電動機外特性曲線下垂的更多更快。5 他勵直流電動機工作特性仿真 他勵直流電動機自激的仿真 他勵直流電動機的自勵過程一般電機的主磁極鐵心中有剩磁存在。當(dāng)電機空載，并由原動機拖動旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中馬上就會感應(yīng)出一個微小的電動勢，該電動勢作用于勵磁回路就會產(chǎn)生微弱的勵磁電流。如勵磁繞組和電樞兩端的鏈接與電樞旋轉(zhuǎn)方向配合適當(dāng)，是勵磁電流產(chǎn)生的磁勢方向和生剩磁方向一致，氣隙磁通就會繼續(xù)增長，電樞電壓隨之逐步建立起來［7］。由此看出，并勵發(fā)電機是一個電壓直接反饋系統(tǒng)，它的自勵建壓過程是一種反饋作用。既把輸出量（剩磁電壓）回饋到輸入端（勵磁繞組），產(chǎn)生勵磁電流，以加強系統(tǒng)的輸入量（氣息磁場），使發(fā)電機依靠剩磁自勵建立的電壓逐步升高起來。但這個依靠自勵建起的電壓能否達到所需的穩(wěn)定值，還需對自勵過程做進一步分析。圖 51 他勵直流電動機的自勵1——空載曲線；2——勵磁電阻線；3——臨界電阻線圖 52 臨界電阻與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系直流電機的空載電壓與勵磁電流首先必須滿足圖51所示的空載曲線。另外，勵磁回路電壓方程為式（51）,即 （51）式（51）中，是勵磁回來總電阻。方程（51）是勵磁回路電阻線，如圖中曲線2所示，它的斜率為 。所以，空載電壓與勵磁電流必須同時滿足空載曲線和勵磁電阻線，其交點就是并勵發(fā)電機空載電壓的穩(wěn)定工作點。在建立電樞電壓的過程中，勵磁電流一直在上升，此勵磁回路的電壓平衡方程為式（52），即 （52）式（52）中是勵磁繞組的電感。由圖51可見，電壓和電阻壓降之差，就是勵磁繞組的自感電壓L。當(dāng)時，勵磁電流及電樞感應(yīng)電勢不斷上升，電樞端電壓不斷增高；當(dāng)時，如圖中曲線1和直線2的交點A此時勵磁電流所產(chǎn)生的勵磁電壓正好與勵磁回路中的電阻壓降相平衡，勵磁電流不再增大，發(fā)電機的電壓穩(wěn)定于土中A點，這時發(fā)電機已經(jīng)建立起正常電壓。由圖51可見，當(dāng)增加勵磁回路中的電阻時，可以使回路的總電阻變大，即增加電阻的斜率，則交點A將沿著空載特性曲線向原點移動，空載電壓逐步下降，當(dāng)電阻線與空載特性曲線的直線部分重合時，便沒有固定的交點，空載電壓不穩(wěn)定，如圖中的直線3，此種狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，丟贏得勵磁電阻稱為臨界電阻（臨界場阻）。由于對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機有不同的空載特性，因而也有不同的臨界電阻。圖52中未對應(yīng)于轉(zhuǎn)速的臨界電阻，為對應(yīng)于轉(zhuǎn)速的臨界電阻［8］。由此可見，并勵發(fā)電機實現(xiàn)自勵還必須使勵磁回路的總電阻小于與電機運行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。綜上分析，并勵發(fā)電機的自勵建起穩(wěn)定電壓必須同時具備以下三個條件，缺一不可。（1）電機內(nèi)部應(yīng)有剩磁 剩磁電壓一般約為額定電壓的2%～5%。使用中的電機，如果剩磁太弱或已消失，可用其他直流電源向勵磁繞組通電“充磁”使電機重新獲得剩磁。（2）勵磁繞組對電樞繞組的接法應(yīng)與電樞旋轉(zhuǎn)方向配合正確，使勵磁電流產(chǎn)生的勵磁方向一致。如發(fā)現(xiàn)接入后電樞電壓不僅不不能升高，反而降低，則表明接法有誤，此時應(yīng)將勵磁繞組接到電樞的兩個端子對調(diào)。（3）勵磁回路的總電阻應(yīng)小于發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。一般發(fā)電機都在額定轉(zhuǎn)速下運行，因此，應(yīng)調(diào)節(jié)，使總電阻應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)速時的臨界電阻。 建立數(shù)學(xué)模型由他勵直流電動機自激原理，設(shè)置一臺直流發(fā)電機，額定電壓為230V，額定轉(zhuǎn)速為980r/min，電樞繞組的電阻和電感忽略不計。在額定轉(zhuǎn)速下建模仿真電機的自激過程并求出穩(wěn)態(tài)電壓。數(shù)據(jù)如表51所示。表51 勵磁電流與勵磁電動勢數(shù)據(jù)025100150200220244255291假設(shè)發(fā)電機的感應(yīng)電動勢為，如圖53所示，當(dāng)電機空載運行時，該電動勢在勵磁繞組和電樞繞組構(gòu)成的閉合回路中產(chǎn)生電流，對該回路列寫基爾霍夫電壓方程，即 （53）圖53他勵直流電動機方程式（53）就是發(fā)電機自激的數(shù)學(xué)模型。方程（53）中，空載電動勢與勵磁電流之間的關(guān)系即電機的空載特性曲線，可以根據(jù)已知的空載特性試驗數(shù)據(jù)并通過曲線擬合求得。求解上述微分方程可以得到自激過程中勵磁電流、感應(yīng)電動勢的變化規(guī)律。 MATLAB程序設(shè)計MATLAB程序設(shè)計包括建立自激過程微分方程的M—函數(shù)和求解自激過程微分方程的腳本函數(shù)兩個方面。其中M—函數(shù)文件包括賦初值、定義變量、數(shù)據(jù)處理、列微分方程等幾個步驟［9］。而解方程的腳本函數(shù)實際上是執(zhí)行M—函數(shù)文件的一系列指令的集合，包括指定算法、特性曲線繪制和穩(wěn)態(tài)電壓計算等幾個步驟。MATLAB仿真程序如下：（1） 自激過程微分方程的M—函數(shù)% 編寫建立自激過程微分方程的M—函數(shù) % 將該M—函數(shù)定義為shgeseexode(shuntgeneratorselfexcitedode)