他励直流电动机仿真研究0312李华安.docx
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他励直流电动机仿真研究0312李华安
华东交通大学理工学院
期末论文
专业：
电气工程及其自动化（电牵）
班级：
13电牵1班
姓名：
李华安
学号：
20130210470312
课题：
他励直流电动机建模及仿真
指导教师：
李房云
2016年6月26号
目录
1．直流电动机的工作原理、结构、基本电磁关系......................3
二.直流电动机的机械特性仿真......................................................6
三.直流电动机直接起动和制动仿真..............................................9
四.直流电动机调速研究.................................................................18
五.结束语..........................................................................................21
一、直流电动机的工作原理、结构、基本电磁关系
图1表示一台最简单的两极直流电动机模型，它的固定部分（定子）上，装有一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢。
定子与转子之间有一气隙。
电枢铁心上装有由A和X根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2铜片称为换向片，换向片之间互相绝缘。
换向片构成的整体称为换向器，换向器固定在转轴上。
换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
如果将直流电压直接加到线圈AX上，导体中就有直流电流通过。
设导体中的电流为i，载流导体在磁场中将受到电磁力f，f=bil，作用在线圈上的电磁转矩Txa则等于2倍的电磁力乘上力臂，即Txa=2fD/2=bilda。
式中，Da为电枢外径。
若电流i为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b的方向为一正一负，因此电磁转矩Txa将是交变的，一个周期内的平均值为0，无法使电枢持续旋转。
然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过电刷B1、B2和换向器再接入线圈，这样情况就不同了。
因为电刷B1和B2静止不动，电流i总是从正极性电刷B1流入，经过旋转的换向片流入位于N极下的导体，再经位于S极下的导体，由负极性电刷B2流出；故当导体旋转而交替地处于N极和S级下的导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转!
此时电刷和换向器起到把外部电源通入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。
这就是直流电动机的工作原理。
直流电机主要分为定子和转子两大部分。
定转子之间存在的间隙称为气隙。
1.定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。
它主要包括：
（1）主磁极主磁极包括铁心和励磁绕组两部分。
当励磁绕组中通人直流电流后，铁心中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场。
励磁绕组通常用圆形或矩形的绝缘导线制成一个集中的线圈，套在磁极铁心外面。
主磁极铁心一般用1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成，主磁极铁心柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交接处形成一个突出的肩部，用以支撑住励磁绕组。
极靴沿气隙表面成弧形，使磁极下气隙磁通密度分布更合理。
整个主磁极用螺杆固定在机座上。
主磁极总是N、S两极成对出现。
各主磁极的励磁绕组通常是相互串联连接，连接时要能保证相邻磁极的极性按N、S交替排列。
（2）换向极换向极也由铁心和绕组构成。
中小容量直流电机的换向极铁心是用整块钢制成的，大容量直流电机和换向要求高的电机，换向极铁心用薄钢片叠成，换向极绕组要与电枢绕组串联，因通过的电流大，导线截面较大，匝数较少。
换向极装在主磁极之间，换向极的数目一般等于主磁极数，在功率很小的电机中，换向极的数目有时只有主磁极极数的一半，或不装换向极。
换向极的作用是改善换向，防止电刷和换向器之间出现过强的火花。
（3）电刷装置电刷装置由电刷，刷握、压紧弹簧和刷杆座等组成。
电刷是用碳-石墨等做成的导电块，电刷装在刷握的盒内，用压紧弹簧把它压紧在换向器的表面上。
压紧弹簧的压力可以调整，保证电刷与换向器表面有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，彼此之间绝缘。
刷杆座装在端盖或轴承盖上，根据电流的大小，每一刷杆上可以有几个电刷组成的电刷组，电刷组的数目一般等于主磁极数。
电刷的作用是与换向器配合引入、引出电流。
（4）机座和端盖机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成。
它用来固定主磁极、换向极及端盖，借助底脚将电机固定于基础上、机座还是磁路的一部分，用以通过磁通的部分称为磁轭，端盖主要起支撑作用，端盖固定于机座上，其上放置轴承，支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。
2转子是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩，使机械能变为电能（发电机）或电能变为机械能（电动机）的枢纽。
它主要包括：
（1）电枢电枢又包括铁心和绕组两部分。
①电枢铁心电枢铁心一般用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠成，这样铁心在主磁场中转动时可以减少磁滞和涡流损耗。
铁心表面有均匀分布的齿和槽，槽中嵌放电枢绕组。
电枢铁心构成磁的通路。
电枢铁心固定在转子支架或转轴上。
②电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制成的线圈按一定规律嵌放到电枢铁心槽中，并与换向器作相应的连接。
线圈与铁心之间以及线圈的上下层之间均要妥善绝缘，用槽楔压紧，再用玻璃丝带或钢丝扎紧。
电枢绕组是电机的核心部件，电机工作时在其中产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。
（2）换向器换向器的作用是与电刷配合，将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。
换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。
所有换向片均放置在与它配合的具有燕尾状槽的金属套简内，然后用V形钢环和螺纹压圈将换向片和套筒紧固成一整体，换向片组与套筒、V形钢环之间均要用云母片绝缘。
（3）转轴在转轴上安装电枢和换向器。
3.气隙静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙。
在小容量电机中，气隙为0.5～3mm。
气隙数值虽小，但磁阻很大，为电机磁路的主要组成部分。
气隙大小对电机运行性能有很大影响。
二、直流电动机的机械特性仿真
1直流电动机的机械特性仿真
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（'电磁转矩Te/N.m'）;
ylabel（'转矩n/rpm'）;
ylim（[0,1800]）;
figure
（2）;
plot（Te,n,'rs'）;
xlabel（'电磁转矩Te/N.m'）;
ylabel（'转矩n/rpm'）;
holdon;
R_c=0;
forcoef=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）,'V'）;
s_y=1650*coef;
text（50,s_y,str）;
end
figure（3）;
n=U_N/C_EPhi_N-（R_a+R_c）/（C_EPhi_N*C_TPhi_N）*Te;
plot（Te,n,'rs'）;
xlabel（'电磁转矩Te/N.m'）;
ylabel（'转矩n/rpm'）;
holdon;
U=U_N;R_c=0.02;
forR_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-'）;
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]）;
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（'电磁转矩Te/N.m'）;
ylabel（'转矩n/rpm'）;
holdon;
U=U_N;R_c=0.02;
forR_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
a）固有机械特性b）降低电枢电压人为机械特性
c）增加电枢电阻人为机械特性d）改变磁通人为机械特性
三、直流电动机直接起动和制动仿真
1直流电动机直接起动研究
直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。
一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的10～20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10～20倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。
由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。
1.1直流电动机直接起动仿真模型的建立
直流电动机直接启动在MATLAB/SIMULINK中的仿真模型如图1所示。
在图1中电动机励磁绕组和电枢绕组的输入端并联后再与直流电源电压Vd的正极端相连接，电动机励磁绕组和电枢的输出端通过T形接点并联后与直流电源Vd的负极端连接在一起，这时电动机的模型为并励形式，电动机参数设置为：
PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/m，电枢电路总电阻Ra=0.08Ω，励磁回路总电阻Rf=181.5Ω，电动机转动惯量J=0.76kg·m2。
电动机的负载转矩由常数模块TL设定，后在电动机模块的m端接上示波器，用于观察电动机的各项波形，Demux分解模块用于输出转速、电枢电流、励磁电流和转矩四项参数。
放大器（Gain）将rad/转换为r/min，变换系数为K=60/2π=9.55。
1.2直接起动仿真结果及分析
直流电动机直接起动仿真波形如图2所示，在图2的仿真波形中很容易看出电动机在直接启动时启动电流很大，最大可达到2500A，起动转矩最大可以达到1800N·m。
电动机在启动0.4s后，转速达到3000r/min，电流下降为额定值89A左右。
转矩也有相应变化，从图2仿真波形可以看出直流电动机直接起动造成大电流和大转矩，很容易损坏电机和负载，因此这是不允许的。
直接启动模型仿真波形
2直流电动机串电阻起动研究
由上所述，大型直流电动机不宜采用直接起动，因此本文采用串电阻起动。
具体实现方法是基于图1所示的直接起动模型基础上，采用三级串电阻方法限制启动电流，控制启动电流在200～100A之间，通过仿真设计选择启动电阻和切换时间。
2.1直流电动机串电阻起动仿真模型的建立
直流电动机串电阻起动仿真模型如图3所示，该模型在图1所示直接起动模型的基础上，在电枢回路中串联一个由三级电阻组成的启动器。
在每个电阻（R1、R2、R3）上并联一个理想开关，用于切除电阻，开关受Step模块控制。
（注：
在Step模块对话框中设定单位阶跃信号发生时刻，即可控制开关的闭合，从而短接该电阻）。
模型检测将转速n、电枢电流I等送入示波器。
图3直流电动机串电阻启动仿真模型
2.2直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析
为了实现直流电动机串电阻起动，对于电枢绕组串入电阻值的计算非常重要，需要计算精确，本文为了尽可能地降低起动电流和起动转矩，采用三级串电阻计算方法。
具体实现步骤如下
（1）将step模块2和3的阶跃信号发生时间设为“0”，step1设为20s，R1接入电枢回路，并初选R'1的阻值。
在模型中设R1=R'1=1，得到仿真图形如图4所示
图4串一级电阻启动时的转速和电流波形
由图4可知，串联电阻后最大启动电流为200A，在3.5s时电流下降到100A，对应的转速为1500r/min，相对于直流电机直接起动，起动电流从2500A变为200A，显著地减低了，起到了保护电机的作用。
为了进一步减少起动电流，需要减小启动电阻，计算R1的阻值和预选R'2
阻值。
（2）重新设定R1和R2（R2=R'2）并设step1的信号发生时间为3.5s，设step2信号发生时间为20s得到仿真图形如图5所示。
图5串二级电阻启动时的转速和电流波形
从图5中可知，在启动6s后电流再次下降到100A，此时的转速为2200r/min。
为了进一步减少起动电流，需要再次减小启动电阻。
根据式（4）和（5）可以计算R2
和R3阻值。
（3）：
重新设定R2和R3，并设step2的信号发生时间为6s，设step3的信号发生时间为20s得到仿真图形如图6所示。
图6串三级电阻启动时的转速和电流波形
从图6可知在启动8s后起动电流再次下降到100A，此时的转速为2800r/min，需要再次切除R3，因此设step3的信号发生时间为8s，再次仿真，得到图形如7所示。
图7切除R3启动时的转速和电流波形
由图7可知：
在切除R3后，转速升到3000r/min，在整个启动过程中电流限制在规定的范围内，满足设计要求。
3、直流电动机制动仿真
直流电动机有4种制动方式,分别为能耗制动、反接制动、倒拉反转和回馈制动。
设定在制动状态下,负载折合到电动机轴上的阻力矩为3844.0N/m,折合到电动机轴上的角速度为38rad/s依据这些参数分别对电动机的能耗制动和反接制动状态进行仿真。
选择powerlib中的模块拖放到Simulink仿真环境中,构成能耗制动仿真配置如图3所示,预先设定负载扭矩的大小。
开关1,2受定时器的控制,电机启动时开关1闭合,2断开,此时电机带动负载运行,然后同时断开开关1,闭合2,将一个电阻串入电动机的电枢电路,电动机进入能耗制动状态。
改变串入阻值的大小,可以得到不同的仿真结果,当阻值为48时,仿真结果如图4所示。
电动机稳定运行于第四象限的A点,扭矩接近3800.0N/m,转速接近-38rad/s（此刻电机为反转）,可见串入的电阻可以满足实际要求[5]。
反接制动仿真配置如图5所示,电机启动时开关1闭合,2断开,此时电机带动负载运行,然后同时断开开关1,闭合2,将一个反接电源和一个电阻串入电动机的电枢电路,电动机进入反接制动状态.改变反接电源和串入阻值的大小,可以得到不同的仿真结果,当反接电源为260V,阻值为38时,得到仿真结果如图6所示。
电动机稳定运行于第四象限的A点,扭矩接近3800.0N/m,转速接近-38rad/s,可见串入的反接电源和电阻可以满足要求。
图3能耗制动仿真配置
图4能耗制动仿真结果
图5反接制动仿真配置
图6反接制动仿真结果
四、直流电动机调速研究
现代工业生产中，生产机械为适应其工艺过程要求，在不同的场合下必须具有不同的转速来进行工作，以保证生产机械的合理运行，并提高产品质量"直流调速即直流电动机速度控制，是指在直流传动系统中人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求如金属切削机械在进行精加工时，为提高工件的表面光洁度而需要提高切削速度"由此可见，调速在生产机械的运行中，具有重要的意义。
从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法，改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度以他励直流电动机为例，直流电动机有三种基本调速方法：
（1）他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速；
（2）他励直流电动机的降低电源电压调速；（3）他励直流电动机的减弱磁通调速"以下分别进行讨论"
1他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速
电枢回路串入电阻调速要求，仅通过改变电枢回路的电阻来调节速度。
此时，他励直流电动机的理想空载转速不变，额定转速降变大，特性变软。
如图一所示，设他励直流电动机工作在固有机械特性曲线的点上，以转速稳定运行。
为了调节速度，将接触器KM的常开触头断开，串入电阻，此时，他励直流电动机的工作点从固有特性曲线移到人为特性曲线上运行，他励直流电动机所对应的稳态速为nc串入不同的电阻，可获得不同的稳态转速。
用电枢回路串联电阻的方法调速时，虽然设备简单!
操作方便，但因电动机的机械特性变软，系统转速受负载影响大，此时轻载时达不到调速的目的，重载时还会产生堵转现象，而且在串联电阻中流过的是电枢电流，长期运行时损耗也大，经济性差，因此这种调速方法在使用上有一定局限性。
串入电阻接线图
2他励直流电动机的降低电源电压调速
不同的人为机械特性对应不同的稳定转速，如图二中的a!
b!
c点所示"如将电源电压由UN调至U1，则他励直流电动机的工作点将由a点经v点过渡到c点，其特性曲线是一簇以U为参数的平行直线。
在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化率范围内可以获得较低的稳定转速，故此种方法的调速范围较宽，一般可达10%12"通过电压正反向变化，使电动机能平滑地起动和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因此在工业中得到广泛应用。
图二他励直流电动机降低电源电压调速时的机械特性线图
他励直流电动机改变电枢电压调速仿真模型原理图
他励直流电动机改变电枢电压调速仿真结果
他励直流电动机改变励磁电压仿真模型原理图
3他励直流电动机的减弱磁通调速
他励直流电动机在额定磁通下工作时，磁路已接近饱和，因此，一般采用减磁调速。
在U=UN，电枢回路中不串入附加电阻时，若减弱磁通，则理想空载转速和转速降将均随磁通的减小而升高，因此，他励直流电动机的磁通越弱，其机械特性越软。
采用调节励磁调速方法时，在高速下由于电枢电流去磁作用增大，使转速特性变得不稳定，换向性能也会下降。
因此，采用改变磁通量来调速的范围是有限的。
由于弱磁调速只能升速，而转速的升高受到换向条件和机械强度的限制，调速范围不大，因此单独使用弱磁调速方法意义不大"对于要求调速范围较大的系统，常常把调压与调磁两种方法配合使用。
以电动机的额定转速作为基础速度，在基速以下采用调压调速，在基速以上采用弱磁调速。
上述他励直流电动机三种调速的性能与应用场合如表一所示，可根据生产机械的调速要求合理选择调速方法。
表一他励直流电动机调速方法比较
五.结束语
直流电动机具有良好的起动，制动性能，宜于在较大范围内平滑调速。
长期以来在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位。
与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠。
因此在现代生产机械中被广泛采用。
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