电力拖动课程设计他励式直流电动机弱磁调速系统

《电力拖动自动控制系统》

课 程 设 计

〔 2008级本科〕

题 目： 他励式直流电动机弱磁调速系统 系〔部〕院: 物理与机电工程学院 专 业: 作者： 指导教师： 职称： 完成日期：

二〇一一年十二月

课程设计任务书

学生 专业方向 题目名称 一、设计内容及技术要求： 设计一个他励式直流电动机弱磁调速系统； 1．使用受控源方式给电机励磁绕组上电； 2．形成的冲击电流较小； 3．能在MATLAB/simulink平台上建立模型； 4．能够正确的调整系统各个模块的参数使之兼容； 5．能够有正确的仿真波形； 二、课程设计说明书撰写要求： 1．选用中小容量的电动机及其外围电路完成相应的功能。 2．用MATLAB/simulink实现软启动的功能。 3．给出设计思路、画出各程序适当的流程图。 4．给出所有参数确定的原因。 5．完成设计说明书〔包括封面、目录、设计任务书、设计思路、硬件设计图、程序流程框图、程序清单、所用器件型号、总结体会、参考文献等〕。 三、设计进度 第一周 星期一上午 讨论设计题目 星期一下午 查资料 星期二至星期五 查找分析资料，确定各程序模块的功能 第二周 星期一至星期二 完成硬件设计，算法流程图及建立模型 星期三值星期四 完成设计，进行调试、仿真并分析合理性 星期五 答辩 指导老师签字： 学号 班级 他励式直流电动机弱磁调速系统

目录

1 引言 .......................................................... 1 2 直流调速系统概述 .............................................. 1 3 他励式直流电动机的机械特性 .................................... 1 3.1 机械特性的表达式 ............................................ 1 3.2 固有机械特性和人为机械特性 .................................. 3 4 他励式直流电动机弱磁调速 ...................................... 6 4.1 设计思路 .................................................... 6 4.2 在MATLAB/simulink平台上建立模型 ........................... 6 4.3 模型中个模块的参数设置 ...................................... 7 4.3.1 供电电源的参数设置 ........................................ 7 4.4 在MATLAB/simulink平台上仿真 .............................. 11 4.5 仿真数据分析 ............................................... 11 5 结论 ......................................................... 12 6 设计心得体会 .................................. 错误!未定义书签。 参考文献 ....................................................... 13

1 引言

在国民经济生产中，电机工业是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的重要基础，电机可称为电气化的心脏。他对国民经济的发展起着举足轻重的作用，并随着国民经济和科学技术的发展而不断发展。在现代工业、农业、交通运输等各行业中，为了实现生产工艺过程的各种要求，需要广泛采用各种各样的生产机械，大多数都采用电动机拖动。直流电机更是在各种电力拖动场合广泛应用。

2 直流调速系统概述

直流电动机的转速和其他参量的关系可用式〔2.1〕表达 nUIR 〔2.1〕 Ke式中 n——转速，单位为r/min；

U——电枢电压，单位为V； I——电枢电流，单位为A； R——电枢回路总电阻，单位为Ω； Φ——励磁磁通，单位为Wb；

Ke——由电机结构决定的电动势常数。

由式〔2.1〕可以看出，有三种方法调节电动机的转速。 〔1〕调节电枢供电电压U。 〔2〕减弱励磁磁通Φ。 〔3〕改变电枢回路总电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速〔电动机的额定转速〕以上作小范围的升速。

3 他励式直流电动机的机械特性

3.1 机械特性的表达式

他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路总电阻

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为恒值时，电动机在稳定运行状态下，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即

nf(Tem)，或者说电动机的转速n 与电枢电流Ia的关系nf(Ia)，后者也就是转速调整特性。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。利用机械特性和负载转矩特性，可以确定电动机在拖动系统的稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式来分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律，而且电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能也是十分重要的。

图3—1所示是他励式直流电动机的电路原理。图中U为外施电枢电压，Ea是电枢电动势，Ia是电枢电流，Ra是电枢电阻，Rs是电枢回路串联电阻，If是励磁电流，Φ是励磁磁通，Rf是励磁绕组电阻，Rsf是励磁回路串联电阻。按图中说明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程：

UEaRIa 〔3.1〕 式中，RRaRs，为电枢回路总电阻。将电枢电动势EaCeIa代入式〔3.1〕中，可得他励式直流电动机的机械特性方程： nURTemn0n 〔3.2〕 CeCeCT2式中，Ce、CT分别为电动势常数和转矩常数，且CT=9.55Ce；n0UCe为电磁转矩Tem=0时的转速，称为理想空载转速；n为转速降。

图3－1 他励式直流电动机的电路原理

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当电源电压U=常数，电枢回路总电阻R＝常数，励磁磁通＝常数时，根据〔3.2〕式，求出他励直流电动机的机械特性曲线，如图3-2所示，它是一条向下倾斜的直线，这说明当加大电动机的负载，就会使电动机的转速下降。

图3－2 他励式直流电动机的机械特性

'必须指出的是，电动机的实际空载转速n0比理想空载转速n0略低。这是因为电动

机由于摩擦等原因存在一定的空载转矩T0，空载运行时，电磁转矩不可能为零。它必须克服空载转矩，即Tem=T0，故实际空载转速应为

' n0UR-T (3.3) 20CeCeCT3.2 固有机械特性和人为机械特性

电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性 3.2.1 固有机械特性

固有机械特性是指当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值、电枢回路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为；

nURT 〔3.4〕 2emCeCeCT固有机械特性曲线如图3—3所示，由于Ra较小，则n也较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。

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图3－3 他励式直流电动机固有机械特性

3.2.2人为机械特性

人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变式〔3.2〕的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特性。 （1） 电枢串电阻时的人为机械特性

保持UUN，N不变，在电枢回路中串入电阻Rpa时的人为机械特性方程为 nRaRpaUNTem 〔3.5〕 2CeNCeCTN与固有特性相比，电枢串电阻时人为机械特性的理想空载转速n0不变，但特性变软。改变Rpa的大小，可以得到一组通过理想空载转速点n0并具有不同斜率的人为机械特性，如图3－4所示。

图3－4 他励式直流电动机电枢回路串电阻时的机械特性

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（2） 降低电枢电压时的人为机械特性

保持N，1r2不变，改变电枢电压U时的人为机械特性方程为 nRaUTem 〔3.6〕 2CeNCeCTN电动机的工作电压以额定电压为上限，只能在低于额定电压的范围内改变电压。与固有特性比较，降低电压时人为机械特性的斜率不变，但理想空载转速n0随电压的降低而正比减小。因此，降低电压时的人为机械特性是位于固有机械特性下方且与固有特性平行的一组直线，如图3—5所示。

图3－5 他励式直流电动机改变电枢电压时的机械特性

（3） 减弱励磁磁通时的人为机械特性

改变励磁回路调节电阻Rsf就可以改变励磁电流，从而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时磁路已经开始饱和，再增加励磁电流会使点击的磁路饱和，磁通也不会明显增加，点击的铁耗增加，导致电机发热。收励磁绕组发热条件的，励磁电流也不允许再大幅度地增加，因此，只能在额定值以下减小励磁电流，减弱励磁磁通。

保持UUN，RRa不变，电枢回路不串电阻，减弱磁通时的人为机械特性为 nUNRaT 〔3.7〕 2emCeCeCT减弱励磁磁通是的机械特性如图3－6所示。

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图3－6 他励式直流电动机减弱励磁磁通时的机械特性

4、他励式直流电动机弱磁调速

4.1 设计思路

首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场，确保一旦电枢电流加入所产生的电磁转矩最大，有利于快速起动，待主磁场建立之后再加入电枢电压。待电动机正常运行后，逐渐减小励磁绕组两端的电压，已逐步减小励磁电流，从而使主磁通减弱，到达弱磁调速的目的。 4.2 在MATLAB/simulink平台上建立模型

他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上建立模型如图4－1所示。

图4－1 他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上的建模

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4.3 模型中个模块的参数设置 4.3.1 供电电源的参数设置

给电枢绕组供电的可控电压源的参数设置：将电压源设置为直流〔DC〕模式，初值设为150V，如图4－2所示。

图4－2 电枢绕组供电电源的参数设置

控制电压源的timer1设置为：

Time(s): [ 0 1 2 3 4 5 6 7 ] Amplitude:[150 160 170 180 190 200 210 220] 如图4－3所示。

图4－3 控制电枢电源的timer1参数设置

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给励磁绕组供电的可控电压源的参数设置：将电压源设置为直流〔DC〕模式，初值设为220V，如图4－4所示。

图4－4 励磁绕组供电电源的参数设置

控制励磁供电电源的timer的参数设置如图4－5所示。 Time〔s〕：[ 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16] Amplitude:[220 220 220 210 200 190 180 170 160 150 140]

图4－5 控制励磁供电电源的timer的参数设置

4.3.2 电阻参数设置

在MATLAB/simulink/SimPowerSystems/Elements中选择Parallel RLC Branch；将

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Branch Type设置为R,限流电阻的Resistance R〔ohms〕设置为15，如图4－6所示；平衡电阻的Resistance R〔ohms〕设置为10000，如图4－7所示。

图4－6 限流电阻的参数设置

图4－7 平衡电阻的参数设置

4.3.3 负载转矩参数设置

将constant模块的constant value设置为50，如图4－8所示。 4.3.4 转速换算参数设置

将参与转速换算的constant模块的constant value设置为-9.55如图4－9所示。

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图4－8 转矩参数设置

图4－9转速换算参数设置

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4.4 在MATLAB/simulink平台上仿真

仿真波形如图4－10所示。

图4－10 他励式直流电动机在MATLAB/simulink上的仿真波形

4.5 仿真数据分析

0～7s，电动机起动，电枢电压从150V逐渐上升至220V，即升至电动机额定电压；此时，电枢电压保持额定电压不变，在经过2s，到9s时，开始调节励磁电压，使励磁电压有额定220V逐渐降低，从仿真波形图可看出，在逐渐降低励磁电压的过程中，由于励磁磁通逐渐减弱，电动机的转速逐渐升高，电磁转矩逐渐升高。在此过程中，由于在电路中增加了平衡电阻和限流电阻，冲击电流较小，转速变化平滑，符合本次设计要求。

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5 结论

通过对弱磁调速原理的分析，运用MATLAB/simulink软件构建了他励式直流电动机弱磁调速系统的模型，通过仿真可以看出，电动机正常启动后，保持电枢电压额定不变，以降低励磁电压的方式减弱励磁磁通，使电动机的转速逐步升高，而且具有良好的动态性能。

优点：弱磁调速这种调速方法在励磁回路可以实现，所用设备简单，调节也很方便，却效率较高。

缺点：调速范围较小，磁场减弱，因负载转矩不变，电磁转矩不变，磁通减小，电枢电流增大，一般用于升速。一般电机在额定转速以上用弱磁调速，随着电动机转速的提高，电枢电流随之升高，换向条件变坏，转速过高，还会出现不稳定的现象。如果运行中，一旦励磁回路造成断线，磁通会变得很小；假设空载，点数电流增加，转速将增大到很大程度，发生飞车现象；假设是过载，电流增大，电机停转，同样可能损坏电机。所以要有弱磁保护措施。

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参考文献

[1] 陈伯时.《电力拖动自动控制系统(第二版)》.【M】.北京：机械工业出版社，2011. [2] 刘锦波，张承慧.《电机与拖动》.【M】.北京：清华大学出版社，2006. [3] 刘翠岭，孙晓荣.《电机与电力拖动基础》.【M】.北京：机械工业出版社，2010. [4] 李华德，白晶.《电力拖动自动控制系统》.【M】.北京：机械工业出版社，2008. [5] 胡虔生，胡敏强.《电机学(第二版)》.【M】.北京：中国电力出版社，2009. [6] 李维波.《MATLAB在电气工程中的应用》.【M】.北京：中国电力出版社，2007. [7] 周渊深.《交直流调速系统与MATLAB仿真》.【M】.北京：中国电力出版社，2007.

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课程设计成绩评定表

姓 名 专 业 课程设计题目 课程设计答辩或质疑记录： 贺文生 电气工程及其自动化 学 号 班 级 0814213 082 他励式直流电动机弱磁调速系统 成绩评定依据： 评定项目 1.选题合理、目的明确〔10分〕 2.设计方案可行性、创新性〔20分〕 3.设计结果〔系统建模、仿真结果〕〔30分〕 4.平时成绩〔态度认真、遵守纪律〕〔10分〕 5.设计报告的标准性、参考文献充分〔不少于5篇〕〔10分〕 6.答辩〔20分〕 总 分 评分成绩 最终评定成绩〔以优、良、中、及格、不及格评定〕 指导教师签字：

年 月 日