它励直流电动机人为机械特性仿真分析

课程设计任务书

2013/2014 学年第 二 学期

学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： J Guo 学 号：

课程设计题目： 电机及电力拖动综合实验 它励直流电动机人为机械特性仿真分析（串电阻特性） 起 迄 日 期： 9 月 23 日 ～ 9 月 27 日

课程设计地点：

指 导 教 师：

下达任务书日期: 2013 年9月 23日

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： 通过掌握电机拖动技术的相关知识点，对其中的原理应用进行分析说明，并用MATLAB进行特性仿真，并得出仿真结论。 2．设计内容和要求 1、他励直流电动机人为机械特性仿真分析（串电阻特性） 2、对所学直流电动机的知识进行复习，重点掌握直流电动机的人为机械特性。 3、学习MATLAB语言，运行M文件进行仿真。 4、分析仿真结果。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： （1）查阅资料，确定设计方案 （2）分析电机工作原理，执行软件仿真，编写程序 （3）撰写课程设计说明书

课 程 设 计 任 务 书

4．主要参考文献： [1]《电机与拖动》刘锦波 主编 清华大学出版社 2006 [2]《电机与电力拖动》赵影 主编 国防工业出版社 2010 [3]《MATLAB使用详解》董霖 主编 电子工业出版社 2009 5．设计成果形式及要求： 课程设计说明书1份 原理分析及程序仿真结果1份 程序清单1份 6．工作计划及进度： 2013年9月23日 ~ 9月24日 收集整理资料，确定控制方案 9月25日 ~ 9月26日 编写程序，进行仿真 9月27日 撰写课程设计说明书 9月28日 答辩 系主任审查意见： 签字： 年 月 日

第一章 设计要求及内容

对所学直流电动机的知识进行复习，重点掌握直流电动机的人为机械特性。学习MATLAB语言，利用MATLAB语言编写M文件对他励直流电动机人为机械特性仿真分析（串电阻特性），并分析仿真结果。

第二章 直流电机简介

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。

2.1构造基本构造

分为两部分：定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的，注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。直流电动机转子部分由电枢铁芯、电枢、换向器等装置组成，下面对构造中的各部件进行详细介绍。

1.电枢铁芯部分：其作用是嵌放电枢绕组和颠末磁通，为了下降电机工作时电枢铁芯中发作的涡流损耗和磁滞损耗。

2.电枢部分：作用是发作电磁转矩和感应电动势，而进行能量变换。电枢绕组有许多线圈或玻璃丝包扁钢铜线或强度漆包线。

3.换向器：又称整流子，在直流电想法中，它的作用是将电刷上的直流电源电流变换成电枢绕组内的沟通电流，是电磁转矩的倾向稳定不变，在直流发电机中，它将电枢绕组沟通电动势变换为电刷端上输出地直流电动势。 换向器由许多片构成的圆柱体之间用云母绝缘，电枢绕组每一个线圈两端区分接在两个换向片上。直流发电机中换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动热变换为电刷间的直流电动势，负载中就有电流通过，直流发电机向负载输出电功率，同时电枢线圈中也肯定有电流通过。它与磁场相互作用发作电磁转矩，其倾向与发电机相反，原想法只需抑制这一磁场转矩才华股动电枢改变。因此，发电机向负载输出电功率的还，从原想法输出机械功率，完结了直流发电机将机械能变换为电能的作用。

2.2分类励磁方式

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型： 1．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电

机也可看作他励直流电机。 2．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 3．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。 4．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为直流电动机 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 5.特点

(一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 直流电动机

(二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

第三章 他励直流电机 2.1 他励直流电机械特性

在U1=Un，IfIfN,且电枢回路未串任何电阻的条件下，转子转速和电磁转矩之间的关系曲线 nf(Tem)称为机械特性。它反映出不同转速下电动机所能提供的转矩的情况。

为方便起见，将电势、转矩的基本关系以及电势平衡方程列出如下：

EaCen.......................(21)

TemCTIn.....................(22) U1EaRaIa................(23)结合他励直流电机的转速特性方程：

nEaRU1aIa.....(24) CeCeCe从直流电机的机械特性方程的定义，便可以获得他励直流电机的机械特性为：

EaRaU1Tn0Tem.....(25) n2emCeCeNCeCTN式中，为直线的斜率。n0为理想空载转速；电机的实际空载转速为：

RaUn01T20；相应的空载转矩为T0。可见随着转矩增大，电机

CeNCeCTN转速有所下降，故此机械特性可进一步表示为：

nn0Temn0n..........(26)，转速nRaTTem，这个2emCeCTN式子越小，则转速变化越慢，我们称此时电动机具有较硬的机械特性；反之，我们称电动机具有较软的机械特性。

2.2 电枢回路串电阻的人为机械特性

R时）当U1UN,IfIfN时，电枢回路总电阻RRaR（即电枢回路为，利用（2-5）式进行推导，得他励直流电机的人工机械特性为：

UNUN(RaR)nTemn0Tem.....(26)2CeNCeNCeCTN

由式（2-6）可以分析出，随着外串电阻的增加，直线斜率下降，机械特性硬度降低，考虑到理想空载转速不变，因此，电枢回路串电阻的所有人工机械特性均交于纵坐标的理想空载转速点。

第四章 MATLAB 仿真 3.1 MATLAB简介

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室 MATLAB工作界面）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可

视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

3.2 用MATLAB绘制串电阻人工机械特性曲线

用MATLAB仿真需要给定电机的相关参数，这里我们可以假定，他励直流电机的一些参数为：

PN55KW,额定电压UN220V,IN282A额定转速nN1500r/min，电枢回路总电阻Ra0.045,在保持额定负载转矩不变，且不计电感影响与电枢 反应的前提下建模仿真。 为研究他励究直流电机人为串电阻机械特性，我们将串入的电阻依次设置为Ra1=0.0;Ra2=0.45;Ra3=0.9;Ra4=1.35。结合MATLAB编程可以得到曲线图3.1。

他励直流电机串电阻人为机械特性2000Ra10Ra2-2000电机转速[r/min]Ra3-4000Ra4-6000-8000-100000500电磁转矩[N,m]10001500

图3.1 他励直流电机的人为机械特性曲线图

从MATLAB绘制出的图像可以看出：随着外串电阻的增加，直线斜率下降，机械特性硬度降低，考虑到理想空载转速不变，因此，电枢回路串电阻的所有人工机械特性均交于纵坐标的理想空载转速点。

第五章 MATLAB程序

程序代码如下：

%Guo-Jin 2013.11.29 finish clc clear

%%%Rate Value and Parameters of Separately Excited DC Motor Pn=5.5*1e+3;Un=220;In=282;Nn=1500;ra=0.045;%%%W,V,A,r/min,ohm %calculate the flux and constants Cefai=(Un-In*ra)/Nn; Ctfai=9.55*Cefai;

%calculate the rated electric-magnectic torque Tn=Ctfai*In;

%four amarture resstance values Ra1=0.0; Ra2=0.45; Ra3=0.9; Ra4=1.35; for m=1:4 if m==1

Ro=Ra1; elseif m==2 Ro=Ra2; elseif m==3 Ro=Ra3; else

Ro=Ra4; end

for i=1:400

Tem(i)=4*Tn*i/400;

rpm(i)=Un/Cefai-(ra+Ro)/(Cefai*Ctfai)*Tem(i); TL(i)=2*Tn; end

plot(Tem,rpm,'-',TL,rpm,'-') hold on;

end

xlabel('电磁转矩[N,m]'); ylabel('电机转速[r/min]');

title('他励直流电机串电阻人为机械特性'); disp('END');

第六章 参考文献

[1]《电机与拖动》刘锦波 主编 清华大学出版社 2006 [2]《电机与电力拖动》赵影 主编 国防工业出版社 2010 [3]《MATLAB使用详解》董霖 主编 电子工业出版社 2009