1、學(xué)號(hào)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課 程 設(shè) 計(jì)（ 2008級(jí)本科）題 目： 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng) 系（部）院: 物理與機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè): 作者姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱(chēng)： 完成日期： 二一一年十二月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)方向班級(jí)題目名稱(chēng)他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)；1 使用受控源方式給電機(jī)勵(lì)磁繞組上電；2 形成的沖擊電流較??；3 能在MATLAB/simulink平臺(tái)上建立模型；4 能夠正確的調(diào)整系統(tǒng)各個(gè)模塊的參數(shù)使之兼容；5 能夠有正確的仿真波形；二、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)要求：1 選用中小容量的電動(dòng)機(jī)及其外圍電路完成相

2、應(yīng)的功能。2 用MATLAB/simulink實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的功能。3 給出設(shè)計(jì)思路、畫(huà)出各程序適當(dāng)?shù)牧鞒虉D。4 給出所有參數(shù)確定的原因。5 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（包括封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、設(shè)計(jì)思路、硬件設(shè)計(jì)圖、程序流程框圖、程序清單、所用器件型號(hào)、總結(jié)體會(huì)、參考文獻(xiàn)等）。三、 設(shè)計(jì)進(jìn)度 第一周星期一上午 討論設(shè)計(jì)題目星期一下午 查資料星期二至星期五 查找分析資料，確定各程序模塊的功能第二周星期一至星期二 完成硬件設(shè)計(jì)，算法流程圖及建立模型星期三值星期四 完成設(shè)計(jì)，進(jìn)行調(diào)試、仿真并分析合理性星期五 答辯 指導(dǎo)老師簽字：目錄1 引言12 直流調(diào)速系統(tǒng)概述13 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性13.1 機(jī)械特性

3、的表達(dá)式13.2 固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性34 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速64.1 設(shè)計(jì)思路64.2 在MATLAB/simulink平臺(tái)上建立模型64.3 模型中個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置74.3.1 供電電源的參數(shù)設(shè)置74.4 在MATLAB/simulink平臺(tái)上仿真114.5 仿真數(shù)據(jù)分析115 結(jié)論126 設(shè)計(jì)心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)141 引言在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中，電機(jī)工業(yè)是機(jī)械工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，電機(jī)是機(jī)電一體化中機(jī)和電的結(jié)合部位，是機(jī)電一體化的重要基礎(chǔ)，電機(jī)可稱(chēng)為電氣化的心臟。他對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，并隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)雀餍袠I(yè)中

4、，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝過(guò)程的各種要求，需要廣泛采用各種各樣的生產(chǎn)機(jī)械，大多數(shù)都采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。直流電機(jī)更是在各種電力拖動(dòng)場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。2 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用式（2.1）表達(dá) （2.1）式中 n轉(zhuǎn)速，單位為r/min；U電樞電壓，單位為V；I電樞電流，單位為A；R電樞回路總電阻，單位為；勵(lì)磁磁通，單位為Wb；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由式（2.1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。（2）減弱勵(lì)磁磁通。（3）改變電樞回路總電阻R。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通

5、雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的升速。3 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.1 機(jī)械特性的表達(dá)式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路總電阻為恒值時(shí)，電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即 ，或者說(shuō)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與電樞電流的關(guān)系，后者也就是轉(zhuǎn)速調(diào)整特性。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機(jī)械量，所以把它稱(chēng)為機(jī)械特性。利用機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，可以確定電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，在一定條件下還可以利用機(jī)械特性和運(yùn)動(dòng)方程式來(lái)分析拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)情況，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)

6、械特性對(duì)分析電力拖動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等運(yùn)行性能也是十分重要的。圖31所示是他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的電路原理。圖中U為外施電樞電壓，是電樞電動(dòng)勢(shì)，是電樞電流，是電樞電阻，是電樞回路串聯(lián)電阻，是勵(lì)磁電流，是勵(lì)磁磁通，是勵(lì)磁繞組電阻，是勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻。按圖中表明的各個(gè)量的正方向，可以列出電樞回路的電壓平衡方程： （3.1）式中，為電樞回路總電阻。將電樞電動(dòng)勢(shì)代入式（3.1）中，可得他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程： （3.2） 式中，、分別為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，且=9.55；為電磁轉(zhuǎn)矩=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)速降。圖31 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的電路原理當(dāng)電源電壓U=常數(shù)，電樞回路總電阻R常

7、數(shù)，勵(lì)磁磁通F常數(shù)時(shí)，根據(jù)（3.2）式，求出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖3-2所示，它是一條向下傾斜的直線，這說(shuō)明當(dāng)加大電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，就會(huì)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。圖32 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性必須指出的是，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速比理想空載轉(zhuǎn)速略低。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)由于摩擦等原因存在一定的空載轉(zhuǎn)矩，空載運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩不可能為零。它必須克服空載轉(zhuǎn)矩，即=，故實(shí)際空載轉(zhuǎn)速應(yīng)為 (3.3)3.2 固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性3.2.1 固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電樞工作電壓和勵(lì)磁磁通均為額定值、電樞回路中沒(méi)有串入附加電阻時(shí)的機(jī)械特性，其方

8、程式為； （3.4） 固有機(jī)械特性曲線如圖33所示，由于較小，則也較小，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是比較“硬”的。圖33 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性3.2.2人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)電路中的某個(gè)參數(shù)或電動(dòng)機(jī)的電樞電壓值，而得到的機(jī)械特性，即改變式（3.2）的機(jī)械特性方程中的某些參數(shù)所獲得的機(jī)械特性。（1） 電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 保持，不變，在電樞回路中串入電阻時(shí)的人為機(jī)械特性方程為 （3.5）與固有特性相比，電樞串電阻時(shí)人為機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速不變，但特性變軟。改變的大小，可以得到一組通過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)并具有不同斜率的人為機(jī)械特性，如圖34所示。圖34 他勵(lì)

9、式直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻時(shí)的機(jī)械特性（2） 降低電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性保持，不變，改變電樞電壓U時(shí)的人為機(jī)械特性方程為 （3.6）電動(dòng)機(jī)的工作電壓以額定電壓為上限，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)改變電壓。與固有特性比較，降低電壓時(shí)人為機(jī)械特性的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速隨電壓的降低而正比減小。因此，降低電壓時(shí)的人為機(jī)械特性是位于固有機(jī)械特性下方且與固有特性平行的一組直線，如圖35所示。圖35 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性（3） 減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為機(jī)械特性改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻就可以改變勵(lì)磁電流，從而改變勵(lì)磁磁通。由于電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)磁路已經(jīng)開(kāi)始飽和，再增加勵(lì)磁電流會(huì)使點(diǎn)擊的磁路飽和，

10、磁通也不會(huì)明顯增加，點(diǎn)擊的鐵耗增加，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。收勵(lì)磁繞組發(fā)熱條件的限制，勵(lì)磁電流也不允許再大幅度地增加，因此，只能在額定值以下減小勵(lì)磁電流，減弱勵(lì)磁磁通。保持，不變，電樞回路不串電阻，減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性為 （3.7）減弱勵(lì)磁磁通是的機(jī)械特性如圖36所示。圖36 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的機(jī)械特性4、他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速4.1 設(shè)計(jì)思路首先在勵(lì)磁繞組中加入額定勵(lì)磁電流，以建立滿(mǎn)載主磁場(chǎng)，確保一旦電樞電流加入所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，有利于快速起動(dòng)，待主磁場(chǎng)建立之后再加入電樞電壓。待電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行后，逐漸減小勵(lì)磁繞組兩端的電壓，已逐步減小勵(lì)磁電流，從而使主磁通減弱，達(dá)到弱磁調(diào)速的目

11、的。4.2 在MATLAB/simulink平臺(tái)上建立模型 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB/simulink平臺(tái)上建立模型如圖41所示。圖41 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB/simulink平臺(tái)上的建模4.3 模型中個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置4.3.1 供電電源的參數(shù)設(shè)置給電樞繞組供電的可控電壓源的參數(shù)設(shè)置：將電壓源設(shè)置為直流（DC）模式，初值設(shè)為150V，如圖42所示。圖42 電樞繞組供電電源的參數(shù)設(shè)置控制電壓源的timer1設(shè)置為：Time(s): 0 1 2 3 4 5 6 7 Amplitude:150 160 170 180 190 200 210 220如圖43所示

12、。圖43 控制電樞電源的timer1參數(shù)設(shè)置給勵(lì)磁繞組供電的可控電壓源的參數(shù)設(shè)置：將電壓源設(shè)置為直流（DC）模式，初值設(shè)為220V，如圖44所示。圖44 勵(lì)磁繞組供電電源的參數(shù)設(shè)置控制勵(lì)磁供電電源的timer的參數(shù)設(shè)置如圖45所示。Time（s）： 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Amplitude:220 220 220 210 200 190 180 170 160 150 140圖45 控制勵(lì)磁供電電源的timer的參數(shù)設(shè)置4.3.2 電阻參數(shù)設(shè)置在MATLAB/simulink/SimPowerSystems/Elements中選擇Parallel RLC Br

13、anch；將Branch Type設(shè)置為R,限流電阻的Resistance R（ohms）設(shè)置為15，如圖46所示；平衡電阻的Resistance R（ohms）設(shè)置為10000，如圖47所示。圖46 限流電阻的參數(shù)設(shè)置圖47 平衡電阻的參數(shù)設(shè)置4.3.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置將constant模塊的constant value設(shè)置為50，如圖48所示。4.3.4 轉(zhuǎn)速換算參數(shù)設(shè)置將參與轉(zhuǎn)速換算的constant模塊的constant value設(shè)置為-9.55如圖49所示。圖48 轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置圖49轉(zhuǎn)速換算參數(shù)設(shè)置4.4 在MATLAB/simulink平臺(tái)上仿真仿真波形如圖410所示。 圖41

14、0 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)在MATLAB/simulink上的仿真波形4.5 仿真數(shù)據(jù)分析07s，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，電樞電壓從150V逐漸上升至220V，即升至電動(dòng)機(jī)額定電壓；此時(shí)，電樞電壓保持額定電壓不變，在經(jīng)過(guò)2s，到9s時(shí)，開(kāi)始調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓，使勵(lì)磁電壓有額定220V逐漸降低，從仿真波形圖可看出，在逐漸降低勵(lì)磁電壓的過(guò)程中，由于勵(lì)磁磁通逐漸減弱，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸升高，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸升高。在此過(guò)程中，由于在電路中增加了平衡電阻和限流電阻，沖擊電流較小，轉(zhuǎn)速變化平滑，符合本次設(shè)計(jì)要求。5 結(jié)論通過(guò)對(duì)弱磁調(diào)速原理的分析，運(yùn)用MATLAB/simulink軟件構(gòu)建了他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)的模型，通過(guò)仿真可

15、以看出，電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后，保持電樞電壓額定不變，以降低勵(lì)磁電壓的方式減弱勵(lì)磁磁通，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步升高，而且具有良好的動(dòng)態(tài)性能。優(yōu)點(diǎn)：弱磁調(diào)速這種調(diào)速方法在勵(lì)磁回路可以實(shí)現(xiàn)，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)也很方便，卻效率較高。缺點(diǎn)：調(diào)速范圍較小，磁場(chǎng)減弱，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電磁轉(zhuǎn)矩不變，磁通減小，電樞電流增大，一般用于升速。一般電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上用弱磁調(diào)速，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電樞電流隨之升高，換向條件變壞，轉(zhuǎn)速過(guò)高，還會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。如果運(yùn)行中，一旦勵(lì)磁回路造成斷線，磁通會(huì)變得很??；假如空載，點(diǎn)數(shù)電流增加，轉(zhuǎn)速將增大到很大程度，發(fā)生飛車(chē)現(xiàn)象；假如是過(guò)載，電流增大，電機(jī)停轉(zhuǎn)，同樣可能損壞電機(jī)。所以要有弱磁保護(hù)措施。15參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第二版).【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.2 劉錦波，張承慧.電機(jī)與拖動(dòng).【M】.北京：清華大學(xué)出版社，2006.3 劉翠嶺，孫曉榮.電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ).【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.4 李華德，白晶.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.5 胡虔生，胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)(第二版).【M】.北京：中國(guó)電力出版社，2009.6 李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用.【M】.北京：中國(guó)電力出版社，2007.7 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.【M】.北京：中國(guó)電力出版社，