他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)仿真特性研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)仿真特性研究 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 號

2、 </p><p>　　系 （部） 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師(職稱) （講師） </p><p>　　完成時(shí)間 2013年 月 </p><p><b>　　目 錄

3、</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 選

4、題背景與目的1</p><p>　　1.3 本文的結(jié)構(gòu)內(nèi)容2</p><p>　　2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)3</p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)概述3</p><p>　　2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程4</p><p>　　2.1.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理6</p><p>　　2

5、.1.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率方程6</p><p>　　3 MATLAB 7</p><p>　　3.1 MATLAB背景和基本知識7</p><p>　　3.1.1 MATLAB背景7</p><p>　　3.1.2 MATLAB基本知識7</p><p>　　3.2 Simulink 概述9</p

6、><p>　　3.2.1 簡述 Simulink 和 MATLAB集成9</p><p>　　3.2.2 仿真和分析10</p><p>　　4 直流電動(dòng)機(jī)工作特性實(shí)驗(yàn)11</p><p>　　4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1</p><p>　　4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備11</p><p>　　4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)

7、容11</p><p>　　4.4 注意事項(xiàng)13</p><p>　　4.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告13</p><p>　　5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性仿真15</p><p>　　5.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自激的仿真15</p><p>　　5.1.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的自勵(lì)過程15</p><p>

8、　　5.1.2 建立數(shù)學(xué)模型17</p><p>　　5.1.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1.4 仿真結(jié)果21</p><p>　　5.1.5 建立SIMULINK仿真模型22</p><p>　　5.1.6 仿真結(jié)果25</p><p>　　5.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性的仿真26&

9、lt;/p><p>　　5.2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性分析26</p><p>　　5.2.2 建立數(shù)學(xué)模型26</p><p>　　5.2.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.2.4 仿真結(jié)果29</p><p>　　5.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整特性的仿真30</p><p&g

10、t;　　5.3.1建立數(shù)學(xué)模型30</p><p>　　5.3.2 MATLAB程序設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.3.3 仿真結(jié)果32</p><p>　　6 電站自并勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的起勵(lì)仿真研究33</p><p><b>　　6.1 摘要33</b></p><p>　　6.2 研

11、究意義33</p><p>　　6.3同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)的數(shù)學(xué)方程33</p><p>　　6.4同步發(fā)電機(jī)空載特性的數(shù)學(xué)模型34</p><p>　　6.5起勵(lì)仿真結(jié)構(gòu)圖34</p><p>　　6.6仿真結(jié)果36</p><p><b>　　結(jié) 論38</b></p>

12、<p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文首先詳細(xì)介紹了直流電動(dòng)機(jī)的原理以及他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作

13、特性，在進(jìn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性實(shí)驗(yàn)之后運(yùn)用MATLAB來仿真他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性。兩者對比得出實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果相符。利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真過程中包括：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻啟動(dòng)過程的仿真、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)突然短路的仿真、直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性的仿真和直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的仿真。</p><p>　　論文分六大部分，第一部分是對電機(jī)的應(yīng)用發(fā)展做了相關(guān)的描述。第二是對直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理做了詳細(xì)的介紹

14、，通過對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的了解，為進(jìn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性仿真做了基礎(chǔ)。第三，對MATLAB仿真軟件的發(fā)展史、基礎(chǔ)知識等做了相關(guān)介紹，尤其對SimPowerSystems做詳細(xì)闡述，在Simulink的仿真中，主要是運(yùn)用到SimPowerSystems里的相關(guān)模塊。第四，在老師的指導(dǎo)下做他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第五，利用MATLAB編程及MATLAB中的SIMULINK模塊對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性進(jìn)行仿真并調(diào)試得出最佳仿真結(jié)果

15、。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 直流電動(dòng)機(jī)/啟動(dòng)/短路/轉(zhuǎn)矩特性/機(jī)械特性/MATLAB</p><p>　　Simulation Study on characteristics of separately excited DC motor</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　T

16、his paper introduces in the principle of DC generator and excitation DC generator operating characteristics, in Shunt DC generator characteristic test after using MATLAB to analyze the characteristic of Shunt DC generato

17、r. The contrast between the two that the experiment and simulation results. The use of MATLAB/SIMULINK simulation, excitation DC generator external characteristic simulation and DC generator regulation characteristic sim

18、ulation.</p><p>　　Thesis is divided into four parts, the fist of the motor application development has made the related description. Second on the structure and the principle of the DC generator is introduce

19、d in detail, through to the excitation DC generator structure of understanding, for excitation DC generator simulation done foundation. In third, under the guidance of the teacher do excitation DC generator characteristi

20、c test, the experimental data. On the MATLAB simulation software development beginning, bas</p><p>　　Key Words: DC motor;boot ;short;torque; mechanical properties</p><p><b>　　1 緒論</b>

21、;</p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　電能是能量的一種形式，且電能與其他形式能量相比，電能具有明顯的優(yōu)勢。在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中，電能已經(jīng)成為使用最為廣泛的一種能源。因?yàn)樗阌谧詣?dòng)控制、集中管理和遠(yuǎn)距離輸送。在電力工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、工礦企業(yè)、化學(xué)工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活等方面都用到電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為各

22、種工作機(jī)械提供動(dòng)力來源的一種設(shè)備。</p><p>　　由此可見，電動(dòng)機(jī)在我國國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中起著舉足輕重的作用，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電動(dòng)機(jī)的種類日益繁多。但直流電機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛。但由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。</p><p>　　另外在科學(xué)研究和工程應(yīng)

23、用的過程中，往往需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，傳統(tǒng)的紙筆和計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能從根本上滿足海量計(jì)算的要求，一些技術(shù)人員嘗試使用Basic，F(xiàn)ortran；C/C++等語言編寫程序來減輕工作量。但編程不僅僅需要掌握所用語言的語法，還需要對相關(guān)算法進(jìn)行深入分析，這對大多數(shù)科學(xué)工作者而言有一定的難度。與這些語言相比，Matlab的語法更簡單，更貼近人的思維方式。</p><p>　　Matlab問世以來，憑借其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力、出色

24、的數(shù)據(jù)圖形可視化技術(shù)及日益豐富的Simulink動(dòng)態(tài)仿真模型庫，迅速占領(lǐng)了工程技術(shù)領(lǐng)域各學(xué)科的仿真高地，成為首屈一指的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。在電機(jī)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域，很多教師、學(xué)生和工程技術(shù)人員也把Matlab作為教學(xué)、學(xué)術(shù)活動(dòng)和工程設(shè)計(jì)的重要仿真工具。</p><p>　　1.2 選題背景與目的</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)是社會(huì)生活中人們最先發(fā)明并使用的一種電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)在和交流電動(dòng)機(jī)的對比

25、下，直流電動(dòng)機(jī)由于一下幾個(gè)方面的原因而制約了其發(fā)展，分別是直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有時(shí)維護(hù)起來卻比較困難，而且相對交流電機(jī)，直流電機(jī)的價(jià)格也比較昂貴。但直流電動(dòng)機(jī)自身也有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如優(yōu)良的啟動(dòng)特性，調(diào)速和制動(dòng)性能。因此在現(xiàn)代生產(chǎn)的許多場合下，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用很廣泛。例如化工中的電鍍和電解等設(shè)備，以及直流電焊機(jī)和某些特殊場合下使用的大型同步電機(jī)的勵(lì)磁電源還有一些在移動(dòng)運(yùn)輸場合下使用的機(jī)械，在沒有交流電源情況下它們所需要的直流電源，依

26、然可以使用直流發(fā)電機(jī)來為其提供電源。</p><p>　　根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作原理的不同，直流電動(dòng)機(jī)包括他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)以及復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。</p><p>　　隨著MATLAB軟件的問世以來，憑出色的借該軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，還有其出色的數(shù)據(jù)圖形可視化技術(shù)以及越來越豐富而完善的Simulink動(dòng)態(tài)仿真模型庫，以迅雷不及掩耳之

27、勢占領(lǐng)了目前第一位的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。尤其是在電機(jī)和電器自動(dòng)化領(lǐng)域，絕大多數(shù)的教授、老師、學(xué)生還有工程技術(shù)人員，他們都不約而同的把Marlab軟件作為課堂授課，平時(shí)的學(xué)術(shù)交流還有工程設(shè)計(jì)的重要的仿真工具。</p><p>　　本課題的主要研究對象是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中最基本的工作特性曲線，如他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、人為特性、起動(dòng)、制動(dòng)以及調(diào)速等特性的研究。通過查閱相關(guān)內(nèi)容的資料，以及了解學(xué)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和Ma

28、tlab仿真軟件的發(fā)展及現(xiàn)狀，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真工具建立電機(jī)的仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果在驗(yàn)證了仿真模型可靠性的基礎(chǔ)上，再通過仿真模型的功能對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過這些過程來求解出直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的規(guī)律特征，最終的目的是促使直流電動(dòng)機(jī)在最優(yōu)化的狀態(tài)下進(jìn)行工作，這樣就能不斷地提高生產(chǎn)效率，從而得到最好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.3 本文的結(jié)構(gòu)內(nèi)容</p>&

29、lt;p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)，運(yùn)用MATLAB7.0仿真軟件，對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性進(jìn)行仿真研究。全文總共分為六章，各章的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　第一章 簡要地概述了本課題的選題背景、目的與研究現(xiàn)狀。</p><p>　　第二章 對直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、工作特性的介紹。</p><p>　　第三章 對MATLAB軟件進(jìn)行介

30、紹。</p><p>　　第四章 對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　第五章 運(yùn)用MATLAB仿真軟件來分析直流電動(dòng)機(jī)，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程以及其中的Simulink生成數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行仿真研究，從而得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和機(jī)械特性的仿真圖，并進(jìn)行分析。</p><p>　　第六章 應(yīng)用實(shí)例的研究。</p><p>

31、<b>　　第七章 結(jié)論。</b></p><p><b>　　2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)概述</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)的主要類型中的一種，其在工作時(shí)通過消耗直流電能而產(chǎn)生機(jī)械能的一種裝置。直流電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)具有非常好的調(diào)速性能，由于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代電力拖動(dòng)中得

32、到了廣泛的應(yīng)用，直流電動(dòng)機(jī)按照工作方式的不同，即勵(lì)磁方式的不同分為永磁直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和自勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三類，其中自勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)又分為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)三種。</p><p>　　圖2-1 直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2-1所示，圖中N極和S極是一對固定著不動(dòng)的磁極，這一對磁極用以產(chǎn)生所需要的磁場。一般除容量很小的電機(jī)仍

33、是用永磁磁鐵做成磁極外，容量較大的一些電機(jī)，磁場都是由直流勵(lì)磁電流通過繞在磁極鐵芯上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生。為了使圖面清晰可見，圖中只畫出了磁極的鐵芯，沒有畫出勵(lì)磁繞組。在N極和S極之間有一個(gè)可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機(jī)的這一部分成為電樞。實(shí)際電機(jī)中的電樞繞組嵌放在鐵心槽內(nèi)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流，圖中只畫出了代表電樞繞組的一個(gè)線圈，沒有畫出電樞鐵心。線圈兩端分別與兩個(gè)彼此絕緣而且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的圖片鏈接，通篇上有個(gè)壓著一個(gè)固定不動(dòng)的電樞

34、。如果像圖2-1表示那樣將電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械而負(fù)載相連，這是便有電流從電源的正極流出，經(jīng)電刷流入電樞繞組，然后經(jīng)電刷B流回電源的負(fù)極。在圖2-1所示位置時(shí)，線圈的ab邊在N極的作用下，cd在S極下，電樞繞組中的電流沿著a-b-c-d的方向流動(dòng)。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則來判斷。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞繞組的ab邊轉(zhuǎn)到了S極下，cd邊轉(zhuǎn)到了N<

35、/p><p>　　2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢</p><p>　　2.1.1.1 電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　在直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流和磁場之間相互作用產(chǎn)生的電磁力形成的。由物理學(xué)中的電磁力公式方程可知，電樞繞組中不論那一根導(dǎo)體上其所受的平均電磁力均為</p><p><b>　　F = Bli<

36、;/b></p><p>　　上式中，i為每一根導(dǎo)體上流過的電流；而B為每一個(gè)磁極下的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，每極磁通 除以每極的面積 就是它的值，也就是</p><p><b>　　B =</b></p><p>　　上式中， 是極距；l是磁極的軸向長度，也就是圓邊的有效長度。如果電樞半徑為R，那么由沒根導(dǎo)線上的電磁力所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為FR。

37、由電樞繞組的總匝數(shù)可知總導(dǎo)體數(shù)為4aN，再有電樞的周長為2pt，所以R= ，得電磁轉(zhuǎn)矩為T=4aN </p><p>　　由于電樞電流Ia=2ai,所以</p><p><b>　　T=</b></p><p>　　帶入CT=2pn/ 得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為T=CT </p><p>　　電樞電流和磁場兩

38、個(gè)的方向決定了電磁轉(zhuǎn)矩的方向，且電磁轉(zhuǎn)矩的方向隨著二者之一的改變而改變。在直流電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向是一樣的。</p><p>　　2.1.1.2 電動(dòng)勢</p><p>　　電動(dòng)勢的產(chǎn)生是因?yàn)榇鸥芯€被電樞繞組切割而出現(xiàn)的，由電磁感應(yīng)定律可知，電樞繞組上的每一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動(dòng)勢為</p><p><b>　　e=Blv</b>

39、;</p><p>　　根據(jù)電樞繞組的串聯(lián)總導(dǎo)體數(shù)以及切割磁感線的速度可知電樞繞組的電動(dòng)勢為</p><p>　　E=2Ne=2NBlv=2N</p><p>　　將CE=4pn/60帶入直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢方程里可知</p><p><b>　　E=CE n</b></p><p><b

40、>　　的單位為韋伯，</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向以及磁場的方向決定了電動(dòng)勢的方向，電動(dòng)勢的方向隨著二者之一的改變而改變。直流電動(dòng)機(jī)中的電動(dòng)勢方向和電樞電流的方向是相反的。</p><p>　　2.1.1.3 直流電動(dòng)機(jī)的功率</p><p>　　電動(dòng)機(jī)工作時(shí)是電能并產(chǎn)生機(jī)械能的裝置，所以電動(dòng)機(jī)的功率問題在電動(dòng)機(jī)中至關(guān)重要。機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)

41、時(shí)包含著輸入功率、輸出功率以及各種運(yùn)動(dòng)件之間產(chǎn)生的損耗，但是這些標(biāo)量之間的大小應(yīng)當(dāng)滿足能量守恒。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)必然會(huì)損耗能量，損耗的能量主要包括如下：</p><p>　　（1）銅耗：銅的消耗主要是由電樞、勵(lì)磁、換向極以及補(bǔ)償?shù)壤@組的銅的消耗再加上電刷和換向器連接在一起時(shí)電阻所產(chǎn)生的損失。銅消耗量的大小主要是因?yàn)殡娏鳌⒗@組的總電阻以及電刷之間的接觸電阻大小有關(guān)。</p><p>　?。?）鐵

42、耗：鐵的消耗是由于旋轉(zhuǎn)著的電樞鐵芯在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼片中的磁滯和渦流之間所產(chǎn)生的鐵的損耗量，這個(gè)稱之為不變損耗。</p><p>　　機(jī)械損耗：機(jī)械的損耗主要包括各運(yùn)動(dòng)副之間的的摩擦作用所產(chǎn)生的的阻尼損耗，如軸承內(nèi)圈和滾動(dòng)體之間，外圈和滾動(dòng)體之間所產(chǎn)生的摩擦，電刷摩擦之間的摩擦、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的摩擦還有電風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所損耗的功率。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，機(jī)械損耗可以近視為常數(shù)因子，可以看做為不變損耗。</p>

43、;<p>　?。?）附加損耗：由于齒輪齒槽之間存在泄露磁感線所引起的損耗。、和在電機(jī)沒有外加載荷時(shí)所產(chǎn)生的損耗，因而叫做空載損耗，即空載損耗等于其三者之和。</p><p>　　2.1.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理</p><p>　　如下圖便是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作電路圖。其中勵(lì)磁繞組和電樞繞組兩個(gè)繞組都有其專門的直流電源來供電，在勵(lì)磁電壓Uf的影響下，勵(lì)磁電流If通過勵(lì)磁繞組并

44、產(chǎn)生主磁極磁通，而若在電樞電壓Ua的作用下，電樞電流Ｉａ通過電樞繞組。電樞電流在磁場中運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩Ｔ驅(qū)動(dòng)某機(jī)械器件，使其以某一運(yùn)動(dòng)速度來運(yùn)轉(zhuǎn)，而通有電流的電樞繞組在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生電動(dòng)勢Ｅ。其中電動(dòng)勢Ｅ的方向和電樞中電流的方向相反。</p><p><b>　　3 MATLAB</b></p><p>　　3.1 MATLAB的背景知識&

45、lt;/p><p>　　3.1.1 MATLAB發(fā)展歷程</p><p>　　f在MATLAB仿真軟件產(chǎn)生之前，世界上的大多數(shù)軟件包都是依靠FORTRANC等編程語言編程開發(fā)的。但是這類軟件有許多的缺點(diǎn)，主要是使用面太窄，而且接口也比較簡陋，還有軟件的程序結(jié)構(gòu)也不夠開放，甚至還沒有標(biāo)準(zhǔn)的基庫，由于這些重重的原因?qū)е麓塑浖茈y跟上各個(gè)學(xué)科的發(fā)展腳步。隨著MATLAB仿真軟件的出現(xiàn)，新的軟件開發(fā)有

46、了基礎(chǔ)，在MATLAB問世不久之后的２０世紀(jì)80年代中葉，以前開發(fā)的軟件包逐漸被淘汰或是在MATLAB的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。</p><p>　　到了現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，還有MathWorks公司的不斷創(chuàng)新與完善，MATLAB仿真軟件已經(jīng)成為適應(yīng)各個(gè)學(xué)科，多種工作平臺(tái)的大型仿真軟件，軟件的強(qiáng)大功能已是無所不能。MATLAB仿真軟件在國外經(jīng)過了多年風(fēng)風(fēng)雨雨的考驗(yàn)?，F(xiàn)在在歐洲美國等一些一流二流高等院校，MATLAB已

47、經(jīng)成為多門學(xué)科必不可少的教學(xué)工具。而且也是大學(xué)生，碩士生，博士生取得學(xué)位所必須掌握的基本技能。在一些設(shè)計(jì)研究院和一些工業(yè)設(shè)計(jì)部門，MATLAB軟件已被廣泛用來解決各種科研中所遇到的種種實(shí)際問題。</p><p>　　3.1.2 MATLAB基本知識</p><p>　　MATLAB是由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境，除了具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供

48、了專業(yè)水平的符號計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言簡捷得多.MATLAB是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。</p><p>　　概括地講，整個(gè)MATLAB系統(tǒng)由兩部分組成，即MATLAB內(nèi)核及輔助工具箱，兩者的調(diào)用構(gòu)成了MATLAB的強(qiáng)大功能.MATLAB語言以數(shù)

49、組為基本數(shù)據(jù)單位，包括控制流語句，函數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級語言，它具有以下主要特點(diǎn)：</p><p>　?。?）運(yùn)算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高，MATLAB除了提供和C語言一樣的運(yùn)算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符。利用其運(yùn)算符號和庫函數(shù)可使其程序相當(dāng)間短，兩三行語句就可實(shí)現(xiàn)幾十行甚至幾百行C或FORTRAN的程序功能。</p><p>　?。?）既

50、具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句，if語句和switch語句)，又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦浴?lt;/p><p>　　圖形功能強(qiáng)大.它既包括對二維和三維數(shù)據(jù)可視化，圖像處理，動(dòng)畫制作等高層次的繪圖命令，也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的，低層次的繪圖命令</p><p>　　（3）功能強(qiáng)大的工具箱。工具箱可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要

51、用來擴(kuò)充其符號計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互的功能。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如優(yōu)化工具箱，統(tǒng)計(jì)工具箱，控制工具箱，小波工具箱，圖象處理工具箱，通信工具箱等。</p><p>　?。?）易于擴(kuò)充。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可修改源文件和加入自己的文件，它們可以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用。MATLAB由主包和功能各異的工具箱組成，其基本數(shù)

52、據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。正如其名“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，MATLAB起初主要是用來進(jìn)行矩陣運(yùn)算的。</p><p>　　經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，時(shí)至今日，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。</p><p>　　MATLAB提供了一種科學(xué)工程計(jì)算的高級語言，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析算法開發(fā)的忌辰開發(fā)環(huán)境。MATLAB7針對編程環(huán)境、代碼效率、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)學(xué)計(jì)算、文件I

53、/O等方面進(jìn)行了升級，概括起來有以下幾個(gè)方面。</p><p>　?。?）窗體：重新設(shè)計(jì)的桌面環(huán)境，針對多文檔界面應(yīng)用提供了簡便的管理和訪問方法；增強(qiáng) 數(shù)組編輯器和工作空間瀏覽器的功能；增強(qiáng)了M文件編輯器，支持多格式源代碼分析。</p><p>　　（2）編程：支持創(chuàng)建嵌套函數(shù)和匿名函數(shù)功能，同時(shí)增強(qiáng)了模塊化注釋的功能。</p><p>　?。?）數(shù)學(xué)：支持整數(shù)的

54、算術(shù)運(yùn)算和單精度數(shù)學(xué)類型運(yùn)算。</p><p>　?。?）圖形：新的圖形窗體界面和圖形窗體注釋，同時(shí)使用了數(shù)據(jù)偵測工具，提供了豐富的數(shù)據(jù)觀測手段。</p><p>　　（5）接口：新增文件I/O函數(shù)，使得具有壓縮功能的MAT文件格式具備了支持快速數(shù)據(jù)文件I/O的能力；支持COM、VBS、SOAP、FTP和Unicode編碼格式。</p><p>　　許多工具箱都得到

55、了升級的同時(shí)，在Release 14中添加了學(xué)多新特性。</p><p>　　3.2 Simulink 概述</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等

56、優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 </p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連

57、續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p>　　3.2.1 簡述 Simulink 和 MATLAB集成</p>

58、;<p>　　SimPowerSystem 與 Simulink 和 MATLAB 是無縫結(jié)合在一起的。仿真仍</p><p>　　可使用 Simulink 強(qiáng)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(jì) 來精確的計(jì)算電氣系統(tǒng)模型。另外， Simulink 的零點(diǎn)穿越檢測功能，能以機(jī)器數(shù)據(jù)精度水平計(jì)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

59、，并進(jìn)一步作整個(gè)完整系統(tǒng)的建摸，仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 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。</p><p>　　Powergui 交互式工具模塊提供的工具可以達(dá)到這樣的效果：</p><p>　?。?）顯示穩(wěn)態(tài)電壓和電流。</p><p>　?。?）顯示并修改初始狀態(tài)量。</p

60、><p>　?。?）計(jì)算潮流和初始化機(jī)電摸塊。</p><p>　　（4）當(dāng)模型中存在電抗測量模塊時(shí)可顯示電抗相對頻率的變化。</p><p>　　（5）可使用控制系統(tǒng)工具箱的 LTI Viewer 工具，進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)域、頻域</p><p><b>　　響應(yīng)分析 。</b></p><p>　　（6

61、）生成穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析報(bào)告 。</p><p>　　3.2.2 仿真和分析</p><p>　　4 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　1、掌握用實(shí)驗(yàn)的方法來測定他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。</p><p>　　2、掌握測定他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

62、在不受載荷時(shí)能量損耗的方法。</p><p><b>　　4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　1、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性測定</p><p>　　2、電機(jī)的效率特性測定</p><p>　　3、電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性測定</p><p>　　4、電機(jī)在空載時(shí)損耗的測定</p><p&g

63、t;　　4.3實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理</p><p>　　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(lì)磁電流If 和IfN相等且為常數(shù)時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度n，電磁轉(zhuǎn)矩T以及機(jī)械效率h與輸出功率P2的關(guān)系即為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。即n、T、h=f（P2）。在實(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)的工作特性也可表示為n、T、h

64、=f（Ia）。直流電動(dòng)機(jī)的工作特性分別稱為速度特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。</p><p>　　速度特性是指電壓U=UN =常數(shù)、勵(lì)磁電流If=IfN =常數(shù)時(shí)，n=f（P2）的關(guān)系曲線。從直流電動(dòng)機(jī)速度特性表達(dá)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(shí)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有略為下降的速度特性。</p>&l

65、t;p>　　轉(zhuǎn)矩特性是指電壓U=UN =常數(shù)、勵(lì)磁電流If=IfN =常數(shù)時(shí)，T=f（P2）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性表達(dá)式可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速為常數(shù)時(shí)，T=f（P2）是一條直線。但實(shí)際上P2增大時(shí)，轉(zhuǎn)速略有下降，故T=f（P2）將略為向上彎曲。</p><p>　　效率特性是指電壓U=UN=常數(shù)、勵(lì)磁電流If =IfN =常數(shù)時(shí)，h=f（P2）的關(guān)系曲線。求取效率特性時(shí)，需測量電動(dòng)機(jī)的冷態(tài)電樞電阻、周圍介質(zhì)溫度以及電

66、動(dòng)機(jī)的空載損耗。為了測取空載損耗，則需拆開聯(lián)軸器，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓UN 、額定勵(lì)磁電流IfN情況下單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，讀取直流電動(dòng)機(jī)的空載電流和轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)的效率</b></p><p>　　式中：P1——電動(dòng)機(jī)輸入功率。</p><p>　　P2——電動(dòng)機(jī)輸出功率?？筛鶕?jù)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速和電樞電流，從其校正曲線上查

67、出。</p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)的空載損耗</b></p><p><b>　　1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表4-1所示。</p><p><b>　　表4-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　4.3 實(shí)驗(yàn)方法

68、 </p><p><b>　　1、觀察自勵(lì)過程</b></p><p>　　1）先切斷電樞電源，然后斷開勵(lì)磁電源使電機(jī)MG停機(jī)，同時(shí)將啟動(dòng)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(dòng)做好準(zhǔn)備。在斷電的條件下將發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁方式從他勵(lì)改為并勵(lì)，接線如圖2-4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。</p>

69、<p>　　2）先接通勵(lì)磁電源，然后啟動(dòng)電樞電源，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用直流電壓表測量發(fā)電機(jī)是否有剩磁電壓，若無剩磁電壓，可將并勵(lì)繞組改接成他勵(lì)方式進(jìn)行充磁。</p><p>　　3）合上開關(guān)S逐漸減小，觀察發(fā)電機(jī)電樞兩端的電壓，若電壓逐漸上升，說明滿足自勵(lì)條件。如果不能自勵(lì)建立電壓，將勵(lì)磁回路的兩個(gè)插頭對調(diào)即可［6］。</p><p>　　4）對應(yīng)

70、著一定的勵(lì)磁電阻，逐步降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)電壓隨之下降，直至電壓不能建立，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　2、測外特性</b></p><p>　　圖4-1 直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)接線圖</p><p>　　1）按圖4-1接線。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻到最大,合上負(fù)載開關(guān)。</p><p>　　2）調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁場

71、調(diào)節(jié)電阻、發(fā)電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)電阻和負(fù)載電阻，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流三者均達(dá)額定值，即，，。記錄此時(shí)的勵(lì)磁電流值，即為額定勵(lì)磁電流。</p><p>　　3）保持額定值時(shí)的阻值及不變，逐次減小負(fù)載，直至=0，從額定到空載運(yùn)行范圍內(nèi)每次測取發(fā)電機(jī)的電壓和電流。</p><p>　　4）共得出數(shù)據(jù)如表4-2所示。</p><p>　　表4-2 =常值&

72、lt;/p><p><b>　　4.4 注意事項(xiàng)</b></p><p>　　1、直流電動(dòng)機(jī)MG起動(dòng)時(shí)，一定要注意須將調(diào)到最大，調(diào)到最小，先接通勵(lì)磁電源，觀察到勵(lì)磁電流為最大后，然后再接通電樞電源，使MG起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。起動(dòng)完畢，應(yīng)將調(diào)到最小。</p><p>　　2、做外特性時(shí)，當(dāng)電流超過0.4A時(shí),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

73、變阻器損壞。</p><p><b>　　3、觀察自勵(lì)過程。</b></p><p>　　4、測外特性 保持使=常數(shù)，測取</p><p><b>　　4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　由驗(yàn)數(shù)據(jù)作出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性曲線，如圖4-3所示。</p><p>　　圖

74、4-3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性曲線</p><p>　　由圖4-3可以看出，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)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(shí)的端電壓比空載時(shí)的端電壓低，這是由以下原因引起的：第一，負(fù)載增加時(shí)，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(dòng)勢隨之減小，引起下降。第三，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組是跨接在電樞兩端的，由于發(fā)電機(jī)輸出端電壓下降，造成勵(lì)

75、磁電流的減小，磁通的減小，電樞電動(dòng)勢降低，又導(dǎo)致端電壓進(jìn)一步下降，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性曲線下垂的更多更快。</p><p>　　5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性仿真</p><p>　　5.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自激的仿真</p><p>　　5.1.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的自勵(lì)過程</p><p>　　一般電機(jī)的主磁極鐵心中有剩磁存在。當(dāng)電機(jī)空載，并

76、由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中馬上就會(huì)感應(yīng)出一個(gè)微小的電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢作用于勵(lì)磁回路就會(huì)產(chǎn)生微弱的勵(lì)磁電流。如勵(lì)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(lì)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(huì)繼續(xù)增長，電樞電壓隨之逐步建立起來［7］。由此看出，并勵(lì)發(fā)電機(jī)是一個(gè)電壓直接反饋系統(tǒng)，它的自勵(lì)建壓過程是一種反饋?zhàn)饔?。既把輸出量（剩磁電壓）回饋到輸入端（?lì)磁繞組），產(chǎn)生勵(lì)磁電流，以加強(qiáng)系統(tǒng)的輸入量（氣息磁場），使發(fā)電機(jī)依靠剩磁

77、自勵(lì)建立的電壓逐步升高起來。但這個(gè)依靠自勵(lì)建起的電壓能否達(dá)到所需的穩(wěn)定值，還需對自勵(lì)過程做進(jìn)一步分析。</p><p>　　圖 5-1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的自勵(lì)</p><p>　　1——空載曲線；2——?jiǎng)?lì)磁電阻線；3——臨界電阻線</p><p>　　圖 5-2 臨界電阻與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　直流電機(jī)的空載電壓與勵(lì)磁電流首先必須

78、滿足圖5-1所示的空載曲線。</p><p>　　另外，勵(lì)磁回路電壓方程為式（5-1）,即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式（5-1）中，是勵(lì)磁回來總電阻。</p><p>　　方程（5-1）是勵(lì)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(lì)磁電流必須同時(shí)滿足空載曲

79、線和勵(lì)磁電阻線，其交點(diǎn)就是并勵(lì)發(fā)電機(jī)空載電壓的穩(wěn)定工作點(diǎn)。</p><p>　　在建立電樞電壓的過程中，勵(lì)磁電流一直在上升，此勵(lì)磁回路的電壓平衡方程為式（5-2），即</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式（5-2）中是勵(lì)磁繞組的電感。</p><p>　　由圖5-1可見，電壓和電阻壓降之

80、差，就是勵(lì)磁繞組的自感電壓L。當(dāng)時(shí)，，勵(lì)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(shí)，如圖中曲線1和直線2的交點(diǎn)A此時(shí)勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的勵(lì)磁電壓正好與勵(lì)磁回路中的電阻壓降相平衡，勵(lì)磁電流不再增大，發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定于土中A點(diǎn)，這時(shí)發(fā)電機(jī)已經(jīng)建立起正常電壓。</p><p>　　由圖5-1可見，當(dāng)增加勵(lì)磁回路中的電阻時(shí)，可以使回路的總電阻變大，即增加電阻的斜率，則交點(diǎn)A將沿著空載特性曲線向原點(diǎn)移動(dòng)，空載電壓逐

81、步下降，當(dāng)電阻線與空載特性曲線的直線部分重合時(shí)，便沒有固定的交點(diǎn)，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(lì)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(jī)有不同的空載特性，因而也有不同的臨界電阻。圖5-2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］。</p><p>　　由此可見，并勵(lì)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自勵(lì)還必須使勵(lì)磁回路的總電阻小于與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。</p&

82、gt;<p>　　綜上分析，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)建起穩(wěn)定電壓必須同時(shí)具備以下三個(gè)條件，缺一不可。</p><p>　?。?）電機(jī)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(jī)，如果剩磁太弱或已消失，可用其他直流電源向勵(lì)磁繞組通電“充磁”使電機(jī)重新獲得剩磁。</p><p>　?。?）勵(lì)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(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁方向一致

83、。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(shí)應(yīng)將勵(lì)磁繞組接到電樞的兩個(gè)端子對調(diào)。</p><p>　?。?）勵(lì)磁回路的總電阻應(yīng)小于發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。一般發(fā)電機(jī)都在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此，應(yīng)調(diào)節(jié)，使總電阻應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)的臨界電阻。</p><p>　　5.1.2 建立數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自激原理，設(shè)置一臺(tái)

84、直流發(fā)電機(jī)，額定電壓為230V，額定轉(zhuǎn)速為980r/min，勵(lì)磁繞組的電阻和電感分別為22.8歐和12H，電樞繞組的電阻和電感忽略不計(jì)。在額定轉(zhuǎn)速下建模仿真電機(jī)的自激過程并求出穩(wěn)態(tài)電壓。數(shù)據(jù)如表5-1所示。</p><p>　　表5-1 勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢數(shù)據(jù)</p><p>　　假設(shè)發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢為，如圖5-3所示，當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，該電動(dòng)勢在勵(lì)磁繞組和電樞繞組構(gòu)成的閉合回路中產(chǎn)生

85、電流，對該回路列寫基爾霍夫電壓方程，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　圖5-3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)</p><p>　　方程式（5-3）就是發(fā)電機(jī)自激的數(shù)學(xué)模型。方程（5-3）中，空載電動(dòng)勢與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系即電機(jī)的空載特性曲線，可以根據(jù)已知的空載特性試驗(yàn)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

86、中勵(lì)磁電流、感應(yīng)電動(dòng)勢的變化規(guī)律。</p><p>　　5.1.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)</p><p>　　MATLAB程序設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)步驟［9］。而解方程的腳本函數(shù)實(shí)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(jì)算等幾個(gè)步

87、驟。</p><p>　　MATLAB仿真程序如下：</p><p>　　自激過程微分方程的M—函數(shù)</p><p>　　% 編寫建立自激過程微分方程的M—函數(shù)</p><p>　　% 將該M—函數(shù)定義為sh-ge-se-ex-ode(shunt-generator-self-excited-ode)</p><p>

88、;　　% 首先指定全局變量</p><p>　　global a1 a2 a3 a4 Rf</p><p>　　% 下面輸入電機(jī)基本數(shù)據(jù)</p><p>　　lf=22;Rf=22.8</p><p>　　% 下面輸入空載特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Ifdata是勵(lì)磁電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Eadata </p><p>　　% 是感應(yīng)電

89、動(dòng)勢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）</p><p>　　ifdata=[0,2,3.2,4.8,5.5,6.5,8.2,11.7];</p><p>　　eadata=[10,100,150,200,220,244,266,281];</p><p>　　% 下面進(jìn)行曲線擬合</p><p>　　a=polyfit(Ifdata,Eadata,3);</

90、p><p>　　%求取空載特性的多項(xiàng)式擬合系a(i)</p><p>　　% 下面列寫標(biāo)準(zhǔn)形式微分方程并將感應(yīng)電動(dòng)勢用勵(lì)磁電流的擬合多項(xiàng)式% 函數(shù)表示這里的a(1)、a(2)、a(3)、a(4)是指上一步的多項(xiàng)式擬合系數(shù) % a(i)</p><p><b>　　% 給全局變量賦值</b></p><p&g

91、t;　　a1=a(1)、a2=a(2)、a3=a(3)、a4=(4)；</p><p>　　% 求解自激過程微分方程的腳本函數(shù)</p><p>　　% 將該腳本函數(shù)定義為sh-ge-ex-so(shunt-generator-self-excited-solver)</p><p>　　% 選擇微分方程解算指令ode23()</p><p>

92、　　[t,iff]=ode23(@sh-ge-se-ex-ode,[0 10],[0])</p><p>　　% 指定全局變量（注意全局變量必須在同時(shí)使用的多個(gè)函數(shù)中同時(shí)指定）global a1 a2 a2 a4 Rf</p><p>　　% 繪圖（這里采用多子圖法同時(shí)繪制ea=f(if)、uf=f(if)、ea=f(t)、if=(t)等%多條曲線）</p><p&g

93、t;　　% 首先繪制ea=f(if)和uf=f(if)曲線</p><p>　　subplot(3,1,1)</p><p>　　ea=a1*iff.＾3+a2*iff.＾2+a3*iff.＾1+a4;</p><p>　　plot(iff,ea)</p><p><b>　　hold on</b></p>

94、<p>　　uf=Rf.*iff;</p><p>　　plot(iff,ea)</p><p><b>　　hold on </b></p><p>　　uf=Rf.*iff;</p><p>　　plot(iff,uf,’r’);%’r’表示用紅色顏色繪制曲線</p><p>　　

95、% 下面指定縱橫軸標(biāo)簽</p><p>　　xlabel(‘If[A]’)</p><p>　　yabel(‘Ea\Uf[V]’)</p><p>　　% 下面繪制if=f(t)曲線</p><p>　　subplot(3,1,3)</p><p>　　plot(t,iff);</p><p>

96、　　xlabel(‘Time[T]’)</p><p>　　ylabel(‘If[A]’)</p><p>　　% 下面繪制ea=f(t)曲線</p><p>　　subplot(3,1,2),</p><p>　　plot(t,iff.＾3+a2*iff.＾2+a3*iff.＾1+a4))；</p><p>　　xl

97、abel(‘Time[T]’)</p><p>　　ylabel(‘ea[V]’)</p><p>　　% 下面計(jì)算勵(lì)磁電流和感應(yīng)電動(dòng)勢的數(shù)值，然后通過MATLAB指令窗口% 讀取二者的穩(wěn)態(tài)值</p><p>　　iff,a1*iff.＾3+a2*iff.＾2+a3*iff.＾1+a4</p><p>　　5.1.4 仿真結(jié)果</p&g

98、t;<p>　　在MATLAB主程序窗口運(yùn)行腳本函數(shù)名，可以得到求解結(jié)果，包括穩(wěn)態(tài)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢及仿真波形。</p><p>　　iff=12.8672</p><p>　　ea=293.5366</p><p>　　仿真波形如圖5—3所示。</p><p>　　圖5-3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自激過程</p><

99、p>　　由圖可以看出勵(lì)磁電流、電動(dòng)勢都是隨時(shí)間而增加的。磁場增強(qiáng)，電樞電動(dòng)勢增加，電壓加大，隨時(shí)間如此下去，電樞繞組產(chǎn)生的電壓慢慢升高；由于電機(jī)磁路具有飽和特性，磁路飽和后，磁通量不再增大，電壓也不再升高，得到一個(gè)穩(wěn)定值。</p><p>　　5.1.5 建立SIMULINK仿真模型</p><p>　　該模型主要用到線性插值(Look-up Table)、比例、積分、示波器等模塊。

100、其中線性插值在本書中第一次用到，它位于Simulink/LookUpTable庫中，如圖5-4 發(fā)電機(jī)自激過程SIMULINK仿真模型。</p><p>　　圖5-4 發(fā)電機(jī)自激過程SIMULINK仿真模型</p><p>　　下面對模塊 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 發(fā)電機(jī)自激過程SIMULINK仿真模型線性插值模塊參數(shù)設(shè)置</

101、p><p>　　注：該模塊是空載特性模塊，實(shí)際上這是一個(gè)Look-Up Table模塊，存在于SIMULINK\Look-Up Table模塊庫中，起作用類似于插值。該模塊在參數(shù)設(shè)置時(shí)需要指定輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，本實(shí)例則是將空載特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的勵(lì)磁電流置入輸出欄。仿真模型運(yùn)行時(shí)，該模塊根據(jù)輸入的勵(lì)磁電流大小自動(dòng)進(jìn)行插值并計(jì)算出輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的大小。</p><p>　　對增益模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如

102、圖5-6所示。</p><p><b>　　圖5-6 增益模塊</b></p><p>　　對可控電源模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 可控電源模塊</p><p>　　對增益模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如圖5-8所示。</p><p><b>　　圖5-8 增益模塊&

103、lt;/b></p><p>　　對積分模塊 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如圖5-9所示。</p><p><b>　　圖5-9 積分模塊</b></p><p>　　5.1.6 仿真結(jié)果</p><p>　　發(fā)電機(jī)自激過程仿真結(jié)果如圖5-10所示。</p><p>　　圖5-10 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自

104、激過程仿真結(jié)果</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)和仿真可以得出以下結(jié)論：兩種方式下仿真出來的結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁通方向相同，磁場增強(qiáng)，電樞電動(dòng)勢增加，電壓加大，隨時(shí)間如此下去，電樞繞組產(chǎn)生的電壓慢慢升高；由于電機(jī)磁路具有飽和特性，磁路飽和后，磁通量不再增大，電壓也不再升高，得到一穩(wěn)定值。 </p>&l

105、t;p>　　5.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性的仿真</p><p>　　5.2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性分析</p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的外特性，是指轉(zhuǎn)速n=常數(shù)、勵(lì)磁回路總電阻不變時(shí)的曲線。外特性也可用圖所示線路用實(shí)驗(yàn)方法測得。在發(fā)電機(jī)建立電壓后，合上開關(guān)Q，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻以改變負(fù)載電流I。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓變化率約在20%～30%之間，當(dāng)負(fù)載電流由零開始增加時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的外特性

106、比他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性下降得快。因?yàn)椴?lì)發(fā)電機(jī)的電壓隨負(fù)載電流的增加而下降的原因，除與他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)同樣有電阻壓降和電樞反應(yīng)區(qū)磁兩個(gè)因素外，還有第三個(gè)因素，那就是由以上兩個(gè)因素引起的電壓下降又導(dǎo)致勵(lì)磁電流的降低，這一因素在磁路飽和時(shí)引起的電壓下降較小，但當(dāng)負(fù)載電阻減小到一定程度，電樞電壓下降較大，勵(lì)磁電流明顯減小了，磁路推出飽和，這樣第三因素的影響就加大了。當(dāng)再減小到一定程度，由于勵(lì)磁電流下降導(dǎo)致電樞電壓降低，使負(fù)載電流不增加，反而隨

107、的減小而減小。當(dāng)變?yōu)榱銜r(shí)，電樞電壓也變?yōu)榱?，這時(shí)的短路電流實(shí)際上僅由剩磁電壓產(chǎn)生，其數(shù)值較?。?0］。</p><p>　　5.2.2 建立數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)原理，設(shè)置一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，額定電壓為220V，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，勵(lì)磁電流為22.8A，勵(lì)磁繞組的電阻為293/12;已知它在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的外特性數(shù)據(jù)如表5-2所示。</p><

108、p>　　表5-2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的外特性</p><p>　　直流發(fā)電機(jī)的外特性是指電機(jī)負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)端電壓和負(fù)載電流之間的關(guān)系式，即</p><p><b>　　（5-4）</b></p><p>　　根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算公式（5-5），即</p><p><b>　?。?-5）</b>&

109、lt;/p><p>　　需要指出的是，對并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，E將不再為常數(shù)，這時(shí)候負(fù)載變化導(dǎo)致電壓的變化規(guī)律將更加復(fù)雜。因此研究并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性可以從以下幾步入手。</p><p>　　首先，以勵(lì)磁電流作為自變量并假設(shè)其變化范圍，然后通過查找電機(jī)的空載特性,得到對應(yīng)勵(lì)磁電流下的發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢。</p><p>　　其次，根據(jù)勵(lì)磁支路伏安關(guān)系確定相應(yīng)的工作電壓

110、。</p><p>　　再次，根據(jù)負(fù)載支路伏安關(guān)系確定相應(yīng)的負(fù)載電流。</p><p>　　最后，根據(jù)上述工作電壓和負(fù)載即可求取發(fā)電機(jī)的外特性。</p><p>　　5.2.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)</p><p>　　% 直流發(fā)電機(jī)外特性分析</p><p>　　% -------------------------

111、---------------------------------------------------------------------</p><p>　　% 下面輸入電機(jī)基本數(shù)據(jù)</p><p>　　% nN發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，IfN勵(lì)磁電流，Rf勵(lì)磁電阻，k電樞反應(yīng)系數(shù) </p><p>　　nN=1000;IfN=2.5;Rf=293/12;Ra=1.8;k=.1

112、;E0=271</p><p>　　% 下面輸入750r/min時(shí)的空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)（Idata是勵(lì)磁電流，Eadata是感應(yīng)電動(dòng)勢）</p><p>　　Ifdata=[ 0, 0.4, 1.0, 1.6, 2.0, 3.0, 8.5 12]; </p><p>　　Eadata=[15, 43, 88, 130, 150, 193.5, 290, 2

113、91 ]; </p><p>　　%-----------------------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　% 下面進(jìn)行空載特性擬合</p><p>　　p=polyfit(Ifdata,Eadata,3);</p>

114、<p>　　If=0:.01:12;</p><p>　　% 進(jìn)行勵(lì)磁電流參數(shù)重新設(shè)置</p><p>　　Ea=polyval(p,If);</p><p>　　% 計(jì)算對應(yīng)于擬合曲線的感應(yīng)電動(dòng)勢</p><p>　　%------------------------------------------------------