基于Simulink的幅壓并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性仿真

高立夫，劉軼強(qiáng)，孫良友

?

基于Simulink的幅壓并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性仿真

高立夫，劉軼強(qiáng)，孫良友

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101）

分析了并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路及數(shù)學(xué)模型，并通過MATLAB中的Simulink功能對(duì)某型船用直流幅壓電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行建模，對(duì)該電機(jī)的空載、帶額定負(fù)載以及電壓突變時(shí)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了仿真。抽取一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，檢驗(yàn)了建立的電機(jī)模型的準(zhǔn)確性，說明可以通過該模型的仿真研究幅壓并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的各種工況，從而驗(yàn)證電機(jī)的設(shè)計(jì)是否合理，保證電機(jī)可靠運(yùn)行。

幅壓 并勵(lì) 直流電動(dòng)機(jī) Simulink 仿真

0 引言

幅壓直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于由潛艇等由蓄電池供電的直流獨(dú)立電源系統(tǒng)，受蓄電池的浮動(dòng)電壓影響，電機(jī)需要能夠在一個(gè)電壓范圍內(nèi)正常工作。某型船用幅壓直流電機(jī)就是專門針對(duì)這種工況設(shè)計(jì)的一種特殊電機(jī)，該電動(dòng)機(jī)供電方式為并勵(lì)式，其工作電源由蓄電池提供，電壓變化范圍為350~640 V，常態(tài)工作電壓為440 V，采用MATLAB中的Simulink模塊對(duì)該電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真研究，確保電機(jī)設(shè)計(jì)合理，可靠運(yùn)行。

1 并勵(lì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

不考慮電機(jī)機(jī)械損耗時(shí)，直流并勵(lì)電機(jī)的等效電路圖如圖1所示，由圖1可推導(dǎo)出并勵(lì)直流電機(jī)的端口運(yùn)動(dòng)方程為[2]：

(1)

圖1 并勵(lì)直流電機(jī)等效電路圖

由該式推導(dǎo)得出電機(jī)狀態(tài)方程：

其中a，f分別為電樞繞組和勵(lì)磁繞組的電感，af為磁場(chǎng)與電樞繞組間的互感，ω為機(jī)械摩擦系數(shù)，為電機(jī)的角速度，L為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)公式（2）可以得到并勵(lì)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示，根據(jù)圖2即可設(shè)計(jì)仿真模型。

圖2 并勵(lì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2 電機(jī)空載特性仿真

直流幅壓電機(jī)工作電壓范圍為350~640 V，額定電壓為N=440 V，額定轉(zhuǎn)速N=1050 r/min，額定功率N=15.7 kW，最大啟動(dòng)電流小于150A，電樞繞組a=0.617 Ω，f=710 Ω，電樞電感a=0.024 H，勵(lì)磁繞組電感Lf=0.6H，互感af=6.2 H，忽略電機(jī)機(jī)械損耗，采用Simulink對(duì)該電機(jī)進(jìn)行仿真。直流電機(jī)一般不允許采用直接啟動(dòng)[3]，故該電機(jī)采用串電阻啟動(dòng)的方式，電樞回路串入電阻阻值為3 Ω，=1 s時(shí)切除電阻1=1.8 Ω，=2 s時(shí)切除電阻2=1.2 Ω，空載時(shí)L=0，仿真模型如圖3所示。在仿真模型中，將啟動(dòng)電阻算入電樞回路電阻，則其計(jì)算方法為：

圖3 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)仿真模型

仿真得到的電樞電流和轉(zhuǎn)速結(jié)果分別如圖4所示，可知空載起動(dòng)時(shí)電樞電流最大不超過120 A，空載穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1103 r/min。

圖4 空載時(shí)電樞電流與轉(zhuǎn)速

3 電機(jī)帶額定負(fù)載特性的仿真

當(dāng)電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩L=125.3 N·m，電機(jī)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 額定負(fù)載時(shí)電樞電流與轉(zhuǎn)速

由圖5可知電機(jī)帶額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)，電樞電流不超過120 A，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1049 r/min，電壓調(diào)整率為[4]：

由于電機(jī)工作電壓范圍在350~640 V，考慮電機(jī)工作電壓突然由440 V跌落至350 V和從440 V升至640 V兩種情況，在仿真模型中設(shè)置=5 s時(shí)電壓發(fā)生階躍，則其仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)工作電壓突然升至640 V時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1077 r/min；當(dāng)工作電壓突然降至350 V時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降至1017 r/min，并且在電壓發(fā)生突變時(shí)，電樞電流并沒有發(fā)生突變。

結(jié)合設(shè)計(jì)咨詢工作，在一些咨詢項(xiàng)目中已應(yīng)用了開發(fā)的部分軟件，現(xiàn)在選擇了上海·中駿世界城、蘇州綠地中央廣場(chǎng)1#地塊項(xiàng)目作為軟件應(yīng)用的示范工程，開始在工程中應(yīng)用軟件，如圖12和圖13所示。

圖6 電壓變化時(shí)電樞電流與轉(zhuǎn)速結(jié)果

4 試驗(yàn)對(duì)比

抽取一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行空載、額定負(fù)載試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中中的代表仿真值，代表試驗(yàn)值。由下表可知仿真結(jié)果基本與試驗(yàn)結(jié)果吻合，證明通過Simulink建立的電機(jī)模型基本準(zhǔn)確，可以通過該模型的仿真來驗(yàn)證電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。

表1 空載、額定負(fù)載仿真值與試驗(yàn)值之比（m/n）

5 結(jié)束語

通過Simulink建立幅壓并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)空載、負(fù)載等工況進(jìn)行仿真，可以更好地掌握電機(jī)的運(yùn)行特性，確保電機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)合理可行。

[1] 姜曉戈, 吳旭升, 逯建軍. 幅壓直流電動(dòng)機(jī)-中頻發(fā)電機(jī)控制技術(shù)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 25(1): 38-42.

[2] 辜承林. 機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)分析[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 1998.

[3] 汪明軍, 榮軍, 吳祥營等. 基于MATLAB的直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的仿真研究[J]. 2013，7(3)：7-9.

[4] 湯蘊(yùn)璆, 羅應(yīng)立, 梁艷萍. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

Operation Characteristics Simulation of Shunt Amplitude Voltage DC Motor Based on Simulink

Gao Lifu, Liu Yiqiang, Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan , China)

TM331.2

A

1003-4862（2015）02-0056-03

2014-12-04

高立夫（1989-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程。