基于Simulink的幅壓并勵直流電動機運行特性仿真

高立夫，劉軼強，孫良友

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基于Simulink的幅壓并勵直流電動機運行特性仿真

高立夫，劉軼強，孫良友

（海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南湘潭411101）

分析了并勵直流電動機的等效電路及數學模型，并通過MATLAB中的Simulink功能對某型船用直流幅壓電機的運行特性進行建模，對該電機的空載、帶額定負載以及電壓突變時的運行狀況進行了仿真。抽取一臺樣機進行了試驗，通過仿真與試驗結果的對比，檢驗了建立的電機模型的準確性，說明可以通過該模型的仿真研究幅壓并勵直流電動機的各種工況，從而驗證電機的設計是否合理，保證電機可靠運行。

幅壓 并勵 直流電動機 Simulink 仿真

0 引言

幅壓直流電動機廣泛應用于由潛艇等由蓄電池供電的直流獨立電源系統，受蓄電池的浮動電壓影響，電機需要能夠在一個電壓范圍內正常工作。某型船用幅壓直流電機就是專門針對這種工況設計的一種特殊電機，該電動機供電方式為并勵式，其工作電源由蓄電池提供，電壓變化范圍為350~640 V，常態工作電壓為440 V，采用MATLAB中的Simulink模塊對該電機運行特性進行仿真研究，確保電機設計合理，可靠運行。

1 并勵直流電機數學模型

不考慮電機機械損耗時，直流并勵電機的等效電路圖如圖1所示，由圖1可推導出并勵直流電機的端口運動方程為[2]：

(1)

圖1 并勵直流電機等效電路圖

由該式推導得出電機狀態方程：

其中a，f分別為電樞繞組和勵磁繞組的電感，af為磁場與電樞繞組間的互感，ω為機械摩擦系數，為電機的角速度，L為電機的負載轉矩。

根據公式（2）可以得到并勵直流電機的數學模型如圖2所示，根據圖2即可設計仿真模型。

圖2 并勵直流電機數學模型

2 電機空載特性仿真

直流幅壓電機工作電壓范圍為350~640 V，額定電壓為N=440 V，額定轉速N=1050 r/min，額定功率N=15.7 kW，最大啟動電流小于150A，電樞繞組a=0.617 Ω，f=710 Ω，電樞電感a=0.024 H，勵磁繞組電感Lf=0.6H，互感af=6.2 H，忽略電機機械損耗，采用Simulink對該電機進行仿真。直流電機一般不允許采用直接啟動[3]，故該電機采用串電阻啟動的方式，電樞回路串入電阻阻值為3 Ω，=1 s時切除電阻1=1.8 Ω，=2 s時切除電阻2=1.2 Ω，空載時L=0，仿真模型如圖3所示。在仿真模型中，將啟動電阻算入電樞回路電阻，則其計算方法為：

圖3 并勵直流電動機仿真模型

仿真得到的電樞電流和轉速結果分別如圖4所示，可知空載起動時電樞電流最大不超過120 A，空載穩態轉速為1103 r/min。

圖4 空載時電樞電流與轉速

3 電機帶額定負載特性的仿真

當電機帶額定負載運行時，負載轉矩L=125.3 N·m，電機的仿真結果如圖5所示。

圖5 額定負載時電樞電流與轉速

由圖5可知電機帶額定負載起動時，電樞電流不超過120 A，穩態轉速為1049 r/min，電壓調整率為[4]：

由于電機工作電壓范圍在350~640 V，考慮電機工作電壓突然由440 V跌落至350 V和從440 V升至640 V兩種情況，在仿真模型中設置=5 s時電壓發生階躍，則其仿真結果如圖6所示。由圖可知，當工作電壓突然升至640 V時，穩態轉速為1077 r/min；當工作電壓突然降至350 V時，穩態轉速降至1017 r/min，并且在電壓發生突變時，電樞電流并沒有發生突變。

結合設計咨詢工作，在一些咨詢項目中已應用了開發的部分軟件，現在選擇了上海·中駿世界城、蘇州綠地中央廣場1#地塊項目作為軟件應用的示范工程，開始在工程中應用軟件，如圖12和圖13所示。

圖6 電壓變化時電樞電流與轉速結果

4 試驗對比

抽取一臺樣機進行空載、額定負載試驗，得到的試驗結果如表1所示，表中中的代表仿真值，代表試驗值。由下表可知仿真結果基本與試驗結果吻合，證明通過Simulink建立的電機模型基本準確，可以通過該模型的仿真來驗證電機的參數設計是否合理。

表1 空載、額定負載仿真值與試驗值之比（m/n）

5 結束語

通過Simulink建立幅壓并勵直流電動機的數學模型，對電機空載、負載等工況進行仿真，可以更好地掌握電機的運行特性，確保電機參數的設計合理可行。

[1] 姜曉戈, 吳旭升, 逯建軍. 幅壓直流電動機-中頻發電機控制技術[J]. 海軍工程大學學報, 2013, 25(1): 38-42.

[2] 辜承林. 機電動力系統分析[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 1998.

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

[4] 湯蘊璆, 羅應立, 梁艷萍. 電機學[M]. 北京: 機械工業出版社, 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。