基于Simulink的交磁式電機擴大機運行特性仿真

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410111）

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基于Simulink的交磁式電機擴大機運行特性仿真

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410111）

摘要：分析了交磁式擴大機以及普通直流電機的基本方程，使用MATLAB Simulink對某型艦用交磁式擴大機及他勵直流發電機進行仿真，對仿真結果進行了對比。并運用仿真結果解釋了該型擴大機曾出現的批次性質量問題的原因并解決了該問題，保證了產品質量，為交磁式擴大機的故障分析提供了理論基礎。

關鍵詞：交磁擴大機直流電機仿真

0　引言

交磁式電機擴大機是一種特殊的直流發電機，它的工作原理與普通直流電機的區別主要在于交磁式擴大機利用了交軸電樞反應磁場，從而可用一套電樞繞組實現兩級放大作用［1］。這類電機在早期有較廣泛的應用，如今雖然大部分被電力電子設備替代，但在艦船上仍有一定的應用。為了便于對該型電機進行故障分析，采MATLAB/Simulink模塊對該型電機進行運行特性仿真。

1　交磁式擴大機的基本方程

交磁式擴大機原理圖如圖1所示，根據其各繞組分布情況，可得出基本方程如下：

圖1　交磁式擴大機原理圖

其中Mad、Maq分別為縱、橫軸勵磁繞組與電樞繞組的互感系數，Lfd、Lfq分別為縱、橫軸勵磁繞組自感系數，ψfd、ψfq分別為縱橫軸勵磁繞組總磁鏈，Ld、Lq分別為縱、橫軸電樞繞組自感系數，ψd、ψq分別為縱橫Q勢比例常數，φd、φq為氣隙中的縱、橫軸中的磁通。

φd顯然與ifd、id具有一定線性比例關系，φq同理，故可寫作：

假定氣隙磁場沿電樞表面正弦分布、電樞繞組沒有漏磁通并忽略電樞電勢脈動的條件下，可推導出［2］：

將其與式（7）～（10）比較，可得：

顯然交磁式擴大機無q軸勵磁繞組，且q軸電刷被短接，故Maq=0且uq=0。對于有補償繞組的擴大機，在完全補償的情況下，由電樞電流id產生的磁通被完全抵消，可認為Mad=0。在給定負載電阻rL，負載電抗LL的情況下，將 Maq=0及uq=0及（10）～（13）式代入（1）～（8）式，運用特征矢量法最終求解得：

該式就是交磁式擴大機在將電樞及補償繞組的電阻電感考慮為負載電阻電感的一部分時，輸出電壓與輸入電壓的傳遞函數表達式。

2　交磁式擴大機的與普通直流電機的仿真對比

選用zkk400型電機作為仿真對象，ω=1500·2π/60=50π rad/s，rfd=17.72 Ω，Lq=0.017 H，Mad=0.042 H，Lfd=0.12 H，rq=ra+rb=0.034+0.011=0.045 Ω，其中ra為電樞繞組，rb為電刷接觸電阻。其額定勵磁電流為610 mA，額定輸出電壓為230V。

其輸出電壓的仿真結果如下圖所示：

圖2　zkk400擴大機輸出電壓

對于普通他勵直流發電機，采用上述同樣的方法可求得：

其中ud為電機內電勢。

選擇的他勵直流發電機參數為：ω=1050×2π/60=35π rad/s，rfd=200 Ω，電樞電感La=0.024 H，勵磁繞組電感Lfd=0.6 H，互感M=6.2 H，ufd=440V。

其輸出電壓（內電勢）的仿真結果如下圖所示：

圖3　普通直流發電機輸出電壓

顯然，交磁式擴大機的輸出電壓相對于控制電壓經過2級放大，其電壓放大系數為：

而普通直流電機的相當于一階慣性放大環節［3］，其電壓放大系數為：

3　運用仿真結果解決實際問題

在實際生產中，該型號交磁式擴大機曾出現過批次性質量問題，主要體現在電機運行時空載電壓持續跌落，需不斷增大勵磁電流才能維持電流恒定。由于產品年代久遠，對此問題原因查找頗費了一番周折。最終確定是由于在運行發熱后，碳刷與換向器表面接觸情況變差，導致接觸電阻不斷增大，最終影響電機輸出電壓，下面以仿真說明。

假設上述交磁式擴大機接觸電阻由0.011增加到0.02 Ω，則其輸出電壓如下圖所示：

圖4　接觸電阻變化后擴大機輸出電壓

顯然，電機輸出電壓減少至約190V，較額定電壓跌落了約17.3%，所以必須補充勵磁電流才能維持輸出電壓恒定。而通過普通直流發電機的傳遞函數可知接觸電阻的變化對電機內電勢的影響可以忽略，其電刷壓降雖然增加了一倍，但仍可以忽略，所以普通直流電機這種程度的接觸電阻變化的影響可以忽略不計。正是由于交磁式擴大機的特殊性，其輸出電壓相當于經過兩級放大，電機內部一些較小的參數變化都可能導致輸出電壓發生較大變化。

4　結論

通過分析交磁式擴大機的基本方程以及普通直流電機的基本方程，并通過MATLAB進行仿真，可以很直觀的對兩者的性能進行比較，并可以運用交磁式擴大機的基本方程及仿真結果解決出現的實際問題。

參考文獻：

［1］黃立鈁，徐權.電機放大機［M］.上海：上?？茖W技術出版社，1965.

［2］高景德，張麟征.電機過渡過程的基本理論及分析方法［M］.北京：科學出版社，1985.

［3］辜承林.機電動力系統分析［M］.武漢：華中科技大學出版社，1998.

Operating Characteristics Simulation of Cross Magnetic-type Expansion Motor by Simulink

Gao Lifu，Liu Yiqiang，Sun Liangyou
（Naval Representatives Office in Hunan，Xiangtan 411101，Hunan，China）

Abstract:The basic equation of cross magnetic type expansion motor and DC motor is analyzed.A kind of cross magnetic-type expansion motor and DC motor used on ship are simulated by the Simulink，and the simulation result are compared with each other.The reason of the batch quality problem of the motor is explained by use of the simulation results，and the problem is solved，that ensures the product quality and provides a theoretical basis to analyze the problem of the cross magnetic type expansion motor.

Keywords:cross magnetic type expansion motor； simulation

中圖分類號：TM33

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0061-03

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：高立夫（1989-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程。