他励电动机仿真特性研究毕业设计.doc

学校代码：11517 学 号： HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计 题 目 他励直流电动机仿真特性研究 学生姓名 张少侠 专业班级 机械设计制造及其自动化 学 号 系 （部） 机械工程学院 指导教师(职称) 赵 玲 （讲师） 完成时间 2013年 月 目 录 摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 选题背景与目的11.3 本文的结构内容22 他励直流电动机32.1 直流电动机概述32.1.1 直流电动机的基本方程42.1.2 他励直流电动机的原理62.1.3 他励直流电动机功率方程63 MATLAB 73.1 MATLAB背景和基本知识73.1.1 MATLAB背景73.1.2 MATLAB基本知识73.2 Simulink 概述93.2.1 简述 Simulink 和 MATLAB集成93.2.2 仿真和分析104 直流电动机工作特性实验114.1 实验目的114.2实验设备114.3 实验内容114.4 注意事项134.5 实验报告135 他励直流电动机工作特性仿真155.1 他励直流电动机自激的仿真155.1.1 他励直流电动机的自励过程155.1.2 建立数学模型175.1.3 MATLAB程序设计185.1.4 仿真结果215.1.5 建立SIMULINK仿真模型225.1.6 仿真结果255.2他励直流电动机外特性的仿真265.2.1他励直流电动机外特性分析265.2.2 建立数学模型265.2.3 MATLAB程序设计275.2.4 仿真结果295.3他励直流电动机调整特性的仿真305.3.1建立数学模型305.3.2 MATLAB程序设计305.3.3 仿真结果326 电站自并励同步发电机的起励仿真研究336.1 摘要336.2 研究意义336.3同步发电机起励的数学方程336.4同步发电机空载特性的数学模型346.5起励仿真结构图346.6仿真结果36结 论38致 谢39参考文献40他励直流电动机特性仿真摘 要本文首先详细介绍了直流电动机的原理以及他励直流电动机的工作特性，在进行他励直流电动机特性实验之后运用MATLAB来仿真他励直流电动机的特性。两者对比得出实验与仿真结果相符。利用MATLAB/SIMULINK进行仿真过程中包括：他励直流电动机电枢串电阻启动过程的仿真、他励直流电动机突然短路的仿真、直流电动机的转矩特性的仿真和直流电动机机械特性的仿真。论文分六大部分，第一部分是对电机的应用发展做了相关的描述。第二是对直流电动机的结构和原理做了详细的介绍，通过对他励直流电动机结构的了解，为进行他励直流电动机特性仿真做了基础。第三，对MATLAB仿真软件的发展史、基础知识等做了相关介绍，尤其对SimPowerSystems做详细阐述，在Simulink的仿真中，主要是运用到SimPowerSystems里的相关模块。第四，在老师的指导下做他励直流电动机特性实验，得出实验数据。第五，利用MATLAB编程及MATLAB中的SIMULINK模块对他励直流电动机特性进行仿真并调试得出最佳仿真结果。关键词: 直流电动机/启动/短路/转矩特性/机械特性/MATLAB Simulation Study on characteristics of separately excited DC motorABSTRACTThis 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 generator. 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 simulation. 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 introduced 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 characteristic test, the experimental data. On the MATLAB simulation software development beginning, basic knowledge such as related to introduce, especially on the Sim Power Systems done in detail, in the Simulink simulation, is mainly applied to Sim Power Systems in the relevant module. In fourth, under the guidance of the teacher do excitation DC generator characteristic test, the experimental data. Fifth, the use of MATLAB programming and MATLAB SIMULINK module of DC generator characteristic simulation and debugging simulation results. Key Words: DC motor;boot ;short;torque; mechanical properties1 绪论1.1 引言电能是能量的一种形式，且电能与其他形式能量相比，电能具有明显的优势。在现代生产和生活中，电能已经成为使用最为广泛的一种能源。因为它便于自动控制、集中管理和远距离输送。在电力工业、机械工业、冶金工业、工矿企业、化学工业、交通运输业、农业及日常生活等方面都用到电动机，电动机是将电能转化为机械能，为各种工作机械提供动力来源的一种设备。由此可见，电动机在我国国民经济的建设中起着举足轻重的作用，随着社会生产力的不断发展以及科学技术的不断创新，电动机的种类日益繁多。但直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。另外在科学研究和工程应用的过程中，往往需要大量的数学计算，传统的纸笔和计算机已经不能从根本上满足海量计算的要求，一些技术人员尝试使用Basic，Fortran；C/C+等语言编写程序来减轻工作量。但编程不仅仅需要掌握所用语言的语法，还需要对相关算法进行深入分析，这对大多数科学工作者而言有一定的难度。与这些语言相比，Matlab的语法更简单，更贴近人的思维方式。Matlab问世以来，凭借其强大的数值计算能力、出色的数据图形可视化技术及日益丰富的Simulink动态仿真模型库，迅速占领了工程技术领域各学科的仿真高地，成为首屈一指的计算机仿真平台。在电机电气自动化领域，很多教师、学生和工程技术人员也把Matlab作为教学、学术活动和工程设计的重要仿真工具。1.2 选题背景与目的直流电动机是社会生活中人们最先发明并使用的一种电机，直流电动机在和交流电动机的对比下，直流电动机由于一下几个方面的原因而制约了其发展，分别是直流电动机的结构比较复杂，有时维护起来却比较困难，而且相对交流电机，直流电机的价格也比较昂贵。但直流电动机自身也有很多的优点，比如优良的启动特性，调速和制动性能。因此在现代生产的许多场合下，直流电动机的应用很广泛。例如化工中的电镀和电解等设备，以及直流电焊机和某些特殊场合下使用的大型同步电机的励磁电源还有一些在移动运输场合下使用的机械，在没有交流电源情况下它们所需要的直流电源，依然可以使用直流发电机来为其提供电源。根据电动机工作原理的不同，直流电动机包括他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机以及复励直流电动机。直流电动机是把电能转化为机械能的机器。随着MATLAB软件的问世以来，凭出色的借该软件强大的数值计算能力，还有其出色的数据图形可视化技术以及越来越丰富而完善的Simulink动态仿真模型库，以迅雷不及掩耳之势占领了目前第一位的计算机仿真平台。尤其是在电机和电器自动化领域，绝大多数的教授、老师、学生还有工程技术人员，他们都不约而同的把Marlab软件作为课堂授课，平时的学术交流还有工程设计的重要的仿真工具。本课题的主要研究对象是他励直流电动机中最基本的工作特性曲线，如他励直流电动机的机械特性、人为特性、起动、制动以及调速等特性的研究。通过查阅相关内容的资料，以及了解学习直流电动机的工作原理和Matlab仿真软件的发展及现状，运用Matlab/Simulink仿真工具建立电机的仿真模型，通过实验结果在验证了仿真模型可靠性的基础上，再通过仿真模型的功能对他励直流电动机进行了数值模拟，通过这些过程来求解出直流电动机在运行过程中的规律特征，最终的目的是促使直流电动机在最优化的状态下进行工作，这样就能不断地提高生产效率，从而得到最好的经济效益。1.3 本文的结构内容本次毕业设计通过对他励直流电动机的学习，运用MATLAB7.0仿真软件，对他励直流电动机工作特性进行仿真研究。全文总共分为六章，各章的主要内容如下：第一章 简要地概述了本课题的选题背景、目的与研究现状。第二章 对直流电动机的工作原理、工作特性的介绍。第三章 对MATLAB软件进行介绍。第四章 对他励直流电动机进行实验。第五章 运用MATLAB仿真软件来分析直流电动机，运用Matlab软件进行编程以及其中的Simulink生成数学模型来进行仿真研究，从而得到他励直流电动机的起动、制动和机械特性的仿真图，并进行分析。第六章 应用实例的研究。第七章 结论。2 他励直流电动机2.1 直流电动机概述直流电动机的电动机的主要类型中的一种，其在工作时通过消耗直流电能而产生机械能的一种装置。直流电动机在工作时具有非常好的调速性能，由于这个优点直流电动机在现代电力拖动中得到了广泛的应用，直流电动机按照工作方式的不同，即励磁方式的不同分为永磁直流电动机、他励直流电动机和自励直流电动机三类，其中自励直流电动机又分为并励直流电动机、串励直流电动机和复励电动机三种。图2-1 直流电动机工作原理图直流电动机的工作原理如图2-1所示，图中N极和S极是一对固定着不动的磁极，这一对磁极用以产生所需要的磁场。一般除容量很小的电机仍是用永磁磁铁做成磁极外，容量较大的一些电机，磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁芯上的励磁绕组产生。为了使图面清晰可见，图中只画出了磁极的铁芯，没有画出励磁绕组。在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组。直流电机的这一部分成为电枢。实际电机中的电枢绕组嵌放在铁心槽内，电枢绕组中的电流称为电枢电流，图中只画出了代表电枢绕组的一个线圈，没有画出电枢铁心。线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的图片链接，通篇上有个压着一个固定不动的电枢。如果像图2-1表示那样将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械而负载相连，这是便有电流从电源的正极流出，经电刷流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图2-1所示位置时，线圈的ab边在N极的作用下，cd在S极下，电枢绕组中的电流沿着a-b-c-d的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。当电枢绕组的ab边转到了S极下，cd边转到了N极下，如果线圈中电流的方向热然不变，那么作用在这个线圈边上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电机便无法旋转。为此，必须改变电枢绕组中的电流方向。这一任务由连接在线圈两端的铜片和电刷来完成。从图可以看出，由于原来与电刷A接触的线圈a端的铜片现在已改成与电刷B接触，而原来与电刷B接触的线圈d端的铜片现在已改成与电刷A接触，因而电枢绕组中的电流变成d-c-b-a的方向流动。利用左手定则判断出：电磁力及电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。2.1.1 直流电动机的电磁转矩和电动势2.1.1.1 电磁转矩在直流电动机中，电动机的电磁转矩是由电枢电流和磁场之间相互作用产生的电磁力形成的。由物理学中的电磁力公式方程可知，电枢绕组中不论那一根导体上其所受的平均电磁力均为 F = Bli上式中，i为每一根导体上流过的电流；而B为每一个磁极下的平均磁感应强度，每极磁通 除以每极的面积 就是它的值，也就是 B =上式中， 是极距；l是磁极的轴向长度，也就是圆边的有效长度。如果电枢半径为R，那么由没根导线上的电磁力所产生的电磁转矩为FR。由电枢绕组的总匝数可知总导体数为4aN，再有电枢的周长为2pt，所以R= ，得电磁转矩为T=4aN 由于电枢电流Ia=2ai,所以 T= 带入CT=2pn/ 得到直流电动机的电磁转矩公式为T=CT 电枢电流和磁场两个的方向决定了电磁转矩的方向，且电磁转矩的方向随着二者之一的改变而改变。在直流电动机中，电磁转矩的方向和转子旋转的方向是一样的。2.1.1.2 电动势电动势的产生是因为磁感线被电枢绕组切割而出现的，由电磁感应定律可知，电枢绕组上的每一根导体所产生的电动势为 e=Blv根据电枢绕组的串联总导体数以及切割磁感线的速度可知电枢绕组的电动势为 E=2Ne=2NBlv=2N将CE=4pn/60带入直流电动机的电动势方程里可知 E=CE n的单位为韦伯， 转子的旋转方向以及磁场的方向决定了电动势的方向，电动势的方向随着二者之一的改变而改变。直流电动机中的电动势方向和电枢电流的方向是相反的。2.1.1.3 直流电动机的功率电动机工作时是电能并产生机械能的装置，所以电动机的功率问题在电动机中至关重要。机器在运转时包含着输入功率、输出功率以及各种运动件之间产生的损耗，但是这些标量之间的大小应当满足能量守恒。电动机工作时必然会损耗能量，损耗的能量主要包括如下：（1）铜耗：铜的消耗主要是由电枢、励磁、换向极以及补偿等绕组的铜的消耗再加上电刷和换向器连接在一起时电阻所产生的损失。铜消耗量的大小主要是因为电流、绕组的总电阻以及电刷之间的接触电阻大小有关。（2）铁耗：铁的消耗是由于旋转着的电枢铁芯在磁场中运动时，钢片中的磁滞和涡流之间所产生的铁的损耗量，这个称之为不变损耗。（3） 机械损耗：机械的损耗主要包括各运动副之间的的摩擦作用所产生的的阻尼损耗，如轴承内圈和滚动体之间，外圈和滚动体之间所产生的摩擦，电刷摩擦之间的摩擦、转子高速旋转时与空气的摩擦还有电风扇运转时所损耗的功率。当转速不变时，机械损耗可以近视为常数因子，可以看做为不变损耗。（4）附加损耗：由于齿轮齿槽之间存在泄露磁感线所引起的损耗。、和在电机没有外加载荷时所产生的损耗，因而叫做空载损耗，即空载损耗等于其三者之和。2.1.2 他励直流电动机的原理如下图便是他励直流电动机的工作电路图。其中励磁绕组和电枢绕组两个绕组都有其专门的直流电源来供电，在励磁电压Uf的影响下，励磁电流If通过励磁绕组并产生主磁极磁通，而若在电枢电压Ua的作用下，电枢电流通过电枢绕组。电枢电流在磁场中运动并产生电磁转矩，这个转矩驱动某机械器件，使其以某一运动速度来运转，而通有电流的电枢绕组在磁场中做切割磁感线的运动并产生电动势。其中电动势的方向和电枢中电流的方向相反。3 MATLAB3.1 MATLAB的背景知识3.1.1 MATLAB发展历程f在MATLAB仿真软件产生之前，世界上的大多数软件包都是依靠FORTRANC等编程语言编程开发的。但是这类软件有许多的缺点，主要是使用面太窄，而且接口也比较简陋，还有软件的程序结构也不够开放，甚至还没有标准的基库，由于这些重重的原因导致此软件很难跟上各个学科的发展脚步。随着MATLAB仿真软件的出现，新的软件开发有了基础，在MATLAB问世不久之后的世纪80年代中叶，以前开发的软件包逐渐被淘汰或是在MATLAB的基础上进行改进。到了现在，经过几十年的发展，还有MathWorks公司的不断创新与完善，MATLAB仿真软件已经成为适应各个学科，多种工作平台的大型仿真软件，软件的强大功能已是无所不能。MATLAB仿真软件在国外经过了多年风风雨雨的考验。现在在欧洲美国等一些一流二流高等院校，MATLAB已经成为多门学科必不可少的教学工具。而且也是大学生，硕士生，博士生取得学位所必须掌握的基本技能。在一些设计研究院和一些工业设计部门，MATLAB软件已被广泛用来解决各种科研中所遇到的种种实际问题。3.1.2 MATLAB基本知识MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理计算系统环境，除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多.MATLAB是国际公认的优秀数学应用软件之一。概括地讲，整个MATLAB系统由两部分组成，即MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能.MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句，函数，数据结构，输入输出及面向对象等特点的高级语言，它具有以下主要特点：（1）运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高，MATLAB除了提供和C语言一样的运算符号外，还提供广泛的矩阵和向量运算符。利用其运算符号和库函数可使其程序相当间短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能。（2）既具有结构化的控制语句(如for循环，while循环，break语句，if语句和switch语句)，又有面向对象的编程特性。图形功能强大.它既包括对二维和三维数据可视化，图像处理，动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以修改图形及编制完整图形界面的，低层次的绘图命令（3）功能强大的工具箱。工具箱可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱，统计工具箱，控制工具箱，小波工具箱，图象处理工具箱，通信工具箱等。（4）易于扩充。除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加入自己的文件，它们可以与库函数一样被调用。MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本数据结构是矩阵。正如其名“矩阵实验室”，MATLAB起初主要是用来进行矩阵运算的。经过MathWorks公司的不断完善，时至今日，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。MATLAB提供了一种科学工程计算的高级语言，是进行数据分析算法开发的忌辰开发环境。MATLAB7针对编程环境、代码效率、数据可视化、数学计算、文件I/O等方面进行了升级，概括起来有以下几个方面。（1）窗体：重新设计的桌面环境，针对多文档界面应用提供了简便的管理和访问方法；增强 数组编辑器和工作空间浏览器的功能；增强了M文件编辑器，支持多格式源代码分析。（2）编程：支持创建嵌套函数和匿名函数功能，同时增强了模块化注释的功能。（3）数学：支持整数的算术运算和单精度数学类型运算。（4）图形：新的图形窗体界面和图形窗体注释，同时使用了数据侦测工具，提供了丰富的数据观测手段。（5）接口：新增文件I/O函数，使得具有压缩功能的MAT文件格式具备了支持快速数据文件I/O的能力；支持COM、VBS、SOAP、FTP和Unicode编码格式。许多工具箱都得到了升级的同时，在Release 14中添加了学多新特性。3.2 Simulink 概述Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。3.2.1 简述 Simulink 和 MATLAB集成SimPowerSystem 与 Simulink 和 MATLAB 是无缝结合在一起的。仿真仍可使用 Simulink 强大的变步长积分器，其中有一些专为刚性系统求解而设计 来精确的计算电气系统模型。另外， Simulink 的零点穿越检测功能，能以机器数据精度水平计算检测并求解不连续过程。MATLAB 及其工具箱所提供的功能同样可以用来分析仿真结果，将其可视化，并进一步作整个完整系统的建摸，仿真和优化设计。 使用 SimPowerSystem 提供的 Powergui 模块，用户可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始仿真分析。Powergui 交互式工具模块提供的工具可以达到这样的效果：（1）显示稳态电压和电流。（2）显示并修改初始状态量。（3）计算潮流和初始化机电摸块。（4）当模型中存在电抗测量模块时可显示电抗相对频率的变化。（5）可使用控制系统工具箱的 LTI Viewer 工具，进行系统的时域、频域响应分析 。（6）生成稳态计算分析报告 。3.2.2 仿真和分析4 他励直流电动机工作特性实验4.1 实验目的 1、掌握用实验的方法来测定他励直流电动机的工作特性。2、掌握测定他励直流电动机在不受载荷时能量损耗的方法。4.2实验内容 1、电机的转矩特性测定 2、电机的效率特性测定 3、电机的转速特性测定 4、电机在空载时损耗的测定4.3实验所依据的原理 当两端电压U和UN 相等且二者均为常数，还有电枢回路里不串联接入额外的附加电阻，以及励磁电流If 和IfN相等且为常数时，他励直流电动机的转轴转动速度n，电磁转矩T以及机械效率h与输出功率P2的关系即为他励直流电动机的工作特性。即n、T、h=f（P2）。在实际运行中，由于电枢电流Ia较易测得，而Ia随着P2的增加而增大，故直流电动机的工作特性也可表示为n、T、h=f（Ia）。直流电动机的工作特性分别称为速度特性、转矩特性和效率特性。速度特性是指电压U=UN =常数、励磁电流If=IfN =常数时，n=f（P2）的关系曲线。从直流电动机速度特性表达式可见，在U和If均为常数的条件下，当电枢电流Ia增加时，IaRa使n趋于下降，而去磁的电枢反应则使转速趋于上升，因此电动机的转速变化很小。他励直流电动机具有略为下降的速度特性。转矩特性是指电压U=UN =常数、励磁电流If=IfN =常数时，T=f（P2）的关系曲线。由转矩特性表达式可见，当转速为常数时，T=f（P2）是一条直线。但实际上P2增大时，转速略有下降，故T=f（P2）将略为向上弯曲。效率特性是指电压U=UN=常数、励磁电流If =IfN =常数时，h=f（P2）的关系曲线。求取效率特性时，需测量电动机的冷态电枢电阻、周围介质温度以及电动机的空载损耗。为了测取空载损耗，则需拆开联轴器，使电动机在额定电压UN 、额定励磁电流IfN情况下单独运转，读取直流电动机的空载电流和转速。电动机的效率式中：P1电动机输入功率。 P2电动机输出功率。可根据发电机的励磁电流、转速和电枢电流，从其校正曲线上查出。电动机的空载损耗1、实验设备实验设备如表4-1所示。表4-1 实验设备序号型 号名 称数 量1MET01电源控制屏1台2DD03不锈钢电机导轨、测速系统及数显转速表1件3DJ23校正直流测功机1 台4DJ13直流并励发电机1 台5D51波形测试及开关板1 件4.3 实验方法 1、观察自励过程 1）先切断电枢电源，然后断开励磁电源使电机MG停机，同时将启动电阻调回最大值，磁场调节电阻调到最小值为下次启动做好准备。在断电的条件下将发电机G的励磁方式从他励改为并励，接线如图2-4所示。选用的900电阻两只相串联并调至最大阻值，打开开关S。 2）先接通励磁电源，然后启动电枢电源，使电动机起动。调节电动机的转速，使发电机的转速，用直流电压表测量发电机是否有剩磁电压，若无剩磁电压，可将并励绕组改接成他励方式进行充磁。 3）合上开关S逐渐减小，观察发电机电枢两端的电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件。如果不能自励建立电压，将励磁回路的两个插头对调即可6。 4）对应着一定的励磁电阻，逐步降低发电机转速，使发电机电压随之下降，直至电压不能建立，此时的转速即为临界转速。2、测外特性图4-1 直流并励发电机接线图 1）按图4-1接线。调节负载电阻到最大,合上负载开关。 2）调节电动机的磁场调节电阻、发电机的磁场调节电阻和负载电阻，使发电机的转速、输出电压和电流三者均达额定值，即，。记录此时的励磁电流值，即为额定励磁电流。 3）保持额定值时的阻值及不变，逐次减小负载，直至=0，从额定到空载运行范围内每次测取发电机的电压和电流。 4）共得出数据如表4-2所示。表4-2 =常值（V）200215228238246253（A）0.50.40.30.20.104.4 注意事项 1、直流电动机MG起动时，一定要注意须将调到最大，调到最小，先接通励磁电源，观察到励磁电流为最大后，然后再接通电枢电源，使MG起动运转。起动完毕，应将调到最小。2、做外特性时，当电流超过0.4A时,要将中串联的电阻调至零并用导线短接,以免电流过大引起变阻器损坏。3、观察自励过程。4、测外特性 保持使=常数，测取4.5 实验结果由验数据作出他励直流电动机外特性曲线，如图4-3所示。图4-3 他励直流电动机外特性曲线 由图4-3可以看出，他励直流电动机的外特性曲线是一条随电流的增加快速下垂的曲线，即有载时的端电压比空载时的端电压低，这是由以下原因引起的：第一，负载增加时，电枢回路电阻压降增加，由式，随着的增加要降低；第二，电枢反应的去磁作用，使气隙磁通量减少，电枢绕组电动势随之减小，引起下降。第三，他励直流电动机的励磁绕组是跨接在电枢两端的，由于发电机输出端电压下降，造成励磁电流的减小，磁通的减小，电枢电动势降低，又导致端电压进一步下降，所以他励直流电动机外特性曲线下垂的更多更快。5 他励直流电动机工作特性仿真5.1 他励直流电动机自激的仿真5.1.1 他励直流电动机的自励过程一般电机的主磁极铁心中有剩磁存在。当电机空载，并由原动机拖动旋转时，电枢绕组中马上就会感应出一个微小的电动势，该电动势作用于励磁回路就会产生微弱的励磁电流。如励磁绕组和电枢两端的链接与电枢旋转方向配合适当，是励磁电流产生的磁势方向和生剩磁方向一致，气隙磁通就会继续增长，电枢电压随之逐步建立起来7。由此看出，并励发电机是一个电压直接反馈系统，它的自励建压过程是一种反馈作用。既把输出量（剩磁电压）回馈到输入端（励磁绕组），产生励磁电流，以加强系统的输入量（气息磁场），使发电机依靠剩磁自励建立的电压逐步升高起来。但这个依靠自励建起的电压能否达到所需的稳定值，还需对自励过程做进一步分析。图 5-1 他励直流电动机的自励1空载曲线；2励磁电阻线；3临界电阻线图 5-2 临界电阻与转速的对应关系直流电机的空载电压与励磁电流首先必须满足图5-1所示的空载曲线。另外，励磁回路电压方程为式（5-1）,即 （5-1）式（5-1）中，是励磁回来总电阻。方程（5-1）是励磁回路电阻线，如图中曲线2所示，它的斜率为 。所以，空载电压与励磁电流必须同时满足空载曲线和励磁电阻线，其交点就是并励发电机空载电压的稳定工作点。在建立电枢电压的过程中，励磁电流一直在上升，此励磁回路的电压平衡方程为式（5-2），即 （5-2）式（5-2）中是励磁绕组的电感。由图5-1可见，电压和电阻压降之差，就是励磁绕组的自感电压L。当时，励磁电流及电枢感应电势不断上升，电枢端电压不断增高；当时，如图中曲线1和直线2的交点A此时励磁电流所产生的励磁电压正好与励磁回路中的电阻压降相平衡，励磁电流不再增大，发电机的电压稳定于土中A点，这时发电机已经建立起正常电压。由图5-1可见，当增加励磁回路中的电阻时，可以使回路的总电阻变大，即增加电阻的斜率，则交点A将沿着空载特性曲线向原点移动，空载电压逐步下降，当电阻线与空载特性曲线的直线部分重合时，便没有固定的交点，空载电压不稳定，如图中的直线3，此种状态称为临界状态，丢赢得励磁电阻称为临界电阻（临界场阻）。由于对应不同的转速，发电机有不同的空载特性，因而也有不同的临界电阻。图5-2中未对应于转速的临界电阻，为对应于转速的临界电阻8。由此可见，并励发电机实现自励还必须使励磁回路的总电阻小于与电机运行转速相对应的临界电阻。综上分析，并励发电机的自励建起稳定电压必须同时具备以下三个条件，缺一不可。（1）电机内部应有剩磁 剩磁电压一般约为额定电压的2%5%。使用中的电机，如果剩磁太弱或已消失，可用其他直流电源向励磁绕组通电“充磁”使电机重新获得剩磁。（2）励磁绕组对电枢绕组的接法应与电枢旋转方向配合正确，使励磁电流产生的励磁方向一致。如发现接入后电枢电压不仅不不能升高，反而降低，则表明接法有误，此时应将励磁绕组接到电枢的两个端子对调。（3）励磁回路的总电阻应小于发电机运行转速相对应的临界电阻。一般发电机都在额定转速下运行，因此，应调节，使总电阻应小于额定转速时的临界电阻。5.1.2 建立数学模型由他励直流电动机自激原理，设置一台直流发电机，额定电压为230V，额定转速为980r/min，励磁绕组的电阻和电感分别为22.8欧和12H，电枢绕组的电阻和电感忽略不计。在额定转速下建模仿真电机的自激过程并求出稳态电压。数据如表5-1所示。表5-1 励磁电流与励磁电动势数据023.24.85.56.58.211.75100150200220244255291假设发电机的感应电动势为，如图5-3所示，当电机空载运行时，该电动势在励磁绕组和电枢绕组构成的闭合回路中产生电流，对该回路列写基尔霍夫电压方程，即