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仓库范围 7-1直流电机运行特性仿真
简介：--
基础模型库科学计算车辆
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直流电机运行特性仿真

简介

   直流电机就是将直流电能转换成机械能的电机，是电机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在低速电动汽车、场地用电动车辆和专用电动车辆上应用广泛。

使用说明

一、实验目的

  1. 并励直流电机的运行特性仿真
  2. 串励直流电机的运行特性仿真

二、仿真数据

并励直流电机的运行特性仿真所需参数见表7-1-1。

表7-1-1并励直流电机的运行特性仿真所需参数
电机电源电压/V 电枢电阻/Ω 每极磁通量/Wb
220 0.17 0.0103
极对数 电枢导体总数 串联电阻/Ω
2 398 0
串励直流电机的运行特性仿真所需参数见表7-1-2。
表7-1-2串励直流电机的运行特性仿真所需参数
电机电源电压/V 电枢电阻/Q 比例系数
220 0.2 0.002
极对数 电枢导体总数 励磁电阻/Ω
2 120 0.12

三、实验步骤

1.并励直流电机的运行特性仿真

image.png

根据并励直流电机转速特性数学模型，编写绘制并励直流电机转速特性曲线的MWORKS程序如下：

Ia=0:0.1:100;#定义电枢电流范围

U=220;#电源电压赋值

Ra=0.17;#电枢电阻赋值

p=2;#极对数赋值

N=398;#电枢导体总数赋值

a=1;#电枢绕组支路对数赋值

Ce=p*N/60/a;#计算电动势常数

figure(1)#设置图形窗口1

fa=[0.0053 0.0103 0.0153];#设置每极磁通量

for i = 1:3#循环开始

n=(U.- Ra * Ia)./Ce/fa[i];#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Ia,n,string(gss[i]))#绘制电机转速特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

axis([0 100 500 4000])#定义坐标轴

xlabel("电枢电流/A")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["磁通量 0.0053wb","磁通量0.0103wb","磁通量0.0153wb"])#曲线标注

figure(2)#设置图形窗口2

fa=0.0103;#每极磁通量赋值

Ra=[0.07 0.17 0.27];#设置电枢电阻

for i=1:3#循环开始

n=(U.-Ra[i]*Ia)./Ce/fa;#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Ia,n,string(gss[i]))#绘制电机转速特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

axis([0 100 1000 2000])#定义坐标轴xlabel("电枢电流／A")#x轴标注

ylabel("电机转速／(r／min)")#y轴标注

legend(["电枢电阻0.07Ω","电枢电阻0.17Ω","电枢电阻0.27Ω"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮,可以得到并励直流电机转速特性 曲线，如图7-1-3和图7-1-4所示。可以看出，并励直流电机的转速随电枢电流增加稍有下降，并励直流电机的转速随磁通量增加而快速下降。但并励直流电机的转速随电枢电阻增加而下降较小。

图7-1-3 改变磁通量时的并励直流电机转速特性曲线
图7-1-4 改变电枢内阻时的并励直流电机转速特性曲线

image.png

如果忽略电枢反应，则转矩特性是一条过原点的直线
根据并励直流电机转矩特性数学模型，编写绘制并励直流电机转矩特性曲线的MWORKS程序如下：

Ia=0:0.1:100;#定义电枢电流范围

p=2;#极对数赋值

N=398;#电枢导体总数赋值

a=1;#电枢绕组支路对数赋值

CT=p*N/2/pi/a;#计算转矩常数

fa=[0.0053 0.0103 0.0153];#每极磁通量赋值

for i=1:3#循环开始

Te=CT*fa[i]*Ia;#计算电机电磁转矩

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Ia,Te,string(gss[i]))#绘制电机转矩特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电枢电流／A")#x轴标注

ylabel("电磁转矩／N．m")#y轴标注

legend(["磁通量0.0053Wb","磁通量0.0103Wb","磁通量0.0153Wb"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，可以得到并励直流电机电磁转矩特性曲线，如图7-1-5所示。可以看出，并励直流电机的电磁转矩随电枢电流的增加而增加，并励直流电机的电磁转矩随磁通量的增加而增加。

图7-1-5 并励直流电机转矩特性曲线

image.png

根据并励直流电机机械特性数学模型，编写绘制并励直流电机机械特性曲线的MWORKS程序如下:

Te=0:0.1:200;#定义电枢电流范围

Ra=0.17;#电枢绕组赋值

Rj=0;#串联电阻赋值

fa=0.0103;#每极磁通量赋值

p=2;#极对数赋值

N=398;#电枢导体总数赋值

a=1;#电枢绕组支路对数赋值

Ce=p*N/60/a;#计算电动势常数

CT=p*N/2/pi/a;#计算转矩常数

U= [200 220 240];#设置电源电压

for i=1:3#循环开始

n=U[i]./Ce/fa.-(Ra+Rj) * Te/Ce/CT/fa^2;#计算电机转速

figure(1)#设置图形窗口1

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["电源电压200V","电源电压220V","电源电压240V"])#曲线标注

figure(2)#设置图形窗口2

U=220;#电源电压赋值

Ra=[0.07 0.17 0.27];#设置电枢电阻

for i=1:3#循环开始

n=U/Ce/fa.-(Ra[i]+Rj)* Te/Ce/CT/fa^2;#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["电枢电阻0.07Ω","电枢电阻0.17Ω","电枢电阻0.27Ω"])#曲线标注

figure(3)#设置图形窗口3

Ra=0.17;#电枢电阻赋值

Rj= [0 0.2 0.4];#设置串联电阻

for i=1:3#循环开始

n=U/Ce/fa.-(Ra+Rj[i])* Te/Ce/CT/fa^2;#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#定义线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["串联电阻0Ω","串联电阻0.2Ω","串联电阻0.4Ω"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，可以得到并励直流电机机械特性曲线。图7-1-6所示为改变电枢电压时的并励直流电机机械特性曲线。可以看出，逐渐减小电源电压时，理想空载转速逐渐下降，但从空载到满载转速变化很小，这种特性称为硬机械特性。这使并励直流电机具有优良的调速性能。

图7-1-6 改变电枢电压时的并励直流电机机械特性曲线
图7-1-7所示为改变电枢电阻时的并励直流电机机械特性曲线。可以看出，当电枢电阻增大时，机械特性曲线的斜率（绝对值）逐渐增大，转速降低，使特性逐渐变软，但电机的理想空载转速不变。
图7-1-7 改变电枢电阻时的并励直流电机机械特性曲线
图7-1-8所示为改变串联电阻时的并励直流电机机械特性曲线。可以看出，当串联电阻增大时，机械特性曲线的斜率（绝对值）逐渐增大，转速降低，使特性逐渐变软，但电机的理想空载转速不变。
图7-1-8 改变串联电阻时的并励直流电机机械特性曲线

2.串励直流电机的运行特性仿真

image.png

image.png
根据串励直流电机转速特性数学模型，编写绘制串励直流电机转速特性曲线的MWORKS程序如下:

Ia=20:0.1:120;#定义电枢电流范围

U=220;#电源电压赋值

Ra=0.2;#电枢电阻赋值

Rf=0.12;#励磁电阻赋值

p=2;#极对数赋值

N=120;#电枢导体总数赋值

a=1;#电枢绕组支路对数赋值

Ce=p*N/60/a;#计算电动势常数

figure(1)#设置图形窗口1

Kf=[0.001 0.002 0.003];#设置比例系数

for i=1:3#循环开始

n=U./(Ce*Kf[i]*Ia).-(Ra+Rf)./Ce/Kf[i];#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Ia,n, string(gss[i]))#绘制电机转速特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电枢电流/A")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["比例系数0.001","比例系数0.002","比例系数0.003"])#曲线标注

figure(2)#设置图形窗口2

Kf=0.002;#比例系数赋值

Ra=[0.1 0.2 0.3];#设置电枢电阻

for i=1:3#循环开始

n=U./(Ce*Kf*Ia).-(Ra[i]+Rf)./Ce/Kf;#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Ia,n, string(gss[i]))#绘制电机转速特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电枢电流/A")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["电枢电阻0.1Ω","电枢电阻0.2Ω","电枢电阻0.3Ω"])#曲线标注

figure(3)#设置图形窗口3

Ra=0.2;#电枢电阻赋值

Rf=[0 0.12 0.24];#设置励磁电阻

for i=1:3#循环开始

n=U./(Ce*Kf*Ia).-(Ra+Rf[i])./Ce/Kf;#计算电机转速

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Ia,n, string(gss[i]))#绘制电机转速特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电枢电流/A")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["励磁电阻0Ω","励磁电阻0.120","励磁电阻0.24Ω"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，可以得到串励直流电机转速特性曲线。图7-1-9所示为改变比例系数时的串励直流电机转速特性曲线。可以看出，串励直流电机的转速随电枢电流增加而下降，而且比例系数增加，转速下降。

图7-1-9 串励直流电机转速特性曲线
7-1-10所示为改变电枢电阻时的串励直流电机转速特性曲线。可以看出，电枢电阻增加，转速有所下降。
图7-1-10 改变电枢电阻时的串励直流电机转速特性曲线

图7-1-11所示为改变励磁电阻时的串励直流电机转速特性曲线。可以看出，励磁电阻增加，转速有所下降。

图7-1-11 改变励磁电阻时的串励直流电机转速特性曲线

image.png
根据并励直流电机转矩特性数学模型，编写绘制并励直流电机转矩特性曲线的MWORKS程序如下：

Ia=20:0.1:120;#定义电枢电流范围

p=2;#极对数赋值

N=120;#电枢导体总数赋值

CT=p*N/2/pi;#计算转矩常数

Kf=[0.001 0.002 0.003];#设置比例系数

for i=1:3#循环开始

Te=CT*Kf[i]*Ia.^2;#计算电机转矩

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Ia,Te,string(gss[i]))#绘制电机转矩特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电枢电流／A")#x轴标注

ylabel("电磁转矩／N.m")#y轴标注

legend(["比例系数0.0001","比例系数0.0002","比例系数0.0003"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，可以得到串励直流电机转矩特性曲线，如图7-1-12所示。可以看出，当电枢电流增加时，串励直流电机的转矩快速增加，但与此同时转速也快速下降，因此基本保持了功率恒定，即串励直流电机具有恒功率特性。比例系数增加，电磁转矩也增加。

图7-1-12 串励直流电机转矩特性曲线

image.png
根据串励直流电机机械特性数学模型，编写绘制串励直流电机机械特性曲线的MWORKS程序如下。

Te=10:0.1:300;#定义电枢电流范围

Ra=0.2;#电枢电阻赋值

Rf=0.12;#励磁电阻赋值

p=2;#极对数赋值

N=120;#电枢导体总数赋值

a=1;#电枢绕组支路对数赋值

Ce=p*N/60/a;#计算电动势常数

CT=p*N/2/pi;#计算转矩常数

Kf=0.001;#比例系数赋值

U=[200 250 300];#设置电源电压范围

for i=1:3#循环开始

n=1/(Ce *Kf) *(U[i]*sqrt.((CT*Kf)./Te).-Ra.-Rf);#计算电机转速

figure(1)#设置图形窗口1

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["电源电压200V","电源电压250V","电源电压300V"])#曲线标注

U=220;#电源电压赋值

Ra=[0.2 1.2 2.2];#设置电枢电阻范围

for i=1:3#循环开始

n=1/(Ce *Kf) *(U*sqrt.((CT*Kf)./Te).-Ra[i].-Rf);#计算电机转速

figure(2)#设置图形窗口2

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["电枢电阻0.2Ω","电枢电阻1.2Ω","电枢电阻2.2Ω"])#曲线标注

Ra=0.2;#电枢电阻賦值

Rf= [0.12 1.12 2.12];#设置励磁电阻范围

for i=1:3#循环开始

n=1/(Ce*Kf)*(U* sqrt.((CT*Kf)./Te).-Ra.-Rf[i]);#计算电机转速

figure(3)#设置图形窗口3

gss= ["-" ":" "--"];#设置线型

plot(Te,n, string(gss[i]))#绘制电机机械特性曲线

hold(true)#保存图形

end#循环结束

xlabel("电磁转矩/N.m")#x轴标注

ylabel("电机转速/(r/min)")#y轴标注

legend(["励磁电阻0.12Ω","励磁电阻1.12Ω","励磁电阻2.12Ω"])#曲线标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，可以得到串励直流电机机械特性曲线。图7-1-13所示为改变电源电压时的串励直流电机机械特性曲线。可以看出，串励直流电机转速随转矩的增加迅速下降，这种特性称为软机械特性。当电源电压减小时，机械特性曲线向下移动，其特性曲线逐渐变软。

图7-1-13 改变电源电压时的串励直流电机机械特性曲线
图7-1-14所示为改变电枢电阻时的串励直流电机机械特性曲线。可以看出，当电枢电阻增大时，机械特性曲线向下移动,其斜率（绝对值）很快增大,转速降低,使特性快速变软，但电机的理想空载转速不变。
图7-1-14 改变电枢电阻时的串励直流电机机械特性曲线
图7-1-15所示为改变励磁电阻时的串励直流电机机械特性曲线。可以看出，当励磁电阻增大时，机械特性曲线向下移动，其斜率（绝对值）很快增大，转速降低，使特性快速变软，但电机的理想空载转速不变。
图7-1-15 改变励磁电阻时的串励直流电机机械特性曲线