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学校代码：11517 学 号： HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计 题 目 她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 指引教师(职称) 赵 玲 （讲师） 完毕时间 月 目 录 摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 选题背景与目11.3 本文构造内容22 她励直流电动机32.1 直流电动机概述32.1.1 直流电动机基本方程42.1.2 她励直流电动机原理62.1.3 她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 她励直流电动机工作特性仿真155.1 她励直流电动机自激仿真155.1.1 她励直流电动机自励过程155.1.2 建立数学模型175.1.3 MATLAB程序设计185.1.4 仿真成果215.1.5 建立SIMULINK仿真模型225.1.6 仿真成果255.2她励直流电动机外特性仿真265.2.1她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 仿真成果295.3她励直流电动机调节特性仿真305.3.1建立数学模型305.3.2 MATLAB程序设计305.3.3 仿真成果326 电站自并励同步发电机起励仿真研究336.1 摘要336.2 研究意义336.3同步发电机起励数学方程336.4同步发电机空载特性数学模型346.5起励仿真构造图346.6仿真成果36结 论38致 谢39参照文献40她励直流电动机特性仿真摘 要本文一方面详细简介了直流电动机原理以及她励直流电动机工作特性，在进行她励直流电动机特性实验之后运用MATLAB来仿真她励直流电动机特性。两者对比得出实验与仿真成果相符。运用MATLAB/SIMULINK进行仿真过程中涉及：她励直流电动机电枢串电阻启动过程仿真、她励直流电动机突然短路仿真、直流电动机转矩特性仿真和直流电动机机械特性仿真。论文分六大某些，第一某些是对电机应用发展做了有关描述。第二是对直流电动机构造和原理做了详细简介，通过对她励直流电动机构造理解，为进行她励直流电动机特性仿真做了基本。第三，对MATLAB仿真软件发展史、基本知识等做了有关简介，特别对SimPowerSystems做详细阐述，在Simulink仿真中，重要是运用到SimPowerSystems里有关模块。第四，在教师指引下做她励直流电动机特性实验，得出实验数据。第五，运用MATLAB编程及MATLAB中SIMULINK模块对她励直流电动机特性进行仿真并调试得出最佳仿真成果。核心词：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 引言电能是能量一种形式，且电能与其她形式能量相比，电能具备明显优势。在当代生产和生活中，电能已经成为使用最为广泛一种能源。由于它便于自动控制、集中管理和远距离输送。在电力工业、机械工业、冶金工业、工矿公司、化学工业、交通运送业、农业及寻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一种设备。由此可见，电动机在国内国民经济建设中起着举足轻重作用，随着社会生产力不断发展以及科学技术不断创新，电动机种类日益繁多。但直流电机因构造复杂、维护困难、价格较贵等缺陷制约了它发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具备优良启动、调速和制动性能，因而在工业领域中仍占有一席之地。此外在科学研究和工程应用过程中，往往需要大量数学计算，老式纸笔和计算机已经不能从主线上满足海量计算规定，某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。但编程不但仅需要掌握所用语言语法，还需要对有关算法进行进一步分析，这对大多数科学工作者而言有一定难度。与这些语言相比，Matlab语法更简朴，更贴近人思维方式。Matlab问世以来，凭借其强大数值计算能力、出众数据图形可视化技术及日益丰富Simulink动态仿真模型库，迅速占领了工程技术领域各学科仿真高地，成为首屈一指计算机仿真平台。在电机电气自动化领域，诸多教师、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重要仿真工具。1.2 选题背景与目直流电动机是社会生活中人们最先创造并使用一种电机，直流电动机在和交流电动机对比下，直流电动机由于一下几种方面因素而制约了其发展，分别是直流电动机构造比较复杂，有时维护起来却比较困难，并且相对交流电机，直流电机价格也比较昂贵。但直流电动机自身也有诸多长处，例如优良启动特性，调速和制动性能。因而在当代生产许多场合下，直流电动机应用很广泛。例如化工中电镀和电解等设备，以及直流电焊机和某些特殊场合下使用大型同步电机励磁电源尚有某些在移动运送场合下使用机械，在没有交流电源状况下它们所需要直流电源，依然可以使用直流发电机来为其提供电源。依照电动机工作原理不同，直流电动机涉及她励直流电动机、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机器。随着MATLAB软件问世以来，凭出众借该软件强大数值计算能力，尚有其出众数据图形可视化技术以及越来越丰富而完善Simulink动态仿真模型库，以迅雷不及掩耳之势占领了当前第一位计算机仿真平台。特别是在电机和电器自动化领域，绝大多数专家、教师、学生尚有工程技术人员，她们都不约而同把Marlab软件作为课堂授课，平时学术交流尚有工程设计重要仿真工具。本课题重要研究对象是她励直流电动机中最基本工作特性曲线，如她励直流电动机机械特性、人为特性、起动、制动以及调速等特性研究。通过查阅有关内容资料，以及理解学习直流电动机工作原理和Matlab仿真软件发展及现状，运用Matlab/Simulink仿真工具建立电机仿真模型，通过实验成果在验证了仿真模型可靠性基本上，再通过仿真模型功能对她励直流电动机进行了数值模仿，通过这些过程来求解出直流电动机在运营过程中规律特性，最后目是促使直流电动机在最优化状态下进行工作，这样就能不断地提高生产效率，从而得到最佳经济效益。1.3 本文构造内容本次毕业设计通过对她励直流电动机学习，运用MATLAB7.0仿真软件，对她励直流电动机工作特性进行仿真研究。全文总共分为六章，各章重要内容如下：第一章 简要地概述了本课题选题背景、目与研究现状。第二章 对直流电动机工作原理、工作特性简介。第三章 对MATLAB软件进行简介。第四章 对她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Simulink生成数学模型来进行仿真研究，从而得到她励直流电动机起动、制动和机械特性仿真图，并进行分析。第六章 应用实例研究。第七章 结论。2 她励直流电动机2.1 直流电动机概述直流电动机电动机重要类型中一种，其在工作时通过消耗直流电能而产生机械能一种装置。直流电动机在工作时具备非常好调速性能，由于这个长处直流电动机在当代电力拖动中得到了广泛应用，直流电动机按照工作方式不同，即励磁方式不同分为永磁直流电动机、她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磁极，这一对磁极用以产生所需要磁场。普通除容量很小电机仍是用永磁磁铁做成磁极外，容量较大某些电机，磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁芯上励磁绕组产生。为了使图面清晰可见，图中只画出了磁极铁芯，没有画出励磁绕组。在N极和S极之间有一种可以绕轴旋转绕组。直流电机这一某些成为电枢。实际电机中电枢绕组嵌放在铁心槽内，电枢绕组中电流称为电枢电流，图中只画出了代表电枢绕组一种线圈，没有画出电枢铁心。线圈两端分别与两个彼此绝缘并且与线圈同轴旋转图片链接，通篇上有个压着一种固定不动电枢。如果像图2-1表达那样将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组转轴与机械而负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源负极。在图2-1所示位置时，线圈ab边在N极作用下，cd在S极下，电枢绕组中电流沿着a-b-c-d方向流动。电枢电流与磁场互相作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成电磁转矩使电机逆时针方向旋转。当电枢绕组ab边转到了S极下，cd边转到了N极下，如果线圈中电流方向热然不变，那么作用在这个线圈边上电磁力和电磁转矩方向就会与本来方向相反，电机便无法旋转。为此，必要变化电枢绕组中电流方向。这一任务由连接在线圈两端铜片和电刷来完毕。从图可以看出，由于本来与电刷A接触线圈a端铜片当前已改成与电刷B接触，而本来与电刷B接触线圈d端铜片当前已改成与电刷A接触，因而电枢绕组中电流变成d-c-b-a方向流动。运用左手定则判断出：电磁力及电磁转矩方向依然使电动机逆时针旋转。2.1.1 直流电动机电磁转矩和电动势2.1.1.1 电磁转矩在直流电动机中，电动机电磁转矩是由电枢电流和磁场之间互相作用产生电磁力形成。由物理学中电磁力公式方程可知，电枢绕组中无论那一根导体上其所受平均电磁力均为 F = Bli上式中，i为每一根导体上流过电流；而B为每一种磁极下平均磁感应强度，每极磁通 除以每极面积 就是它值，也就是 B =上式中， 是极距；l是磁极轴向长度，也就是圆边有效长度。如果电枢半径为R，那么由没根导线上电磁力所产生电磁转矩为FR。由电枢绕组总匝数可知总导体数为4aN，再有电枢周长为2pt，因此R= ，得电磁转矩为T=4aN 由于电枢电流Ia=2ai,因此 T= 带入CT=2pn/ 得到直流电动机电磁转矩公式为T=CT 电枢电流和磁场两个方向决定了电磁转矩方向，且电磁转矩方向随着两者之一变化而变化。在直流电动机中，电磁转矩方向和转子旋转方向是同样。2.1.1.2 电动势电动势产生是由于磁感线被电枢绕组切割而浮现，由电磁感应定律可知，电枢绕组上每一根导体所产生电动势为 e=Blv依照电枢绕组串联总导体数以及切割磁感线速度可知电枢绕组电动势为 E=2Ne=2NBlv=2N将CE=4pn/60带入直流电动机电动势方程里可知 E=CE n单位为韦伯， 转子旋转方向以及磁场方向决定了电动势方向，电动势方向随着两者之一变化而变化。直流电动机中电动势方向和电枢电流方向是相反。2.1.1.3 直流电动机功率电动机工作时是电能并产生机械能装置，因此电动机功率问题在电动机中至关重要。机器在运转时包括着输入功率、输出功率以及各种运动件之间产生损耗，但是这些标量之间大小应当满足能量守恒。电动机工作时必然会损耗能量，损耗能量重要涉及如下：（1）铜耗：铜消耗重要是由电枢、励磁、换向极以及补偿等绕组铜消耗再加上电刷和换向器连接在一起时电阻所产生损失。铜消耗量大小重要是由于电流、绕组总电阻以及电刷之间接触电阻大小关于。（2）铁耗：铁消耗是由于旋转着电枢铁芯在磁场中运动时，钢片中磁滞和涡流之间所产生铁损耗量，这个称之为不变损耗。（3） 机械损耗：机械损耗重要涉及各运动副之间摩擦作用所产生阻尼损耗，如轴承内圈和滚动体之间，外圈和滚动体之间所产生摩擦，电刷摩擦之间摩擦、转子高速旋转时与空气摩擦尚有电电扇运转时所损耗功率。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损耗。、和在电机没有外加载荷时所产生损耗，因而叫做空载损耗，即空载损耗等于其三者之和。2.1.2 她励直流电动机原理如下图便是她励直流电动机工作电路图。其中励磁绕组和电枢绕组两个绕组均有其专门直流电源来供电，在励磁电压Uf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，而通有电流电枢绕组在磁场中做切割磁感线运动并产生电动势。其中电动势方向和电枢中电流方向相反。3 MATLAB3.1 MATLAB背景知识3.1.1 MATLAB发展历程f在MATLAB仿真软件产生之前，世界上大多数软件包都是依托FORTRANC等编程语言编程开发。但是此类软件有许多缺陷，重要是使用面太窄，并且接口也比较简陋，尚有软件程序构造也不够开放，甚至还没有原则基库，由于这些重重因素导致此软件很难跟上各个学科发展脚步。随着MATLAB仿真软件浮现，新软件开发有了基本，在MATLAB问世不久之后世纪80年代中叶，此前开发软件包逐渐被裁减或是在MATLAB基本上进行改进。到了当前，通过几十年发展，尚有MathWorks公司不断创新与完善，MATLAB仿真软件已经成为适应各个学科，各种工作平台大型仿真软件，软件强大功能已是无所不能。MATLAB仿真软件在国外通过了近年风风雨雨考验。当前在欧洲美国等某些一流二流高等院校，MATLAB已经成为多门学科必不可少教学工具。并且也是大学生，研究生生，博士生获得学位所必要掌握基本技能。在某些设计研究院和某些工业设计部门，MATLAB软件已被广泛用来解决各种科研中所遇到种种实际问题。3.1.2 MATLAB基本知识MATLAB是由美国MathWorks公司推出用于数值计算和图形解决计算系统环境，除了具备卓越数值计算能力外，它还提供了专业水平符号计算，文字解决，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB基本数据单位是矩阵，它指令表达式与数学，工程中惯用形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多.MATLAB是国际公认先进数学应用软件之一。概括地讲，整个MATLAB系统由两某些构成，即MATLAB内核及辅助工具箱，两者调用构成了MATLAB强大功能.MATLAB语言以数组为基本数据单位，涉及控制流语句，函数，数据构造，输入输出及面向对象等特点高档语言，它具备如下重要特点：（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语言同样运算符号外，还提供广泛矩阵和向量运算符。运用其运算符号和库函数可使其程序相称间短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN程序功能。（2）既具备构造化控制语句(如for循环，while循环，break语句，if语句和switch语句)，又有面向对象编程特性。图形功能强大.它既涉及对二维和三维数据可视化，图像解决，动画制作等高层次绘图命令，也涉及可以修改图形及编制完整图形界面，低层次绘图命令（3）功能强大工具箱。工具箱可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱重要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字解决功能以及与硬件实时交互功能。而学科性工具箱是专业性比较强，如优化工具箱，记录工具箱，控制工具箱，小波工具箱，图象解决工具箱，通信工具箱等。（4）易于扩充。除内部函数外，所有MATLAB核心文献和工具箱文献都是可读可改源文献，顾客可修改源文献和加入自己文献，它们可以与库函数同样被调用。MATLAB由主包和功能各异工具箱构成，其基本数据构造是矩阵。正如其名“矩阵实验室”，MATLAB起初重要是用来进行矩阵运算。通过MathWorks公司不断完善，时至今日，MATLAB已经发展成为适合多学科、各种工作平台功能强大大型软件。MATLAB提供了一种科学工程计算高档语言，是进行数据分析算法开发忌辰开发环境。MATLAB7针对编程环境、代码效率、数据可视化、数学计算、文献I/O等方面进行了升级，概括起来有如下几种方面。（1）窗体：重新设计桌面环境，针对多文档界面应用提供了简便管理和访问办法；增强 数组编辑器和工作空间浏览器功能；增强了M文献编辑器，支持多格式源代码分析。（2）编程：支持创立嵌套函数和匿名函数功能，同步增强了模块化注释功能。（3）数学：支持整数算术运算和单精度数学类型运算。（4）图形：新图形窗体界面和图形窗体注释，同步使用了数据侦测工具，提供了丰富数据观测手段。（5）接口：新增文献I/O函数，使得具备压缩功能MAT文献格式具备了支持迅速数据文献I/O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同步，在Release 14中添加了学多新特性。3.2 Simulink 概述Simulink是MATLAB最重要组件之一，它提供一种动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简朴直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。Simulink具备适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等长处，并基于以上长处Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号解决复杂仿真和设计。同步有大量第三方软件和硬件可应用于或被规定应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一种软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号解决建模和仿真中。Simulink可以用持续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不同某些具备不同采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一种建立模型方块图图形顾客接口（GUI），这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完毕，它提供了一种更快捷、直接明了方式，并且顾客可以及时看到系统仿真成果。3.2.1 简述 Simulink 和 MATLAB集成SimPowerSystem 与 Simulink 和 MATLAB 是无缝结合在一起。仿真仍可使用 Simulink 强大变步长积分器，其中有某些专为刚性系统求解而设计 来精准计算电气系统模型。此外， Simulink 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持续过程。MATLAB 及其工具箱所提供功能同样可以用来分析仿真成果，将其可视化，并进一步作整个完整系统建摸，仿真和优化设计。 使用 SimPowerSystem 提供 Powergui 模块，顾客可以修改模型初始状态，从任何起始条件开始仿真分析。Powergui 交互式工具模块提供工具可以达到这样效果：（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变化。（5）可使用控制系统工具箱 LTI Viewer 工具，进行系统时域、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 她励直流电动机工作特性实验4.1 实验目 1、掌握用实验办法来测定她励直流电动机工作特性。2、掌握测定她励直流电动机在不受载荷时能量损耗办法。4.2实验内容 1、电机转矩特性测定 2、电机效率特性测定 3、电机转速特性测定 4、电机在空载时损耗测定4.3实验所根据原理 当两端电压U和UN 相等且两者均为常数，尚有电枢回路里不串联接入额外附加电阻，以及励磁电流If 和IfN相等且为常数时，她励直流电动机转轴转动速度n，电磁转矩T以及机械效率h与输出功率P2关系即为她励直流电动机工作特性。即n、T、h=f（P2）。在实际运营中，由于电枢电流Ia较易测得，而Ia随着P2增长而增大，故直流电动机工作特性也可表达为n、T、h=f（Ia）。直流电动机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）关系曲线。从直流电动机速度特性表达式可见，在U和If均为常数条件下，当电枢电流Ia增长时，IaRa使n趋于下降，而去磁电枢反映则使转速趋于上升，因而电动机转速变化很小。她励直流电动机具备略为下降速度特性。转矩特性是指电压U=UN =常数、励磁电流If=IfN =常数时，T=f（P2）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。但事实上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）关系曲线。求取效率特性时，需测量电动机冷态电枢电阻、周边介质温度以及电动机空载损耗。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状况下单独运转，读取直流电动机空载电流和转速。电动机效率式中：P1电动机输入功率。 P2电动机输出功率。可依照发电机励磁电流、转速和电枢电流，从其校正曲线上查出。电动机空载损耗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 实验办法 1、观测自励过程 1）先切断电枢电源，然后断开励磁电源使电机MG停机，同步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。在断电条件下将发电机G励磁方式从她励改为并励，接线如图2-4所示。选用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。调节电动机转速，使发电机转速，用直流电压表测量发电机与否有剩磁电压，若无剩磁电压，可将并励绕组改接成她励方式进行充磁。 3）合上开关S逐渐减小，观测发电机电枢两端电压，若电压逐渐上升，阐明满足自励条件。如果不能自励建立电压，将励磁回路两个插头对调即可6。 4）相应着一定励磁电阻，逐渐减少发电机转速，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）调节电动机磁场调节电阻、发电机磁场调节电阻和负载电阻，使发电机转速、输出电压和电流三者均达额定值，即，。记录此时励磁电流值，即为额定励磁电流。 3）保持额定值时阻值及不变，逐次减小负载，直至=0，从额定到空载运营范畴内每次测取发电机电压和电流。 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，观测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、观测自励过程。4、测外特性 保持使=常数，测取4.5 实验成果由验数据作出她励直流电动机外特性曲线，如图4-3所示。图4-3 她励直流电动机外特性曲线 由图4-3可以看出，她励直流电动机外特性曲线是一条随电流增长迅速下垂曲线，即有载时端电压比空载时端电压低，这是由如下因素引起：第一，负载增长时，电枢回路电阻压降增长，由式，随着增长要减少；第二，电枢反映去磁作用，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，她励直流电动机励磁绕组是跨接在电枢两端，由于发电机输出端电压下降，导致励磁电流减小，磁通减小，电枢电动势减少，又导致端电压进一步下降，因此她励直流电动机外特性曲线下垂更多更快。5 她励直流电动机工作特性仿真5.1 她励直流电动机自激仿真5.1.1 她励直流电动机自励过程普通电机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，电枢绕组中立即就会感应出一种微小电动势，该电动势作用于励磁回路就会产生薄弱励磁电流。如励磁绕组和电枢两端链接与电枢旋转方向配合恰当，是励磁电流产生磁势方向和生剩磁方向一致，气隙磁通就会继续增长，电枢电压随之逐渐建立起来7。由此看出，并励发电机是一种电压直接反馈系统，它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，以加强系统输入量（气息磁场），使发电机依托剩磁自励建立电压逐渐升高起来。但这个依托自励建起电压能否达到所需稳定值，还需对自励过程做进一步分析。图 5-1 她励直流电动机自励1空载曲线；2励磁电阻线；3临界电阻线图 5-2 临界电阻与转速相应关系直流电机空载电压与励磁电流一方面必要满足图5-1所示空载曲线。此外，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，它斜率为 。因此，空载电压与励磁电流必要同步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稳定工作点。在建立电枢电压过程中，励磁电流始终在上升，此励磁回路电压平衡方程为式（5-2），即 （5-2）式（5-2）中是励磁绕组电感。由图5-1可见，电压和电阻压降之差，就是励磁绕组自感电压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交点A此时励磁电流所产生励磁电压正好与励磁回路中电阻压降相平衡，励磁电流不再增大，发电机电压稳定于土中A点，这时发电机已经建立起正常电压。由图5-1可见，当增长励磁回路中电阻时，可以使回路总电阻变大，即增长电阻斜率，则交点A将沿着空载特性曲线向原点移动，空载电压逐渐下降，当电阻线与空载特性曲线直线某些重叠时，便没有固定交点，空载电压不稳定，如图中直线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）。由于相应不同转速，发电机有不同空载特性，因而也有不同临界电阻。图5-2中未相应于转速临界电阻，为相应于转速临界电阻8。由此可见，并励发电机实现自励还必要使励磁回路总电阻不大于与电机运营转速相相应临界电阻。综上分析，并励发电机自励建起稳定电压必要同步具备如下三个条件，缺一不可。（1）电机内部应有剩磁 剩磁电压普通约为额定电压2%5%。使用中电机，如果剩磁太弱或已消失，可用其她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接法应与电枢旋转方向配合对的，使励磁电流产生励磁方向一致。如发现接入后电枢电压不但不不能升高，反而减少，则表白接法有误，此时应将励磁绕组接到电枢两个端子对调。（3）励磁回路总电阻应不大于发电机运营转速相相应临界电阻。普通发电机都在额定转速下运营，因而，应调节，使总电阻应不大于额定转速时临界电阻。5.1.2 建立数学模型由她励直流电动机自激原理，设立一台直流发电机，额定电压为230V，额定转速为980r/min，励磁绕组电阻和电感分别为22.8欧和12H，电枢绕组电阻和电感忽视不计。在额定转速下建模仿真电机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假设发电机感应电动势为，如图5-3所示，当电机空载运营时，该电动势在励磁绕组和电枢绕组构成闭合回路中产生电流，对该回路列写基尔霍夫电压方程，即 （5-3）图5-3她励直流电动机方程式（5-3）就是发电机自激数学模型。方程（5-3）中，空载电动势与励磁电流之间关系即电机空载特性曲线，可以依照已知空载特性实验数据并通过曲线拟合求得。求解上述微分方程可以得到自激过程中励磁电流、感应电动势变化规律。5.1.3 MATLAB程序设计MATLAB程序设计涉及建立自激过程微分方程M函数和求解自激过程微分方程脚本函数两个方面。其中M函数文献涉及赋初值、定义变量、数据解决、列微分方程等几种环节9。而解方程脚本函数事实上是执行M函数文献一系列指令集合，涉及指定算法、特性曲线绘制和稳态电压计算等几种环节。MATLAB仿真程序如下：（1） 自激过程微分方程M函数% 编写建立自激过程微分方程M函数 % 将该M函数定义为sh-ge-se-ex-ode(shunt-generator-self-excited-ode) % 一方面指定全局变量