【正文】 電樞電流和磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生的電磁力形成的。再次里用左手定則判斷出：電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然讓電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞繞組的 ab 邊轉(zhuǎn)到了 S 極下， cd 邊轉(zhuǎn)到了 N 極下，如果線圈中電流方向依然不變，那么作用在這個(gè)線圈邊上的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向就會(huì)與原來(lái)的方向相反，電機(jī)則就會(huì)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。如圖 2 中若將電樞繞組通過(guò)電刷連接到直流電源上時(shí)，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械的負(fù)載相連接，這時(shí)的電流從電源的正極流出，經(jīng)過(guò)電刷流入電樞繞組，然后經(jīng)過(guò)電刷 B 流回電源的負(fù)極。在 N 極與 S 極之間有一個(gè)可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。 直流電動(dòng)機(jī)概述 直流電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)的一種類型，就是在工作狀態(tài)時(shí)通過(guò)消耗直流電產(chǎn)生的機(jī)械能的一種轉(zhuǎn)換裝置。作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。根據(jù) 相關(guān)的資料顯示，電動(dòng)機(jī)已占動(dòng)力資源的的很大一部分，它與人類的生活密不可分。第二部分包括了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 5 種啟動(dòng)方式的原理并通過(guò)仿真得出相應(yīng)波形。分類號(hào) 編 號(hào) U D C 密 級(jí) 中國(guó)民航飛行學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 Separately excited DC motor simulation Of start and brake 作者姓名 王俊鋒 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名及職稱 劉璐 講師 提交日期 20xx 年 3 月日 答辯日期 20xx 年 6 月 28 日 答辯委員會(huì)主任 評(píng) 閱 人 20 08 年 6 月 19 日 中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué) 院畢業(yè)論文 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 學(xué)生：王俊鋒 指導(dǎo)教師：劉璐 摘 要 本文利用 MATLAB/SIMULINK 進(jìn)行仿真包括：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)方式的仿真、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電路串電阻啟動(dòng)過(guò)程的仿真、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)方式的仿真、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)分級(jí)啟動(dòng)方式的仿真、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)方式的仿真以及他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)方式的仿真、反接制動(dòng)方式的仿真和回饋制動(dòng)方式的仿真。第三部分包括了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)3 種制動(dòng)方式的原理并通過(guò)仿真得出相應(yīng)波形。在電氣的時(shí)代，簡(jiǎn)單控制方法讓我們更加有效率地運(yùn)用電動(dòng)機(jī)，其中啟動(dòng)，制動(dòng)方式以各同的方式存在著，由于不同啟動(dòng)和制動(dòng)的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)有著不同的作用效果，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性和效率性也有著不同的影響。 （ 2）串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖 1（ c） 所示。 （ 4）復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 3 復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，接線如圖 1（ d） 所示。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)在工作時(shí)具有非常好的調(diào)速性能，所以在現(xiàn)代的電力拖動(dòng)中得到了很廣泛的應(yīng)用，它按照工作方式的不同，即按照勵(lì)磁方式不同分為永磁直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和自勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三類，其中自勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)又分為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三 種。直流電機(jī)的這一部分是電樞。在圖 2 所示的位置，線圈的 ab 邊在 N 極的作用下， cd 在 S 極下，電樞繞組中的電流沿著 abcd 的方向流動(dòng)。因此，必須改變電樞繞組中的電流方向。 直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)勢(shì) 電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生是因?yàn)榇鸥芯€被電樞繞組切割而出來(lái)的，由電磁感定律可以得出，電樞繞組上的每一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為： Blve? lB ??? （ 11） 602 npv ?? 中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 5 602 npe ?? （ 12） 將 eazEa 2? 代入（ 12）直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程可得出 : nCE e?? (13) 磁通 ? 的單位為 Wb ，轉(zhuǎn)速 n 的單位為 min/r ,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 的單位為 V ， p 為極對(duì)數(shù)，式中的 apzCe 60? 為一個(gè)常數(shù)，稱為電動(dòng)勢(shì)常數(shù) [2]。由物理學(xué)中電磁力的公式方程可知，電樞繞組中不管那一根導(dǎo)體所受的平均電磁力均為： BliF? (14) 上式中， i 表示的是每一根導(dǎo)體上流過(guò)的電流；而 B 則表示每一個(gè)磁極想的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，每極的磁通除以每極的面積就是它的值，即 : lB ??? （ 15） 上式中， ? 是極距； l 是長(zhǎng)度，是圓邊的有效長(zhǎng)度。直流電動(dòng)機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向是一樣的。銅的消耗量的多少主要是因?yàn)殡娏?、繞組的總電阻和電刷之間的接觸電阻大小有關(guān)。 （ 4） 附加損耗 adP :由于齒輪與齒槽之間存在泄露的磁感線所引起的損耗。電樞電流在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 7 生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩 T 驅(qū)動(dòng)某個(gè)機(jī)械器件，使其以某一速度來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，而通有電流的電樞繞組在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) E 。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C， FORTRAN 等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件 [4]。 （ 2） 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（如 for 循環(huán)， while 循環(huán)， break 語(yǔ)句， if 語(yǔ)句和 switch語(yǔ)句 )，又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦浴９δ苄怨ぞ呦渲饕脕?lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互的功能。MATLAB 由主包和功能各異的工具箱組成，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。 MATLAB7 針對(duì)編程環(huán)境、代碼效率、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)學(xué)計(jì)算、文件 I/O 等方面進(jìn)行了升級(jí)，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面： （ 1）窗體：重新設(shè)計(jì)的桌面環(huán)境，針對(duì)多文檔界面應(yīng)用提供 了簡(jiǎn)便的管理和訪問(wèn)方法；增強(qiáng)數(shù)據(jù)編輯器和工作空間瀏覽器的功能；增強(qiáng)了 M 文件編輯器，支持多格式源文件代碼分析。 （ 5）接口：新增文件 I/O 函數(shù)，使得具有壓縮功能的 MAT 文件格式具備了支持快速數(shù)據(jù)文件 I/O 的能力；支持 COM、 VBS、 SOAP、 FTP 和 Unicode 編碼格式。 Simulink 是 MATLAB 中一種可視化的仿真工具，它基于 MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，被廣泛應(yīng)用在線性 系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。 各模塊功能簡(jiǎn)介 Simulink 內(nèi)置 模型庫(kù)包含公共模型庫(kù)和專業(yè)模型庫(kù)： Simulink 的公共模型庫(kù)是 Simulink 中最 通用的模型庫(kù)，它可以應(yīng)用到不同專業(yè)，包括 16個(gè)子模塊庫(kù)，例如： （ 1） Commonly Used Blocks(常用模型庫(kù) ) 新版本的 Simulink 中，為了方便用戶使用，專門將常用的 22種 模塊放在了常用模型庫(kù)中。 E 與電機(jī) 轉(zhuǎn)速 n 成正比式中 Ke 為電壓常數(shù)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中 Ke 正比于 勵(lì) 磁電流fI ，式中 afL 為互感常數(shù) nKeE ?? （ 18） faf ILKe ?? （ 19） 電磁扭矩 Te正比于電樞電流 aI ，式中 Kt 為扭矩常數(shù)，扭矩常數(shù)等于電壓常數(shù)。其中 Tl 是負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入， m 為測(cè)量參數(shù)輸出， A+為電樞繞組正， F+為勵(lì)磁繞組正， A為電樞繞組負(fù)， F為勵(lì)磁繞組負(fù)。使用分支類型參數(shù)來(lái)選擇需要的要的分支包括的元素，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模塊多種功能用途，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊。并且示波器中的輸出波形也是按照這個(gè)順序顯示的。開始啟動(dòng)的一瞬間，轉(zhuǎn)速等于零，這時(shí)的電樞電流稱為啟動(dòng)電流，用 stI 表示，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟 動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用 stT 表示。由于電流過(guò)大，使電機(jī)出現(xiàn)換向不良，產(chǎn)生火花，甚至正負(fù)電刷間產(chǎn)生電弧，燒毀電刷架。 電樞電路串電阻啟動(dòng) 實(shí)際中，串電阻啟動(dòng)由于其啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，同時(shí)可以做到平滑快速的啟動(dòng)，因而得到廣泛應(yīng)用。即啟動(dòng)電流為： 21 KKaS RRr UI ??? （ 24） 啟動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 1T 。上升到 b 點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn) KM1 閉合，切除一段起動(dòng)電阻 1KR 。在切除起動(dòng)電阻1KR 的瞬間，由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為 bn ，其反電動(dòng)勢(shì)亦不變?？刂泣c(diǎn) KM2 閉合，又切除一切起動(dòng)電阻 2R 。 中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 17 降電壓?jiǎn)?dòng)的原理 啟動(dòng)過(guò)程分析如下： （ 1）電樞回路電壓為 1stU 的啟動(dòng)： 啟動(dòng)前雙刀雙擲開關(guān) S 斷開，電樞回路中存在電樞電阻 aR 。由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 1T 遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT ，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械開始啟動(dòng)，工作點(diǎn)沿人為特性 MaTn?1 由 1a 點(diǎn)向 2a 點(diǎn)移動(dòng)。 根據(jù)以上步驟可逐步升高電樞回路兩端 電壓 aU ，直至升至額定電壓 NU ，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。 分級(jí)啟動(dòng)是在電機(jī)串電阻的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)這種方式使得電機(jī)的電壓分三次升高至額定電壓，可以有效的減小電機(jī)的電樞繞組的電流峰值，從一定程度上提高了電機(jī)的壽命，目前這種控制方式運(yùn)行很廣泛，以下圖 3 是分級(jí)啟動(dòng)的核心部分，在啟動(dòng)時(shí)刻三個(gè)電阻都串聯(lián)電路中，采用不同時(shí)刻分別斷開的方式可以逐漸提高電樞繞組兩端的電壓，從而減小了啟動(dòng)電流的幅值。 圖 4 軟啟動(dòng)核心部分 圖 3 分級(jí)啟動(dòng)的核心 2B1S e r ie s R L C B r a nc h2S e r ie s R L C B r a nc h1S e r ie s R L C B r a nc hc12B r e a k e r 3c12B r e a k e r 2c12B r e a k e r 16 . 84 . 8 s2 . 8 s中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 19 仿真驗(yàn)證 使用 Simulink 建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)、電樞電路串電阻啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)、分級(jí)啟動(dòng)、軟啟動(dòng)的仿真模型，測(cè)取啟動(dòng)過(guò)程中的電壓、角速度、電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流的仿真曲線，并進(jìn)行比較。 示波器顯示的是電機(jī)的電樞電壓、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的波形見圖 6。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩跟電樞的電流成正比，啟動(dòng)時(shí)刻電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩突增，穩(wěn)定后為了與負(fù)