基于Simulink的幅压并励直流电动机运行特性仿真

2015-10-14高立夫刘轶强孙良友

船电技术 2015年2期

高立夫，刘轶强，孙良友

高立夫，刘轶强，孙良友

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭411101）

分析了并励直流电动机的等效电路及数学模型，并通过MATLAB中的Simulink功能对某型船用直流幅压电机的运行特性进行建模，对该电机的空载、带额定负载以及电压突变时的运行状况进行了仿真。抽取一台样机进行了试验，通过仿真与试验结果的对比，检验了建立的电机模型的准确性，说明可以通过该模型的仿真研究幅压并励直流电动机的各种工况，从而验证电机的设计是否合理，保证电机可靠运行。

幅压并励直流电动机 Simulink 仿真

0 引言

幅压直流电动机广泛应用于由潜艇等由蓄电池供电的直流独立电源系统，受蓄电池的浮动电压影响，电机需要能够在一个电压范围内正常工作。某型船用幅压直流电机就是专门针对这种工况设计的一种特殊电机，该电动机供电方式为并励式，其工作电源由蓄电池提供，电压变化范围为350~640 V，常态工作电压为440 V，采用MATLAB中的Simulink模块对该电机运行特性进行仿真研究，确保电机设计合理，可靠运行。

1 并励直流电机数学模型

不考虑电机机械损耗时，直流并励电机的等效电路图如图1所示，由图1可推导出并励直流电机的端口运动方程为[2]：

(1)

图1 并励直流电机等效电路图

由该式推导得出电机状态方程：

其中a，f分别为电枢绕组和励磁绕组的电感，af为磁场与电枢绕组间的互感，ω为机械摩擦系数，为电机的角速度，L为电机的负载转矩。

根据公式（2）可以得到并励直流电机的数学模型如图2所示，根据图2即可设计仿真模型。

图2 并励直流电机数学模型

2 电机空载特性仿真

直流幅压电机工作电压范围为350~640 V，额定电压为N=440 V，额定转速N=1050 r/min，额定功率N=15.7 kW，最大启动电流小于150A，电枢绕组a=0.617 Ω，f=710 Ω，电枢电感a=0.024 H，励磁绕组电感Lf=0.6H，互感af=6.2 H，忽略电机机械损耗，采用Simulink对该电机进行仿真。直流电机一般不允许采用直接启动[3]，故该电机采用串电阻启动的方式，电枢回路串入电阻阻值为3 Ω，=1 s时切除电阻1=1.8 Ω，=2 s时切除电阻2=1.2 Ω，空载时L=0，仿真模型如图3所示。在仿真模型中，将启动电阻算入电枢回路电阻，则其计算方法为：

图3 并励直流电动机仿真模型

仿真得到的电枢电流和转速结果分别如图4所示，可知空载起动时电枢电流最大不超过120 A，空载稳态转速为1103 r/min。

图4 空载时电枢电流与转速

3 电机带额定负载特性的仿真

当电机带额定负载运行时，负载转矩L=125.3 N·m，电机的仿真结果如图5所示。

图5 额定负载时电枢电流与转速

由图5可知电机带额定负载起动时，电枢电流不超过120 A，稳态转速为1049 r/min，电压调整率为[4]：

由于电机工作电压范围在350~640 V，考虑电机工作电压突然由440 V跌落至350 V和从440 V升至640 V两种情况，在仿真模型中设置=5 s时电压发生阶跃，则其仿真结果如图6所示。由图可知，当工作电压突然升至640 V时，稳态转速为1077 r/min；当工作电压突然降至350 V时，稳态转速降至1017 r/min，并且在电压发生突变时，电枢电流并没有发生突变。

结合设计咨询工作，在一些咨询项目中已应用了开发的部分软件，现在选择了上海·中骏世界城、苏州绿地中央广场1#地块项目作为软件应用的示范工程，开始在工程中应用软件，如图12和图13所示。