直流电机弱磁调速的临界条件

1、第36卷第1期2014年2月电气电子教学学报JOUNAL OF EEEVol36No1Feb2014收稿日期:2013-08-24;修回日期:2013-09-30基金项目:山东科技大学群星计划资助项目(编号:qx2013240第一作者:宋保业(1982-,男,博士,讲师,主要从事电机与运动控制方面的教学与科研工作,E-mail :songbaoyegmailcom 直流电机弱磁调速的临界条件宋保业,许琳,公茂法(山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266590摘要:本文针对直流电机弱磁调速后转速的变化问题,分析了弱磁升速时电机工作点参数应满足的条件,进一步给出了直流电机弱磁调速的临界条件,

2、并通过Matlab /Simulink 仿真对理论分析进行了验证。理论分析和仿真实验表明,若要实现直流电机的弱磁升速,则弱磁调速前电机工作点的转速必须大于临界转速或弱磁幅度应小于临界值。关键词:直流电机;弱磁调速;Simulink 仿真中图分类号:TM331文献标识码:A文章编号:1008-0686(201401-0061-02Critical Condition for Speed Adjusting with Field Weakening of DC MotorSONG Bao-ye ,XU Lin ,GONG Mao-fa(College of Information and Elec

3、trical Engineering ,Shandong University of Science and Technology ,Qingdao 266590,China Abstract :Aiming at the problem of variation in speed after speed adjusting with field weakening ,this paper analy-ses the conditions to be satisfied for working point parameters when DC motor is raising speed by

4、 field weakening ,and the critical conditions are given for speed adjusting with field weakeningAll of the analyses are verified with Matlab /Simulink simulationBoth the theory analyses and simulation experiments demonstrate that ,in order to rise DC motor speed by field weakening ,the speed at the

5、working point must greater than the critical speed or the am-plitude of filed weakening should be less than the critical valueKeywords :DC motor ;speed adjusting with field weakening ;Simulink simulation 直流电机弱磁调速是通过控制功率较小的励磁回路来完成对电机转速的控制,调速方法简单、能耗小、平滑性高,且能够使电机在高于额定转速下运行,因此在恒功率调速等场合得到了广泛应用。然而,“电机学”课程

6、的初学者对弱磁后电动机的转速是升高还是降低,如何判断等往往不易掌握。为此,本文推导了弱磁调速的临界条件,具有直观的物理意义,在教学中取得了良好的效果。1问题的提出根据直流电动机的机械特性1n N =U NC E a C E C T 2T e=n 0n (1式中,n 0=U N /C E 为理想空载转速,n =a T e /C E C T 2为转速降,T e 为电动机的电磁转矩,C E 、C T 分别为电势和转矩常数,U N 是额定电压,a 是电枢等效电阻。磁通弱磁调速时,减小,n 0和n 增大,且n 的增幅大于n 0,那么n N =n 0n 是增大还是减小呢?弱磁升速应满足什么条件?这是教学过

7、程中经常遇到的问题。针对这一问题,文献1分别从电动机的机械特性和电动机的调速过程两个方面,从实例出发分析了弱磁升速的过程,但没有给出一般性结论。文献3推导出以磁通为自变量、电磁转矩为参数、转速为因变量的关系式:n N =U N C E a C E C T 2T e =-A 1(B 2+C T U 2N4a C E T e(262电气电子教学学报第35卷其中,A=a T/C E C T0,B=U N/2AC E=C T U N/2a Te0为两个常数。由式(2可以看出,弱磁后转速是否增减与弱磁前的工作点T e(=T L,1/有关,这里T L为负载转矩。这一结论揭示了弱磁调速的非线性性质,但在教学

8、过程中缺乏物理意义的直观性。为此,本文推导了弱磁调速的临界条件,作为教材的补充。2弱磁调速的临界条件我们以他励直流电动机为例,推导弱磁升速的条件。设电机接恒转矩负载(即稳态时T e=T L运行于额定转速,弱磁后磁通变为原磁通的倍,则弱磁升速应满足关系式为UNCE aCECTTe=nn2nN=nn(3我们由上式,容易推导得出弱磁升速时应满足关系:n/n0/(1+(4n N n/(1+(5此即,若通过弱磁为原磁通的倍实现弱磁升速,则弱磁前的静差率n/n0应小于/(1+,或弱磁前的额定转速n N应大于n0/(1+。另一方面,对于静差率为n/n0和额定转速为n N的直流电动机,若要通过弱磁实现升速,则

9、弱磁后的磁通应大于原磁通的(n/n0/(1n/n0倍或n/n N倍,即对弱磁的幅度要有一定的限制。以上讨论了弱磁升速的条件。显然,当上述不等式变为等式时,即为弱磁调速的临界条件。对弱磁升速来说,调速前的静差率或转速降应较小,否则如果超过临界点,则弱磁后电动机转速不但不升高反而下降。下面通过Matlab/Simulink仿真实验验证这一结论。3仿真实验仿真实验使用Matlab/Simulink中的模块DC Machine。模块参数取默认值,理想空载转速n= 1275rpm。实验系统结构如图1所示。实验1直流电机接30Nm恒转矩负载,稳态时转速n N=1220rpm,电机启动5s后弱磁调速,弱磁倍

10、数=05,电机转速变化如图2所示。以上参数满足式(5,故弱磁后电机升速为2330rpm。实验2直流电机接300Nm恒转矩负载, 稳图1弱磁调速实验系统结构图态时转速n N=742rpm,弱磁调速时间和弱磁倍数不变。由于弱磁前电机转速小于临界转速850rpm,因此弱磁后转速下降为426rpm,电机转速变化如图3所示 。图2实验1转速变化图图3实验2转速变化图另外,对于实验1中弱磁前的电机参数,要取得弱磁升速的效果,弱磁倍数应高于0045,实验中取05显然满足要求。对于实验2,若要实现弱磁升速则要求弱磁倍数高于0718,由于超过了弱磁倍数的临界点,因此弱磁后转速反而下降。4结语本文从直流电机弱磁后转速的变化问题出发,以他励直流电机为例,推导了直流电机弱磁调速的临界条件。该临界条件具有直观的物理意义,从而容易判断弱磁调速前的电机工作点参数是否满足弱磁升速的要求。通过理论分析和仿真实验表明,弱磁前转速低于临界