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直流电动机机械特性曲线Matlab仿真

1.选题目的与意义

与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调

速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损

耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠。在许多工业部

门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、电缆设备

等对线速度一致性要求较高的地方，通常都采用直流电动机作为

原动机来拖动工作机械。直流电动机作为原动机带动各种生产机

械工作，想负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它

的用途，例如测速电机、伺服电机等。

直流电动机由于具有调速性能好、制动控制便利、启动转矩

大的特点而在工业等领域广泛应用。直流电动机主要分为四种，

其中他励直流电动机的应用是最广泛的，故研究他励直流电动机

的机械特性便更有一定的指导意义，也是我们选择这个课题的原

因。

电动机的机械特性，即电动机的转速n随着转矩T而变化的

特性，可表达成n=f（T）的函数关系。在特性曲线上，电机的转

速与电磁转矩关系是瞬时的，电磁转矩的变化将引起转速瞬时变

化。若能更好地了解电动机的机械特性，就能在合适的场合使用

更适合的电动机，同时也能更好把握其机械特性对于启动、调速、

制动等方面的应用。下面我们将通过Matlab软件对他励直流电动

机的机械特性进行仿真分析，从而得出一些结论。

2.理论基础

他励直流电机电路如下图所示：

忽略电机电刷接触压降，可得电枢回路电势平衡方程式：

U=Ea+IaRa(2-1)

其中Ra为电枢回路电阻，Ea为主磁场在电枢绕组中的感应

电动势，称为电枢反应电势。

在直流电机中，电势是由电枢绕组切割磁感线产生的，根据

电磁感应定律有：

Ea=CeΦn(2-2)

其中Ce是由电机的结构决定的参数，称为电势常数。

在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流和磁场相互作用产生

的电磁力形成的，于是有：

Te=CTΦIa(2-3)

其中，CT是由电机结构决定的常数，称为电势常数。

3.数学模型

选题要求如下：

一台他励直流电动机额定数据如：PN=12kW，UN=220V，IN=60A，

nN=1500rpm，电枢回路总电阻（含电刷接触电阻）Ra=0.4Ω，采

用MATLAB完成下列曲线的绘制：

（1）电枢回路外串不同电阻时人工机械特性

（2）改变电枢电压时的人工机械特性

（3）弱磁调速时的人工机械特性

查阅相关资料，得直流电机机械特性表达式：

电枢回路所串电阻Rad阻值计算过程如下：

当Rad等于零时，得到的直流电机机械特性，称之为直流电

机的固有机械特性。此时有：

则其固有机械特性的表达式为：

4．仿真波形

由上述理论分析与数学建模得出的结果，通过Matlab进行

编程，得到的仿真波形如下：

（1）电枢回路外串不同电阻时人工机械特性

（2）改变电枢电压时的人工机械特性

（3）弱磁调速时的人工机械特性

5.仿真波形分析

（1）电枢回路外串不同电阻时人工机械特性

（保持U、If为额定值）

与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有

如下一些特点：

I．理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻Rad

的变化而变化。（如直线a所示）

II．随着串接电阻Rad的加大，人为机械特性直线的斜率也

会增大，转速落差△n加大。（如直线b、c所示）可见此时直流

电机的机械特性变软，稳定性将下降。

III．机械特性由与纵坐标轴交于一点（n=n0），但具有不同

斜率的一组射线组成。

IV．串接电阻Rad越大，电枢电流流过Rad所产生的损耗就

越大。

（2）改变电枢电压时的人工机械特性