高立夫，劉軼強(qiáng)，孫良友（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

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基于Simulink的交磁式電機(jī)擴(kuò)大機(jī)運(yùn)行特性仿真

高立夫，劉軼強(qiáng)，孫良友
（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

摘要：分析了交磁式擴(kuò)大機(jī)以及普通直流電機(jī)的基本方程，使用MATLAB Simulink對(duì)某型艦用交磁式擴(kuò)大機(jī)及他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。并運(yùn)用仿真結(jié)果解釋了該型擴(kuò)大機(jī)曾出現(xiàn)的批次性質(zhì)量問題的原因并解決了該問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，為交磁式擴(kuò)大機(jī)的故障分析提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：交磁擴(kuò)大機(jī)直流電機(jī)仿真

0　引言

交磁式電機(jī)擴(kuò)大機(jī)是一種特殊的直流發(fā)電機(jī)，它的工作原理與普通直流電機(jī)的區(qū)別主要在于交磁式擴(kuò)大機(jī)利用了交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，從而可用一套電樞繞組實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大作用［1］。這類電機(jī)在早期有較廣泛的應(yīng)用，如今雖然大部分被電力電子設(shè)備替代，但在艦船上仍有一定的應(yīng)用。為了便于對(duì)該型電機(jī)進(jìn)行故障分析，采MATLAB/Simulink模塊對(duì)該型電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行特性仿真。

1　交磁式擴(kuò)大機(jī)的基本方程

交磁式擴(kuò)大機(jī)原理圖如圖1所示，根據(jù)其各繞組分布情況，可得出基本方程如下：

圖1　交磁式擴(kuò)大機(jī)原理圖

其中Mad、Maq分別為縱、橫軸勵(lì)磁繞組與電樞繞組的互感系數(shù)，Lfd、Lfq分別為縱、橫軸勵(lì)磁繞組自感系數(shù)，ψfd、ψfq分別為縱橫軸勵(lì)磁繞組總磁鏈，Ld、Lq分別為縱、橫軸電樞繞組自感系數(shù)，ψd、ψq分別為縱橫Q勢(shì)比例常數(shù)，φd、φq為氣隙中的縱、橫軸中的磁通。

φd顯然與ifd、id具有一定線性比例關(guān)系，φq同理，故可寫作：

假定氣隙磁場(chǎng)沿電樞表面正弦分布、電樞繞組沒有漏磁通并忽略電樞電勢(shì)脈動(dòng)的條件下，可推導(dǎo)出［2］：

將其與式（7）～（10）比較，可得：

顯然交磁式擴(kuò)大機(jī)無(wú)q軸勵(lì)磁繞組，且q軸電刷被短接，故Maq=0且uq=0。對(duì)于有補(bǔ)償繞組的擴(kuò)大機(jī)，在完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，由電樞電流id產(chǎn)生的磁通被完全抵消，可認(rèn)為Mad=0。在給定負(fù)載電阻rL，負(fù)載電抗LL的情況下，將 Maq=0及uq=0及（10）～（13）式代入（1）～（8）式，運(yùn)用特征矢量法最終求解得：

該式就是交磁式擴(kuò)大機(jī)在將電樞及補(bǔ)償繞組的電阻電感考慮為負(fù)載電阻電感的一部分時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式。

2　交磁式擴(kuò)大機(jī)的與普通直流電機(jī)的仿真對(duì)比

選用zkk400型電機(jī)作為仿真對(duì)象，ω=1500·2π/60=50π rad/s，rfd=17.72 Ω，Lq=0.017 H，Mad=0.042 H，Lfd=0.12 H，rq=ra+rb=0.034+0.011=0.045 Ω，其中ra為電樞繞組，rb為電刷接觸電阻。其額定勵(lì)磁電流為610 mA，額定輸出電壓為230V。

其輸出電壓的仿真結(jié)果如下圖所示：

圖2　zkk400擴(kuò)大機(jī)輸出電壓

對(duì)于普通他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，采用上述同樣的方法可求得：

其中ud為電機(jī)內(nèi)電勢(shì)。

選擇的他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)參數(shù)為：ω=1050×2π/60=35π rad/s，rfd=200 Ω，電樞電感La=0.024 H，勵(lì)磁繞組電感Lfd=0.6 H，互感M=6.2 H，ufd=440V。

其輸出電壓（內(nèi)電勢(shì)）的仿真結(jié)果如下圖所示：

圖3　普通直流發(fā)電機(jī)輸出電壓

顯然，交磁式擴(kuò)大機(jī)的輸出電壓相對(duì)于控制電壓經(jīng)過2級(jí)放大，其電壓放大系數(shù)為：

而普通直流電機(jī)的相當(dāng)于一階慣性放大環(huán)節(jié)［3］，其電壓放大系數(shù)為：

3　運(yùn)用仿真結(jié)果解決實(shí)際問題

在實(shí)際生產(chǎn)中，該型號(hào)交磁式擴(kuò)大機(jī)曾出現(xiàn)過批次性質(zhì)量問題，主要體現(xiàn)在電機(jī)運(yùn)行時(shí)空載電壓持續(xù)跌落，需不斷增大勵(lì)磁電流才能維持電流恒定。由于產(chǎn)品年代久遠(yuǎn)，對(duì)此問題原因查找頗費(fèi)了一番周折。最終確定是由于在運(yùn)行發(fā)熱后，碳刷與換向器表面接觸情況變差，導(dǎo)致接觸電阻不斷增大，最終影響電機(jī)輸出電壓，下面以仿真說明。

假設(shè)上述交磁式擴(kuò)大機(jī)接觸電阻由0.011增加到0.02 Ω，則其輸出電壓如下圖所示：

圖4　接觸電阻變化后擴(kuò)大機(jī)輸出電壓

顯然，電機(jī)輸出電壓減少至約190V，較額定電壓跌落了約17.3%，所以必須補(bǔ)充勵(lì)磁電流才能維持輸出電壓恒定。而通過普通直流發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)可知接觸電阻的變化對(duì)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的影響可以忽略，其電刷壓降雖然增加了一倍，但仍可以忽略，所以普通直流電機(jī)這種程度的接觸電阻變化的影響可以忽略不計(jì)。正是由于交磁式擴(kuò)大機(jī)的特殊性，其輸出電壓相當(dāng)于經(jīng)過兩級(jí)放大，電機(jī)內(nèi)部一些較小的參數(shù)變化都可能導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生較大變化。

4　結(jié)論

通過分析交磁式擴(kuò)大機(jī)的基本方程以及普通直流電機(jī)的基本方程，并通過MATLAB進(jìn)行仿真，可以很直觀的對(duì)兩者的性能進(jìn)行比較，并可以運(yùn)用交磁式擴(kuò)大機(jī)的基本方程及仿真結(jié)果解決出現(xiàn)的實(shí)際問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃立鈁，徐權(quán).電機(jī)放大機(jī)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1965.

［2］高景德，張麟征.電機(jī)過渡過程的基本理論及分析方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

［3］辜承林.機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)分析［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，1998.

Operating Characteristics Simulation of Cross Magnetic-type Expansion Motor by Simulink

Gao Lifu，Liu Yiqiang，Sun Liangyou
（Naval Representatives Office in Hunan，Xiangtan 411101，Hunan，China）

Abstract:The basic equation of cross magnetic type expansion motor and DC motor is analyzed.A kind of cross magnetic-type expansion motor and DC motor used on ship are simulated by the Simulink，and the simulation result are compared with each other.The reason of the batch quality problem of the motor is explained by use of the simulation results，and the problem is solved，that ensures the product quality and provides a theoretical basis to analyze the problem of the cross magnetic type expansion motor.

Keywords:cross magnetic type expansion motor； simulation

中圖分類號(hào)：TM33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0061-03

收稿日期：2016-03-01

作者簡(jiǎn)介：高立夫（1989-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程。