基于Simulink的交磁式电机扩大机运行特性仿真

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410111）



基于Simulink的交磁式电机扩大机运行特性仿真

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410111）

摘要：分析了交磁式扩大机以及普通直流电机的基本方程，使用MATLAB Simulink对某型舰用交磁式扩大机及他励直流发电机进行仿真，对仿真结果进行了对比。并运用仿真结果解释了该型扩大机曾出现的批次性质量问题的原因并解决了该问题，保证了产品质量，为交磁式扩大机的故障分析提供了理论基础。

关键词：交磁扩大机直流电机仿真

0　引言

交磁式电机扩大机是一种特殊的直流发电机，它的工作原理与普通直流电机的区别主要在于交磁式扩大机利用了交轴电枢反应磁场，从而可用一套电枢绕组实现两级放大作用［1］。这类电机在早期有较广泛的应用，如今虽然大部分被电力电子设备替代，但在舰船上仍有一定的应用。为了便于对该型电机进行故障分析，采MATLAB/Simulink模块对该型电机进行运行特性仿真。

1　交磁式扩大机的基本方程

交磁式扩大机原理图如图1所示，根据其各绕组分布情况，可得出基本方程如下：

图1　交磁式扩大机原理图

其中Mad、Maq分别为纵、横轴励磁绕组与电枢绕组的互感系数，Lfd、Lfq分别为纵、横轴励磁绕组自感系数，ψfd、ψfq分别为纵横轴励磁绕组总磁链，Ld、Lq分别为纵、横轴电枢绕组自感系数，ψd、ψq分别为纵横Q势比例常数，φd、φq为气隙中的纵、横轴中的磁通。

φd显然与ifd、id具有一定线性比例关系，φq同理，故可写作：

假定气隙磁场沿电枢表面正弦分布、电枢绕组没有漏磁通并忽略电枢电势脉动的条件下，可推导出［2］：

将其与式（7）～（10）比较，可得：

显然交磁式扩大机无q轴励磁绕组，且q轴电刷被短接，故Maq=0且uq=0。对于有补偿绕组的扩大机，在完全补偿的情况下，由电枢电流id产生的磁通被完全抵消，可认为Mad=0。在给定负载电阻rL，负载电抗LL的情况下，将 Maq=0及uq=0及（10）～（13）式代入（1）～（8）式，运用特征矢量法最终求解得：

该式就是交磁式扩大机在将电枢及补偿绕组的电阻电感考虑为负载电阻电感的一部分时，输出电压与输入电压的传递函数表达式。

2　交磁式扩大机的与普通直流电机的仿真对比

选用zkk400型电机作为仿真对象，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为电枢绕组，rb为电刷接触电阻。其额定励磁电流为610 mA，额定输出电压为230V。

其输出电压的仿真结果如下图所示：

图2　zkk400扩大机输出电压

对于普通他励直流发电机，采用上述同样的方法可求得：

其中ud为电机内电势。

选择的他励直流发电机参数为：ω=1050×2π/60=35π rad/s，rfd=200 Ω，电枢电感La=0.024 H，励磁绕组电感Lfd=0.6 H，互感M=6.2 H，ufd=440V。

其输出电压（内电势）的仿真结果如下图所示：

图3　普通直流发电机输出电压

显然，交磁式扩大机的输出电压相对于控制电压经过2级放大，其电压放大系数为：

而普通直流电机的相当于一阶惯性放大环节［3］，其电压放大系数为：

3　运用仿真结果解决实际问题

在实际生产中，该型号交磁式扩大机曾出现过批次性质量问题，主要体现在电机运行时空载电压持续跌落，需不断增大励磁电流才能维持电流恒定。由于产品年代久远，对此问题原因查找颇费了一番周折。最终确定是由于在运行发热后，碳刷与换向器表面接触情况变差，导致接触电阻不断增大，最终影响电机输出电压，下面以仿真说明。

假设上述交磁式扩大机接触电阻由0.011增加到0.02 Ω，则其输出电压如下图所示：

图4　接触电阻变化后扩大机输出电压

显然，电机输出电压减少至约190V，较额定电压跌落了约17.3%，所以必须补充励磁电流才能维持输出电压恒定。而通过普通直流发电机的传递函数可知接触电阻的变化对电机内电势的影响可以忽略，其电刷压降虽然增加了一倍，但仍可以忽略，所以普通直流电机这种程度的接触电阻变化的影响可以忽略不计。正是由于交磁式扩大机的特殊性，其输出电压相当于经过两级放大，电机内部一些较小的参数变化都可能导致输出电压发生较大变化。

4　结论

通过分析交磁式扩大机的基本方程以及普通直流电机的基本方程，并通过MATLAB进行仿真，可以很直观的对两者的性能进行比较，并可以运用交磁式扩大机的基本方程及仿真结果解决出现的实际问题。

参考文献：

［1］黄立鈁，徐权.电机放大机［M］.上海：上海科学技术出版社，1965.

［2］高景德，张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法［M］.北京：科学出版社，1985.

［3］辜承林.机电动力系统分析［M］.武汉：华中科技大学出版社，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

中图分类号：TM33

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0061-03

收稿日期：2016-03-01

作者简介：高立夫（1989-），男，助理工程师。研究方向：电气工程。