1、课程设计名称： 电机与拖动课程设计 题 目：他励直流电动机降压启动设计 学 期： 2013-2014 学年第 2 学期 专 业： 电技 班 级： 12-2 班 姓 名： 孙彬彬 尹静雯 学 号： 1205020216 1205020225 指导教师： 王巍 辽 宁 工 程 技 术 大 学课 程 设 计 成 绩 评 定 表评定评定指标 标准合格 不合格合理性正确性单元电路及整体设计方案创新性是否进行仿真或实践技术指标或性能符合设计要求仿真或实践有完成结果格式正确内容充实设计报告语言流畅评定标准标准说明：以上三大项指标中，每大项中有两小项或三小项合格，视为总成绩合格。总成绩日 期 2014 年 7
2、 月 04 日课程设计任务书一、设计题目直流电动机串电阻起动分析与设计二、设计任务一台 Z4 他励直流电动机，P aN=200kW，U aN=440V，I aN =497A，n N =1500r/min，Ra=0.2。采用降低电枢电压起动时，求起动级数和各级切换时电枢回路电压大小。三、设计计划电机与拖动课程设计共计 1 周内完成：1、第 12 天查资料,熟悉题目；2、第 35 天方案分析,具体按步骤进行设计及整理设计说明书；3、第 6 天准备答辩；4、第 7 天答辩。四、设计要求1、设计工作量为完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度计划按期完成；3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。
3、指导教师：王巍时 间：2014 年 6 月 27 日摘 要通过降低电枢电压，可以减小他励直流电动机的启动电流和转矩。分析了他励直流电动机多级降压的启动原理，给出了多级启动电压的计算选择方法。以一个实际他励电动机为例进行分析，设计了该电动机电枢五级降压的启动系统，通过编程画出了该直流电动机五级降压启动的机械特性图。通过 Matlab 对直流电动机的直接启动和串电阻启动进行了建模和仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性。关键词：他励直流电动机 降压启动 机械特性 仿真目录1 引言 12 他励电动机转子串电阻启动原理 13 降压启动启动电压的计算选择 24 实例分析 35 仿真验证 55.1 他励 直
4、流电动机直接启动仿真 .65.2 他励直流电动机降压启动仿真 .106 结论 12参考文献 1211 引言直流电动机接入电源后，从静止状态上升到稳定运行状态的过程，称为启动过程。对直流电动机启动时有两条基本要求：第一，要有足够大的启动转矩（即转速为零时的电磁转矩） ，使电动机在负载状态下能够顺利启动，并且stT启动过程所需的时间应尽量缩短；第二，启动电流要尽量小，应限制在换向允许的最大电流以内，保证换向良好。他励直流电动机启动时，为保证有足够大的启动转矩及启动时转速不过高，应使磁通为额定值，且励磁回路绝对不允许短路。直接启动时，他励直流电动机电枢加额定电压 ，电枢回路不串任何电阻，NU此时由于
5、 ， ，根据式（1）得到式（2） 。0naE由于电枢回路总电阻 较小，所以 可达额定电流 的十几甚至几十倍。aRstII这样大的电流可造成电机换向严重不良，产生火花，设置正、负电刷间出现电弧，烧毁电刷及换向器。另外，过大的启动电流使启动转矩 过大，会造成机stT械撞击，因此事不允许的。一般只有微型直流电动机，由于自身电枢电阻大，转动惯量小，启动时间短，可以直接启动，其他直流电动机都不允许直接启动。* MERGEFORMAT 1(1)aUEIR* MERGEFORMAT 2(2)aNst* MERGEFORMAT 3(3)TCI因此，必须将启动电流限制在运行范围之内。由式（2）可以看出，要限制启
6、动电流 的大小，可有两种方法：降低电枢电压 和在电枢回路串接附加电stI NU阻 。aR2 他励电动机转子降压启动原理M1stU2stU+ +- -stI+-fIfUS1n2LT21MTem)(I)(I)(aI2bstst21ststU(a) 电路图 (b) 机械特性图 1 他励电动机降压分级启动启动过程分析。启动步骤如下：2电枢回路电压为 的启动：1stU启动前双刀双掷开关 S 断开，电枢回路中存在电枢电阻 。在励磁回路中aR加上励磁电压 Uf，保持励磁电流 If 为额定值不变，然后使双刀双掷开关 S 置左，此时他励直流电动机以电枢回路两端电压为 启动。这是电动机的机械特性如1stU图 1（
7、b）中的人为特性 。刚启动时，电压 比较低，启动电流 不大。Man1 stI由于启动转矩 T1 远大于负载转矩 TL，电动机拖动生产机械开始启动，工作点沿人为特性 由 点向 点移动。an2电枢回路电压由 切换到 的过程：1st2st当工作点到达 a2 点，即电磁转矩 T 等于切换转矩 T2 时，双刀双掷开关 S置右，将电枢回路电压由 切换到 ，此时电枢回路两端电压为 。这时stUst 2stU电动机的机械特性变为人为特性 。切换的瞬间转速来不及改变，工作点由bn2特性 上的 点平移到特性 上的 点，使得这时的电磁转矩 T 仍等于Mn11M1T1，电动机继续加速，工作点沿特性 n0Mb 由 点向
8、 点移动。2根据以上步骤可逐步升高电枢回路两端电压 ，直至升至额定电压 ，aUN启动过程结束。在升压的过程中，电枢回路两端电压 不能升得太快，否则电流还会发生较大的冲击。现在可以利用控制系统，使电源电压连续升高，启动过程更短，更平稳。3 降压启动启动电压的计算选择 选择启动电流 I1 和切换电流 I2为保证与启动转矩 T1 对应的启动电流不会超过运行的最大电枢电流 Iamax，选择* MERGEFORMAT 4(4)aNII)0.51(对应的启动转矩* MERGEFORMAT 5(5)TT).2(1为保证一定的加速转矩，减小启动时间，一般选择切换转矩为* MERGEFORMAT 6(6)L).
9、(2若 TL 未知，可用 TN 代替。对应的切换电流 T2 为* MERGEFORMAT 7(7)LII).1(IL 是与 TL 对应的稳态电枢电流。若未知，可用 IaN 代替。 求出起切电流（转矩）差 * MERGEFORMAT 8(8)12 确定切换电压源次数 mm 的计算公式为* MERGEFORMAT 9(9)amNRU式中， 为 m 级启动时的电枢启动总电阻。aMU1I3该公式的推导过程如下：由于 ，故 ，即12cbn12cbEIRUIaNa)(22* MERGEFORMAT 10(10)a由于 ，故 ，即12ban12baE12IIa)(1RU* MERGEFORMAT 11(11
10、)a12可见若 m 级启动 ，由于 ，故 ，即aman)1( amE)1(* MERGEFORMAT 12(12)(对式（10） （11） （12）求和，可得* MERGEFORMAT 13(13)aNR式（13）两边进行整理变得到了式（9） 。若式（9）求出的 m 不是整数，可取相近整数。若 m 已知，上述步骤中除求 外，其余都可省略。1I 重新计算 ，校验 是否在规定范围内2I若 m 是取相近整数，则需重新计算 。由式（13 ）可知计算 的公式为* MERGEFORMAT 14(14)RUamN根据重新求得的 ，由式（ 8）重新求出 ，并校验 是否在式（7）所规2I2I定的范围之内。若不在
11、规定范围之内，需调整 或加大启动级数 m，重新计算1 和 I2，直到满足要求为止。求出各级启动电压根据前面的分析可知，计算各级启动电压的一般公式为* MERGEFORMAT 15(15)aiiRU1式中，i=1 ， 2，m。4 实例分析一台 Z4 他励直流电动机PN=200kW， UaN=440V，I aN=497A，n N=1500r/min，R a=0.2，采用降低电枢电压起动时，求起动级数和各级切换时电枢回路电压大小。 启动电阻计算(1) 选择 和1I2=(745.5994)AaNII)0.251(=(546.7596.4)A2取 = 840 A， =560A。1I2I(2) 求出起切电
12、流差 AI280568421(3) 求出切换电压源次数 m4VRIUam1682.08413.5N取 m=5。(4) 重新计算 ，校验 I2AmRaN285.0164 I-812I2 在规定的范围之内。(5) 求出各级切换时电枢回路电压大小 VUaN3845604 R232 a1 10 启动特性分析他励电动机的转速与转矩之间的关系，即机械特性关系式为* MERGEFORMAT 16(16)2TEaCRUn已知，P N=200kW，U aN=440V，I aN=497A，n N=1500r/min，R a=0.2。额定状态时，有* MERGEFORMAT 17(17)EaaNI可得 27.015
13、4970NaaEnRIC6.26ET m8N.11 I.30722CaNT 914当电枢回路两端的电压不同时，他励电动机的机械特性也不同。当电枢电压分别为 时，代入式（16） ，使用如下指令：54321U,，clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.2; U0=150;U1=202;U2=262;U3=328;U4=384;I1=840;I2=558;T=0: 1:2500;n= UaN/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);n0= U0/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);n1= U1/CEFai-Ra.
14、*T./( CEFai*CTFai);n2= U2/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);n3= U3/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai)5n4= U4/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);plot(T, n, T,n0,T, n1, T, n2, T, n3, T, n4)title(他励直流电动机启动机械特性图), xlabel(电磁转矩 T(或电枢电流 Ia), ylabel(转速 n)hold onT1= CTFai*I1;T2= CTFai*I2;plot(T1, n4,T2,n4)hold off在 Matlab 运行窗口下
15、运行，可画出他励直流电动机串 5 级电阻启动时的机械特性，如图 2 所示。用下面程序，可计算出电磁转矩 Te=T2=1.4638103Nm 时，固有特性和降压启动机械特性对应的转速分别为：nT2 =1.2862e+003,n0T2 =206.1200.n1T2 =399.788,n2T2 =623.2522,n3T2 =869.0622,n4T2 =1.0776e+003。clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.2; U0=150;U1=202;U2=262;U3=328;U4=384;I1=840;I2=558;T=1213.5;nT2=
16、UaN/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n0T2= U0/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n1T2= U1/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n2T2= U2/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n3T2= U3/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n4T2= U4/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)图 2 他励直流电动机启动机械特性图5 仿真验证使用 Simulink 建立他励直流电动机直接启动和多级降压启动的仿真模型，测取启动过程中的转速、电磁转矩和电枢电流的仿真曲线，并进行比较。65.1 他励
17、直流电动机直接启动仿真直流电动机直接启动时，启动电流很大，可达到额定电流的 1020 倍，由此产生很大的冲击转矩。在实际运行时不允许直流电动机直接启动。使用Simulink 对他励直流电动机的直接启动过程建立仿真模型，通过仿真获得直流电动机的直接启动电流和电磁转矩的变化过程。（1）建立仿真模型仿真模型如图 3 所示 3-4。图中主要包括直流电动机模块（DC Machine） 、直流电源模块（DC Voltage Source） 、理想开关模块（Ideal Switch） 、开关模块（Switch） 、增益模块（Gain） 、电子模块（RLC Branch） 、示波器模块（Scope）等。仿真模
18、型中，通过理想开关模块控制直流电源的接通和断开。使用开关模块控制电机的转矩，使电机在启动过程中的转矩为空载转矩，当转速达到设定值之后，使电机工作在给定的负载转矩。w2n60/(2*pi)powerguiContinuousXY GraphTimerSwitchScope1ScopeIdeal Switchg1 2Ef=180VE=440VDC Machine200kw;440V;493A;1500rpmTL mA+F+A-F-dcConstant Torque11274.3Constant Torque00Ifw nnIaTe图 3 他励直流电动机直接启动仿真模型原理图 2）模块参数设置1）直
19、流电动机模块。直流电动机的参数设置窗口如图 4 所示 5-6，其中：Configuration（配置）标签中，如图 4（a ）所示，包括如下参数：Preset model 预设模型选项，有一些模块中预先设定好参数的模型可以使用，本例没有使用预设模型，所以选定了 No 选项；Mechanical input 机械输入选项，分为功率输入（Mechnical power Pm）和转速输入（ Speed w）方式两种可选，本例选择了功率输入方式，也就是转矩形式输入；Parameters（参数）标签中，如图 4（b）所示，包括如下参数：Armature resistance and inductance
20、 Ra (ohms) La (H) 电枢电阻和电感，用来设定电枢的电阻值和电感值；Field resistance and inductance Rf (ohms) Lf (H) 励磁绕组电阻和电感，用来设定励磁绕组的电阻值和电感值；Field armature mutual inductance Laf (H) 励磁绕组和电枢之间的互感；7Total inertia J (kgm2) 电机总转动惯量；Viscous friction coefficient Bm (Nms) 摩擦系数；Coulomb friction torque Tf (Nm) 库仑摩擦转矩；Initial speed (
21、rad/s) 初始角速度。按照 4 中的参数分别设置直流电动机的各个参数 7-9。Advanced（高级）标签中，只有 Sample time（采样时间）设置，默认为 -1。直流电机的 m 端口输出是一个包含四个信号的矢量，如表 1 所示，可以通过信号分解模块把这四个信号分开。这四个信号分别为转速 n（rad/s） 、电枢电流 ia、励磁电流 if 和电磁转矩 Te。表 1 直流电机的 m 端口输出信号Signal Definition Units1 Speed wm rad/s2 Armature current ia A3 Field current if A4 Electrical to
22、rque TeNm8（a） Configuration（配置）参数设置（b）Parameters （参数）参数设置图 4 直流电动机模块参数设置图2）直流电源模块（DC Voltage Source）直流电源模块设置如下：Amplitude (V) 幅度，设定直流电源的电压幅值，本例设置在仿真图中已经标出；Measurements 测量选项，有 None（无）和 Voltage（电压）两个备选项。3）理想开关模块（Ideal Switch）理想开关的参数设置如图5所示，其中：nternal resistance Ron (ohms) 内部导通电阻；Initial state (0 for op
23、en, 1for closed) 初始状态， 0 表示端口，1 表示接通；Snubber resistance Rs (ohms) 吸收电阻；Snubber capacitance Cs (F) 吸收电容；Show measurement port 测量端口显示控制选项，选定后模块会出现一个标记为 m 的输出端口，可以用来测量模块的电压电流等参数。图 5 理想开关模块参数设置图94）定时器模块（Timer）定时器的参数设置如下所示：Time (s) 时间参数，表示随后一项 Amplitude（幅度）值改变的时刻，本例设置为：0 0.1 ；Amplitude 幅度，本例设置为：0 1。图 5 理
24、想开关模块参数设置图5）开关模块（Switch）开关的参数设置如图 6 所示，主标签（Main）中：Criteria for passing first input 输入判定标准选项，有 u2 = Threshold、u2 Threshold 和 us = 0 三个选项，分别实现三种不同功能。Threshold 门限值，其数值为前一项输入判据中的值。按照图 6 中的参数进行设置，其含义是当输入 u2 大于门限值 1000 时输出为 1274.3，当输入 u2 小于或等于门限值 1000 时输出为 0。Enable zero crossing detection 使能过零检测；Sample ti
25、me 采样时间，可以设定仿真模块的采样时间， -1 表示继承输入的采样时间，一般情况下使用默认值无需改动。数据类型标签（Signal data types）中可以设定输入输出数据的类型，在这里使用默认值即可。10图 6 开关模块参数设置图116）常数模块常量（Constant）模块参数设定相对简单，只要设定常量值即可。（3）仿真参数设置设定仿真时间为 1s。（4）仿真仿真结果如图 7 和 8 所示。图 7 中给出了直流电动机在启动过程中的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的变化。图 8 给出了转速对电枢电流的变化关系。从仿真结果的波形中容易看出启动电流冲击很大，同时电磁转矩的冲击也较大，转速在
26、较短的时间内达到稳定。图 7 他励直流电动机直接启动仿真结果图 8 他励直流电动机直接启动转速-电流仿真结果5.2 他励直流电动机降压启动仿真直流电动机在电枢回路降压启动是限制启动电流和启动转矩的有效方法之一。建立他励直流电动机降压启动的仿真模型，仿真分析其串联电阻启动过程，获得启动过程的电枢电流、转速和电磁转矩的变化曲线。12（1）建立仿真模型他励直流电动机串联启动电阻的仿真模型原理图如图 9 所示，和直流电动机直接启动仿真模型相比，主要增加了串启动电阻部分。该部分主要包括阶跃信号模块（Step） 、断路器模块（Breaker ） 、降压分支模块（ RLC branch） 。w2n60/(2
27、*pi)powerguiContinuousXY GraphUN=40VU4=384VU3=328VU2=262VU1=206VTimerSwitch4Switch3Switch2Switch1SwitchScope1ScopeIdeal Switchg1 2Ef=180VDC Machine20kw;40V;493A;150rpmTL mA+F+ A-F-dcConstant Torque11076.9Constant Torque00Breaker3c1 2Breaker2c1 2Breaker1c1 2Breakerc1 2 10101010IfIaTew n图 9 他励直流电动机降压启
28、动仿真模型Switch1、Switch2、Switch3、Switch4 的 Threshold 分别为1.0776e+003、n3T2 =869.0622r/min、623.2522r/min 、399.7885r/min 。Switch 的Threshold 为 1.2862e+003r/min。信号动作时间分别为 2.8s、4.8s、6.8s ，四个阈值电压分别为：U1=202V;U2=262V;U3=328V;U4=384V。四个 Breaker 的起始状态为闭合。其他参数设置同前文。（3）仿真参数设置仿真时间设置为 2s。（4）仿真结果仿真结果如图 10 和图 11 所示，图 10
29、给出了直流电动机在启动过程中的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的变化。图 11 给出了转速对电枢电路的变化关系。从仿真结果的波形中可以看出通过设定合适的电枢电压和投入时间，启动电流可以控制在一定的范围内，同时电磁转矩也能够得到有效的降低。转速需要在较长的时间内达到稳定。13图 10 他励直流电动机串启动电阻仿真结果14图 11 他励直流电动机串启动电阻的转速-电流关系6 结论本设计对他励直流电动机的降压启动进行了分析和仿真，通过分析可知，他励直流电动机直接启动时存在启动电流大、启动转矩大的缺点，通过降低电枢回路电压，可有效减小启动电流和启动转矩。如果启动级数、启动电阻大小、切换时刻设计合适，
30、可把直流电动机启动电流限制在一定范围内，使电动机既能快速启动，又能限制启动电流和启动转矩。最后通过仿真对他励直流电动机直接启动和降压启动进行了仿真，仿真结果和理论分析相一致。参考文献1 唐介电机与拖动M北京：高等教育出版社， 20072 李晓竹电机与拖动M 徐州：中国矿业大学出版社， 20093 刘凤春，孙建忠，牟宪民电机与拖动 MATLAB 仿真与学习指导M 北京：机械工业出版社，20084 洪乃刚电力电子、电机控制系统的建模和仿真M 北京：机械工业出版社， 20125 韩松基于 MATLAB 的直流电动机启动的仿真研究J科技信息，2011，(12) ：1116 赵静MATLAB 在电机教学中的应用 J福建电脑，2012，(1)：40
