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并励式直流电动机起动方法与比较
金明主7
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金明主
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华北电力大学科技学院毕业设计(论文)任务书所在系别 电力系 专业班号 电气07K8 学生姓名 金明主 指导教师签名 黄家栋 审批人签字 毕业设计(论文)题目 并励式直流电动机起动方法与比较 2010年 3 月 15 日一、毕业设计(论文)主要内容1 查阅相关文献，认真学习并励式直流电动机的相关知识，对并励式直流电动机起动方法有深入了解 2 了解并励直流电动机的组成和性能，学习并励直流电动机的3种方法，并比较其优缺点，写文献综述，完成开题报告。3使用MATLAB仿真软件，建立并励直流电动机的动态数学模型。给出3种起动方法的仿真波形。比较这三种起动方法的不同4 通过实例的实验数据，验证上述方法的正确性及有效性5 按“本科毕业设计(论文)规定，规范以及工作程序，要求”，完成毕业设计其他各环节6 外文文献翻译7 总结工作，撰写毕业设计（论文）二、基本要求1 收集并整理，分析各种资料，阅读的参考文献不少于10篇，且其中应有一定的外文文献。撰写的文献综述字数不少于1500字2 对已有的相关论文的分析要具体3 毕业论文的内容和格式应符合华北电力大学本科毕业设计（论文）规定，规范的要求4 翻译一篇与本专业有关的外文文献，要求中文字数不少于2000字三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注1查阅文献，撰写文献综述，完成开题报告2010年3月29日2周2学习并励式直流电动机的三种方法2010年4月19日 3周3掌握MATLAB建立仿真模型2010年5月10日 3周4实例分析2010年5月31日 3周5撰写毕业论文2010年6月15日 2周6设计(论文)预计完成时间： 2010 年 6 月 18 日四、参考资料及文献 1许实章.电机学M.北京；机械工业出版社，1990：212-234。 2周鹗.电机学（第三版）M.北京：水利电力出版社，1995:172-197。 3顾绳谷.电机及拖动基础（下册）M.北京：机械工业出版社，1997:20-23. 4邓建国.并励式直流电动机起动过程的仿真研究I-J.微电机，2003,36（3）：24-32 5余锐.并励式直流电动机起动过程的仿真研究I-J.微特电机，2002.3:30-31. 6美国NI公司著.Matlab基础教程M.王敏生等译.北京：电子工业出版社，2002:17-160 7杨乐平，李海涛，赵勇等。Matlab 高级程序设计M.北京：清华大学出版社，2003:188-229 8 史乃.电机学.北京：机械工业出版社，2005.徐德.电机学.机械工业出版五、附录华北电力大学科技学院毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告学生姓名： 金明主 班级： 电气07K8 所在系别： 电力系 所在专业： 电气工程及其自动化 设计（论文）题目： 并励式直流电动机起动方法与比较 指导教师： 黄家栋 2011年 3 月 4 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告一、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不低于2000字的文献综述。（另附）二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 学习并励式直流电动机的相关知识，了解并励式直流电动机的组成和性能，以及三种起动方法，并加以比较 研究方法是：根据设计任务书的原始资料数据，以相关技术规范为标准，参考电机学等相关书籍，综合专业课程相关知识，对并励式直流电动机起动方法与比较进行深入理解 研究手段是：根据并势力直流电动机的动态数学模型，里用MATLBA软件中的动态仿真工具SIMULTNK,建立并励式直流电动机的仿真模型，通过实例对三种起动方程尽兴仿真计算，证明该方法的正确性以及有效性对“文三、指导教师意见：1 对“文献综述”的评语： 查阅文献基本符合要求,基本与课题研究内容相符合 2对学生前期工作情况的评价（包括确定的研究方法、手段是否合理等方面）： 前期工作进度正常,确定的研究方法,手段合理指导教师：黄家栋 2011年 3 月 4 日 文献综述一、电机的起源和发展 电机工作基本原理是利用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能。电动机结构主要包括两部分：转子和定子。转子为电动机的旋转部分，由转轴座组成，导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。 1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。 直到第一台实用直流发动机问世 ，电动机才广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高。与此同时，德国的西门子接着制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。二、电动机的种类 1按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。 1.1直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。 1.1.1有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。 1.1.1.1电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 1.1.1.2永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 1.2其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。 2按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 2.1同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 2.2异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。 2.2.1感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。 2.2.2交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 3按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机三、电磁式直流电动机的种类 电磁式直流电动机 电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢）、换向器（俗称整流子）、电刷、机壳、轴承等构成， 电磁式直流电动机的定子磁极（主磁极）由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁（旧标准称为激磁）方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通（由定子磁极的励磁线圈通电后产生）的规律也不同。 串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高（一般不允许其在空载下运行）。可通过用外用电阻器与串励绕组串联（或并联）、或将串励绕组并联换接来实现调速。 并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5%15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。 他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。四、并励式直流电动机起动方法动态数学模型 1.直流电动机常用的起动方法有：直接起动、电枢回路串变阻器起动和降压起动。 2.并励直流电动机的动态仿真模型 根据并励直流电动机电力拖动系统的状态方程，在MATLABSIMUI INK 环境下，构造出并励直流电动机的动态仿真模型。进行对三种起动方法进行比较，并确认利用MATLAB仿真的方法是否有效，正确。 3.并励直流电动机的动态数学模型,利用LabVIEW建立了与之对应的并励直流电动机瞬态过程仿真模型。据此仿真模型进行了并励直流电动机的直接起动、降压起动、电枢回路串电阻起动的实例仿真实验,给出了有关仿真结果。仿真结果表明所建立的并励直流电动机瞬态仿真模型是可靠的,可用于并励直流电动机各种瞬态过程的仿真研究。参考文献 1.电机学M 李永刚 李俊卿 孙丽玲 华北电力大学 二OO八年一月 修订第二版 2.电机学M 陈世元主编 中国电力出版社 2004 3.电机原理与设计的MATLAB分析M 戴文进译 电子工业出版社 4.杨乐平，李海涛，赵勇等。MATLAB程序设计M。北京大学出版社 5.史乃。电机学。北京：机械工业出版社，2005. 6.许实章。电机学M.北京：机械工业出版社，1990:212-234 7.邓建国。并励直流电动机起动过程的仿真研究I-J,微电机，2003 8.美国NI公司著MatLab 基础教程M汪敏生等译北京：电子工业出版社，2002:17160 9.余 锐并励直流电动机起动过程的仿真研究I-J微特电机，2002,3:3031 10.辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学M（第二版）.武汉：华中科技大学出版社，2005毕毕 业业 设设 计计(论文论文)院 系电力工程系专业班级电力 07k8 班学生姓名金明主指导教师黄家栋二二一一年六月一一年六月并励式直流电动机起动方法与比较题 目华北电力大学科技学院本科毕业设计（摘要）I并励式直流电动机起动方法与比较摘要现代社会中,电能是使用最广泛的一种能源。在电能的生产，输送和使用等方面，电机起着重要的作用。电机主要包括发电机，变压器和电动机。电动机是将电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械，广泛地应用各种电动机。直流电动机能把直流电能转变为机械能，它有良好的起动性能和调速特性，因此在对起动，调速性能要求高的场合，如电车，轧刚机，龙门刨等，常常选用直流电动机拖动。直流电动机的分类方式很多。按励磁方式分，可分为：（1）他励电动机，包括永磁电动机；（2）并励电动机；（3）串励电动机；（4）复励电动机。它们的联结线路与发电机的完全相同，不同的励磁方式有不同的运行特性。直流电动机起动可采用三种方法：（1)直接起动；（2)电枢串电阻起动；（3）降压起动。关键词：直流电动机；励磁方式；起动方法。华北电力大学科技学院本科毕业设计（摘要）IIAnd excitation type dc motor starting methods and comparedAbstract In modern society, the electricity is the most widely used the one kind of sources of energy. In the production of electric energy, transportation and using, motor play an important role. Motor mainly includes generator, transformer and motor. Electric motor is converted to energy into mechanical energy, to drive a variety of USES machine, widely used all kinds of motor. Dc motor can put the dc can turn into mechanical energy, It has good performance and speed characteristics, start. Therefore, to start in the performance of speed of the high demand occasions, such as the tram, rolling machine, etc, LongMenBao just , Often choose dc motor drive. Dc motor of classification approach a lot. According to the excitation type points, can be divided into:(1) He excitation motor, including permanent magnet motor;(2) And the shunt motor;(3) The shunt motor string;(4) After the shunt motor. Their coupling line and the generators in exactly the same way, different excitation have different operation characteristic . Dc motor starting can use three methods:(1) Direct starting;(2) The armature string of resistance start;(3) Step-down start. Key words: direct-current motor; Excitation way; Starting method. 华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）目录并励式直流电动机起动方法与比较 .I摘要 .IABSTRACT .II1 前言.11.1 毕业设计的目的 .11.2 直流电动机的发展史 .11.3 直流电动机的发展现状.21.4 直流电动机的发展趋势 .22 并励直流电动机动态数学模型 .42.1 并励直流电动机数学模型的建立 .42.2 并励直流电动机参数的确定 .53 并励直流电动机动态仿真模型建立 .63.1 各仿真模型介绍及参数设置 .83.1.1 阶跃电源模型 .83.1.2 信号增益模块 .93.1.3 SCOPE示波器模块.103.1.4 常数模块 .113.1.5 XY GRAPH 二维图形显示模块.123.1.6 积分模块 .133.1.7 乘积模块 .143.1.8 和或差模块 .153.1.9 开关模块 .163.2.0 TO WORKSPACE 模块.173.2.1 CLOCK 模块.183.2 仿真参数设定 .194 仿真结果 .194.1 直接起动 .214.2 电枢串电阻起动 .224.3 降压起动 .24结论 .27参考文献 .28致谢 .29华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）11 前言1.11.1 并励直流电动机起动方法与比较的目的并励直流电动机起动方法与比较的目的并励式直流电动机起动方法与比较的毕业设计是学生在学习电机系统课程后的一次综合性训练。通过本次毕业设计应当充分理解直流电动机的三种起动方式。直接起动，降压起动和电枢串电阻起动。直接起动，就是将电动机直接接入到额定电压的电源上启动。由于电动机所加的是额定电源，而电动机开始接通电源瞬间电枢不动，电枢反电动势 E。为零，所以启动时电流很大。启动时电动机最大电流为正因为电动机启动电流很大，所以启动转矩大，电动机启动迅速，启动时间短。降压起动，就是在启动时通过暂时降低电动机供电电压的办法来限制启动电流，当然降压启动要有一套可变电压的直流电源，这种方法只适合于大功率电动机。电枢串电阻起动，就是在启动时将一组启动电阻 RP 串人电枢回路，以限制启动电流，而当转数上升到额定转数后，再把启动变阻器从电枢回路中切除。1.21.2 直流电动机的发展史直流电动机的发展史电动机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台电动机。电动机最早先的样子是在两个 U 型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。电动机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了 2.2 公里，但这不影响电动机实验的成功。电动机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有商业价值。电动机被广泛应用的推动力来自直流电动机的问世，在 1870 年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电动机的效率进行提高。电动机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的，最早的交流电动机根据电磁感应原理设计，结构比起直流电动机更为简单，同时也比起只能使用在电车上的直流电动机用途更广泛，它的发明让电动机真正进入了家庭电器领域。交流电动机问世之后，同步电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被人们发明出来，并投入实际的生产，为人们的生华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）2活提供更多便利。电动机的发明和应用对人类来说具有极大的意义，可以说它为人类生活带来了翻天覆地的变化。1.31.3 直流电动机的发展现状直流电动机的发展现状 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955 年美国 DHarrison 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在 1978 年的 MAC 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM） ，BLDCM 用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而 PMSM 则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而 BLDCM 的应用较 PMSM 要广泛的多。 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机 1.41.4 直流电动机的发展趋势直流电动机的发展趋势华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）3超导技术的广泛应用将使社会生产发生新的飞跃，同时也使电力工业在 21 世纪的发展面临难得的机遇和巨大的挑战。客观地说，电机发展到现在，已经取得了非常了不起的成就，其单机容量的进一步增大，效率和功率密度（容量体积比）的进一步提高，似乎只有也只能寄希望于超导技术的实用化发展，并期望由此带动电机结构和运行控制理论与实践的重大突破。根据超导材料的温度特性，我们把诞生于 20 世纪初期的传统超导技术称为低温超导，其在电机研究领域的应用开始于 50 年代。经过大约 30 年的开发研究，虽然也取得了单机容量达 70MW 的成果，但制造、运行成本之高，结构、工艺之复杂，仍然是普通工业应用所无法接受的。80 年代中期超导材料的研究获得突破，相应的高温超导技术给超导电机的实用化进程带来了新的曙光，目前，高温超导电动机在研制之中。可以说，高温超导电机的工业化、实用化进程将是 21 世纪科学技术进步的重要内容之一。新型、特种电机仍将是与新原理、新结构、新材料、新工艺、新方法联系最密切、发展最活跃、也最富想象力的学科分支，并将进一步深入渗透到人类生产和生活的所有领域之中。随着人类生活品质的不断提升，绿色电机的概念已经提出并被人们所接受。虽然这个概念目前还是抽象的，但从环保的角度看，低振动、低噪声、无电磁干扰、有再生利用能力以及高效率、高可靠性是一些最起码的要求，这对电机的设计制造和运行控制，尤其是原理、结构、材料、工艺等，无疑是一种新的挑战。此外，随着工业自动化的不断发展，智能化电机的概念被越来越多的人们所认可。这种智能化包括两方面的内容：其一是系统所具有的控制能力和学习能力，另一方面就是电机的容错运行能力，即要求研制所谓容错型电机。容错型电机的基本要求是以安全为前提，允许电机在故障和误操作情况下的容错运行，直至故障消除或系统自动控制恢复。这对传统的电机运行观念，无疑也是一个严峻的挑战。计算机技术和电力电子技术的更广泛应用将把已在电机领域内引发的革命性变化不断推向深入，并最终使电机从分析、设计、制造、运行到控制、维护、管理全过程全方位实现最优化和自动化、智能化。由计算机辅助分析、计算机辅助设计和计算机辅助制造技术构架而成的电机的计算机集成制造系统，将有可能以全局最优化为目标实施电机的智能化设计和柔性自动机制造，而电力电子技术和计算机在线检测与控制技术的不断进步，将使各类电机的运行、控制和故障诊断以及维护、管理能够最大限度地满足系统最优化、自动机、智能化发展的综合需要。电机的传统内涵已经发生了并继续发生着极大地变化，研究内容拓宽了，研究方法改进了，研究手段也丰富了。新的观念在形成，华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）4新的交叉学科在产生。近年来围绕电机及其系统的各类控制设备和计算机应用软件的研制方兴未艾，并已构成电机学科新的发展方向。电机和电力电子技术的结合使的现代电力传动系统的分析必须将电机与系统以及电力电子装置揉为一个整体。总之，融合科技进步的最新成就，不断追求新的突破，这是电机也是所有科学技术发展的永恒主题10。2 2 并励直流电动机动态数学模型并励直流电动机动态数学模型2.12.1 并励直流电动机数学模型的建立并励直流电动机数学模型的建立5在并励直流电动机中，励磁绕组和电枢绕组并联，其接线原理图如图 2.1 所示。 2.1.1 电压方程将此原理图和 d-q 四绕组原型电机比较，可以 得到并励直流电动机的电压方程： 图 2.1 并励直流电动机接线原理图 fafffffaraffa aa auuuuR ipL iuL iR ipL i (2.1) 2.1.2 电磁转矩方程 eaff aTL i i (2.2)2.1.3 转矩平衡方程 ermrLTpJBT (2.3) 以上这些方程提供了决定并励直流电动机特性的所有条件。 上式中 uf ， if，Rf，Lf励磁绕组的端电压、电流、电阻和自感系数 ua， ia，Ra，La电枢绕组的端电压、电流、电阻和自感系数 p微分算子 ； r转子角速度； Bm机械阻尼系数 TL负载转矩； J电机转子轴上的总转动惯量 Laf 运动电动势系数， 具 有电感量纲， 可近似认为是恒值华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）5 2.1.4 标准的状态方程根据并励直流电动机的特性，在其起动过程中，励磁绕组的电流 if不是恒值，因此在过渡过程的解析解较难求出，这样可以将它起动时的电压方程和转矩方程化为标准的状态方程形式，其标准的状态方程为： /ffffffaaaa aaraffaraff amrpiuLR iLpiuLR iLL iLpL i iJBJTJ (2.4) 2.22.2 并励直流电动机参数的确定并励直流电动机参数的确定 2.2.1 参数（Rf ，Lf， Ra ，La ，J ，Bm） 确定 为了得到并励直流电动机非线性状态方程的数值解,需要确定并励直流电动机的参数, 对于励磁绕组和电枢绕组的电阻和电感（Rf ，Lf， Ra ，La ）、转子的转动惯量 J、机械阻尼系数 Bm 可以用电机试验的方法得到, 运动电动势系数可由如下方法解决。 2.2.2 参数 Laf的确定 假如气隙磁场是均匀分布的, 则 Laf应该是励磁绕组与直轴绕组(当直轴装有电刷时)之间测得的互感值。由于并励直流电动机不能满足上述条件, 所以 Laf只能是一个具有电感量纲的系数, 这个系数表示电机所产生的电势与励磁电流、转子转速间关系。当电机为并励时，由稳态电压方程为： fffuR i (2.5) araffa auL iR i (2.6)如果电枢回路开路时(Ia=0), 电机转速 r和励磁电流 If不变时, 由电枢电压方程为 ua=rLafif+Raia ，这样可以用开路试验求得电势 E, 于是运动电动势系数 Laf的值就可以由 E/rIf 得到。在下列情况下运动电动势系数不为恒定值。（1）如果电机转速 r恒定时, 改变励磁电流 If ,所测得到空载电势 E 与励磁电流If的关系就是电机的空载特性,即电机的磁化特性, 由于该特性是非线性的, 所以运动电动势系数 Laf不是恒值而是随电机饱和度的增加而减小的, 运动电动势系数 Laf恒定的部分只是磁化曲线的线性部分。（2）当电机带有负载时, 由于存在电枢反应, 一般情况下, 即使在相同的励磁电流下, 也会有不同的运动电动势系数 Laf值。（3）由于并励直流电动机的起动过程是一个过渡过程, 励磁绕组的电流不是恒值, 而且转速也是变化的, 这样运动电动势系数 Laf不是一个常数。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）6为了计算的方便, 常取额定电压时的运动电动势系数 Laf ， 它可以满足工程计算精度的要求6 。3 3 并励直流电动机动态仿真模型建立并励直流电动机动态仿真模型建立根据以上方程，利用仿真软件 MATLAB/SIMULINK，分别建立起并励直流电动机的动态仿真模型，包括直接起动，电枢串电阻起动，降压起动。如图 3.1、图 3.2和图 3.3 所示。图 3.1 表示并励直流电动机直接起动仿真模型，图 3.2 表示电枢串电阻起动仿真模型，图 3.3 表示降压起动仿真模型。在各参数模块中可以改变相关参数，以适应不同要求的仿真。其结果可以从 Scope 模块中观看。图 3.1 并励直流电动机直接起动动态仿真模型华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）7图 3.2 并励直流电动机电枢串电阻起动动态仿真模型图 3.3 并励直流电动机降压起动动态仿真模型各仿真模型的接线原理图1. 直接起动接线原理图，如图 3.4 所示。图 3.4 并励直流电动机直接起动接线原理图 起动时，先用电源接在励磁绕组上建立磁场，等励磁电流稳定后再把电源加在电枢绕组上即全压起动。2.电枢串电阻起动接线原理图，如图 3.5 所示。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）8 图 3.5 并励直流电动机电枢串电阻起动的接线原理图起动时，在电枢回路串入电阻，以减小起动电流。电动机起动后，再逐渐切除电阻以保证足够的起动转矩.电动机起动前，应使励磁回路附加电阻为零，以使磁通达到最大值，能产生较大的起动转矩。随着转速的上升逐步切除起动电阻直至将起动电阻 Rst 全部切除，电机进入正常运行。3.降压起动接线原理图，如图 3.6 所示。图 3.6 并励直流电动机降压起动接线原理图起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流，起动转矩足够大。电动机起动后，再逐步提高电源电压使启动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速，从而电机进入正常运行。3.13.1 各仿真模型介绍及参数设置各仿真模型介绍及参数设置3.1.1 阶跃电源模型直流电源可用阶跃函数仿真模型，如图 3.7 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）9图 3.7 阶跃电源模型图 3.7 模型中，Step 表示阶跃函数，其输出电源形式是阶跃式的。其参数设置可以在模型窗口中，双击 Step 模块，或单击右键在 Step 属性中设置 Step 模块各项相关参数。Step 模块的各相关参数设置如下，如图 3.8 所示图 3.8 Step 模块参数设置在并励直流电动机中，励磁回路和电枢回路的电源是同一个电源，起动时必须先建立磁场，在磁通达到最大时再接电枢电压。所以在励磁电源的 Step time 中设置为 0，在 Initial value 中设置为 0，Final value 设置为 440；而在电枢电源的 Step time 中设置为 0.17，Initial value 中设置为 0， Final value 设置为 440。3.1.2 信号增益模块数学库 Math 中的 Gain 模块，将信号乘以一个常数（即信号增益） ，如图 3.9 所示。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）10图 3.9 信号增益模块参数设置如图 3.10 图 3.10 信号增益模块参数设置并励直流电动机由于根据数学模型所建立仿真模型，在仿真模型中多次用到信号增益模块，在 Gain 中可以设置为不同的数。例如在仿真模型中用到得 9.55，即在Gain 中设置为 9.55。其他类似。3.1.3 Scope 示波器模块Scope 示波器用来显示输出特性曲线的结果，其模型如图 3.11 所示。 图 3.11 示波器模型其参数设置如图 3.12 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）11 图 3.12 示波器参数设置图 3.12 中的参数分别为：Number of axes：坐标轴数量选择为 4。Time range：仿真时间范围为 auto,因为并励直流电动机直接起动，串电阻起动和降压起动的起动时间不同，也可以分别在各仿真模型中根据情况设置不同的时间范围。Tick labels：坐标轴显示位置，选择为在底部显示。 3.1.4 常数模块 产生不变常量。如图 3.13 所示。图 3.13 常数模块参数设置如图 3.14。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）12 图 3.14 常数模块参数设置在图 3.14 中参数设置：Constant value：常数值。可以设置任意值，由于在仿真模块中多次用到该模块，根据不同的要求设置不同的值，例如在仿真模块中用到 0.17，即在 Constant value 中设置为 0.17，其他类似。3.1.5 XY Graph 二维图形显示模块XY Graph 模块用来显示二维图形，在仿真中加入 XY Graph 模块，用来显示并励直流电动机的机械特性，即电机转速与转矩之间的函数关系。X 轴表示电机转速，Y轴表示电机转距。其模型如图 3.15 所示。图 3.15 XY Graph 二维图形显示模块参数设定如图 3.16 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）13图 3.16 XY Graph 二维图形显示模块参数设定为了更好的观察图形，并励直流电动机直接起动、串电阻起动和降压起动时上图各参数设置不同，图 3.16 为串电阻起动时的各参数的设置。并励直流电动机直接起动时各参数设置如下x-min: X 轴最小值，设置为 0。x-max: X 轴最大值，设置为 2000。y-min: Y 轴最小值，设置为 0。y-max: Y 轴最大值，设置为 600。并励直流电动机降压起动时各参数设置如下x-min: X 轴最小值，设置为-200。x-max: X 轴最大值，设置为 2000。y-min: Y 轴最小值，设置为 0。y-max: Y 轴最大值，设置为 150。3.1.6 积分模块 其输出是对输入信号连续时间的的积分，输出是时间的函数。其模块如图 3.17 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）14图 3.17 积分模块其参数设置如图 3.18 所示图 3.18 积分参数设置在并励直流电动机起动中，用到积分模块比较多，其参数设置均相同。3.1.7 乘积模块乘积模块的输出为多个输入信号的积，其模块如图 3.19 所示 图 3.19 乘积模块其参数设置如图 3.20 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）15图 3.20 乘积模块参数设置在并励直流电动机起动仿真的三个模型中，其乘积模块的输入端都是两个，因此在 Number of inputs 设置为 2，输入信号都是单一的变量而不是矩阵形式所以在Multiplication 设置为 Element-wise（*） 。3.1.8 和或差模块和或差模块为两个或两个以上的输入信号的和或差，其模块如图 3.21 所示 图 3.21 和或差模块上图为和或差的两种形式，在并励直流电动机直接起动和串电阻起动中用到矩阵形式，在降压起动中用到圆形，这两种的参数设置分别如图 3.22 和图 3.23华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）16 图 3.22 矩形和或差模块参数设置 图 3.23 圆形和或差模块参数设置在并励直流电动机起动的三个仿真模型中，用的多个和或差模块，其输入的信号个数也不同，根据输入信号的个数可在 List of signs 设置多个“+”或多个“-”。3.1.9 开关模块 开关模块如图 3.24 所示图 3.24 开关模块开关模块左侧有三个输入端，从上至下依次为第一个、第二个、第三个输入端。当第华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）17二个输入端满足所选的条件时，输出为第一个输入端的信号。否则，输出为第三个输入端的信号。其参数设置如图 3.25 所示 图 3.25 开关模块参数设置在并励直流电动机串电阻起动和降压起动仿真模型中，其参数设置如上图所示，当第二个输入端即 u2=1 时，输出为第一个输入信号，否则为第二个输入信号。3.2.0 to workspace 模块 to workspace 模块输入为一个变量其模块如图 3.26 所示 图 3.26to workspace 模块其仿真参数如图 3.27 所示华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）18图 3.27 to workspace 模块仿真参数设置由于在并励直流电动机降压起动仿真模型中用到是时间变量，所以在 Variable name中设置为时间变量 t。当仿真结束的时候得到结果。3.2.1 Clock 模块 Clock 模块输出为当前仿真时间，其模块如图 3.28 所示 图 3.28 Clock 模块其参数设置如图 3.29 所示 图 3.29 Clock 模块参数设置华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）19 3.23.2 仿真参数设定仿真参数设定在模型菜单选项中，选择 Simulation(仿真)菜单，Simulation Parameters(激活仿真参数)命令，即可弹出仿真参数对话框,如图 3.30 所示。Solver（解算器）选项卡的参数设置是仿真工作必需的步骤，如何设定参数，要根据具体问题的要求而定。最基本的参数设定包括仿真的起始时间与终止时间，仿真的步长大小与解算问题的算法等。解算器参选项卡参数设定窗口中选项的设定如下。图 3.30 仿真参数设定图 3.26 中的仿真参数分别为：Start time：仿真开始时间，取 0。Stop time：仿真停止时间，取 2。Type：求解程序类型，包括 Variable-step（可变步长） ，Fixed-step（固定步长）两个选项。选择 Variable-step（可变步长）中的 ode23tb(stiff/TR-BDF2)一种算法。Max step size：最大步长，取 auto(自动)。Min step size：最小步长，取 auto(自动)。Initial step size：初始步长，取 auto(自动)。 Relative tolerance：相对容差，取 le-3。Absolute tolerance：绝对容差，取 auto(自动)。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）204 4 仿真结果仿真结果 并励直流电动机11，型号 Z4-112-4-2，额定功率 PN=7.5kw，额定电压 U=440V，额定电流 Ia=20.6A,额定转速 nN=1500r/min,最高转速为 2200r/min,励磁功率 Pf=480W,电枢回路电阻 Ra=2.2，励磁电阻 Rf=403,电枢电感 La=24.1mH,磁场电感 Lf=7.8H,效率 =78.4%，转动惯量 J=0.156kg*m2,质量 m=94kg 用直接起动，降压起动和电枢串电阻起动三种方法对起动过程进行仿真。 所选的并励直流电动机可用于 CA6140 型车床14的传动系统，其框图如图 4.0 所示电动机主换向机构主变速机构进给换向机构挂轮架进给箱 图 4.0 车床的传动框图电动机经主换向机构、主变速机构拖动主轴。主换向机构主要用于切削螺纹：一刀切削结束，换向机构使主轴连同刀架一起换向，回到切削起点处，再切削第二刀。主变速机构用于变速，主变速机构至主轴为定比传动。 进给链从主轴开始，经进给换向机构、挂轮和进给箱内的进给变换机构、转化机构、溜板箱内的转换机构传至刀架；或经丝杆和溜板箱内的螺母传至刀架。 进给换向机构主要用来决定车削右旋或左旋螺纹。挂轮和进给变换机构被切削螺纹的导程或进给量，又能进行普通车削，所以进给箱内设置转换机构以决定将运动传至丝华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）21杆或光杆。如果传至丝杆，则从主轴到刀架间的传动链是内联系传动链-螺纹链；如果传至光杆，则是外联系传动链-进给链。 溜板箱中的转换机构改变进给的方向：纵向或横向，正向或反向。如果用快速电动机经溜板箱的转换机构驱动刀架，则可实现刀架的快移。 车床传动系统由主运动传动链、车螺纹进给传动链、纵向进给传动链、横向进给传动链及快速移动移动传动链组成。 主运动的传动路线:主运动传动链的两末端件是主电动机和主轴。运动由直流电动机（7.5kw,1500r/min）经 V 带轮传动副 130mm/230mm 传至主轴箱中一个轴。在这个轴上装有双向多片摩擦离合器，使主轴正转、反转或停止。它就是传动框图中的主换向机构。 进给传动链是实现道具纵向或横向移动的传动链。车床在切削螺纹时，进给传动链是内联系传动链。主轴每转刀架的移动量应等于螺纹的导程。在切削圆柱面和端面时，进给传动链是外联系传动链。进给量也以工件每转刀架的移动量计。因此，在分析进给链时，都把主轴和刀架当作传动链的两端。4.14.1 直接起动直接起动 并励直流电动机直接起动时，先建立磁场，当磁通达到最大值时再在电枢绕组施加额定电压其仿真结果如图 4.1 所示。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）22图 4.1 并励电动机直接起动特性并励直流电动机带恒转矩额定负载，起动时，先将励磁绕组接入电网（t=0）,然后再将电枢绕组接入电网（t=0.17s）的仿真结果如图4.1所示。可以看出，直接起动时，电枢绕组的冲击电流可达额定电流的约8倍，可见，该电机是不能采取直接起动方式的，否则，会造成电机换向困难，甚至会出现强烈火花或环火，使电动机不能继续运行下去。冲击电流太大还会影响接在同一电网上的其它电气设备的正常工作。当励磁电流未稳定时，电枢绕组接入电网的时间越早，电枢绕组的冲击电流值越大，转速的数值越高。4.24.2 电枢串电阻起动电枢串电阻起动 在并励直流电动机的电枢回路中串入三级电阻起动过程的仿真结果如图 4.2 所示。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）23图 4.2 并励直流电动机电枢串电阻起动特性 各级分段电阻的数值和各级起动时间按所学电力拖动基础的有关公式计算。当选取起动过程中的最大电流Iamax=IaN，电阻切除时的切换的电流Iamin=1.2IaN.求取起动级数m=3,各级分段电阻的数值为：Rad1=4.37236，Rad2=2.5822 ，Rad3=1.52504各级起动时间为：tl=0.4242s，t2=0.2505 s，t3=0.1480s 当励磁电流稳定时，把电枢绕组接入电网(t=0.17s时)，并励直流电动机带恒转矩负载电枢回路串变阻器起动时的仿真结果如图4.1所示。从仿真结果看出，起动电流被限制在允许范围内，由于起动级数较多，转速上升较平稳。必须指出，以上外串起动电阻的数值是在 if=ifN 的条件下算出的，当励磁电流未稳定时，进行电枢回路串变阻器起动，起动电流将超过允许范围。华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）244.34.3 降压起动降压起动 并励直流电动机降压起动过程的仿真结果如图 4.3 所示。图 4.3 并励直流电动机降压起动特性 降压起动时，采取他励方式。待转速稳定后，励磁绕组和电枢绕组的电压相等，电动机以并励方式运行。起动时励磁绕组(t=0s时)先接入UfN=440 V 的电网上，起动过程中加在励磁绕组上的电压不变。待励磁电流稳定后，再在电枢绕组接入可调电源（t=0.17s）起动电动机。为使起动过程中的冲击电流不超过2倍额定电枢电流，励磁电流稳定后(t=0.17s)加在电枢绕组上的可调电源电压的起始值定为70 V，设在1s之内使电华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）25动机转速平稳上升至额定值，则加在电枢绕组上的可调电源输出电压随时间变化的特性由下列函数描述： 当0t0.17时，ua=0;当0.17t1时，ua=370/0.83(t-0.17)+70;当t1时,ua=440V。 加在电枢绕组上的可调电源输出电压随时间变化的曲线如图4.4所示。由图4.3可见，电枢电流保持在允许范围内，转速随时间变化关系基本上是线性关系。 图4.4 可调电源输出电压随时间变化 并励直流电动机直接起动时的机械特性曲线如图 4.5 所示。图 4.5 并励直流电动机直接起动械特性曲线 并励直流电动机电枢回路串电阻起动机械特性曲线如图 4.5 所示。n(r/min)Te(N*m)华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）26图 4.6 并励直流电动机电枢回路串电阻起动机械特性曲线并励直流电动机降压起动机械特性曲线如图 4.6 所示。图 4.7 并励直流电动机降压起动机械特性曲线由图 4.5、4.6、4.7 机械特性曲线图可以看出，并励直流电动机电枢回路串电阻起动和降压起动时，起动转矩为额定转矩的大约 2 倍，直接起动时起动转矩最大。串电阻起动的切换转矩是额定转矩的 1.2 倍，在切除起动电阻的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，其反电势也不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。在分级起动过程中，各级的最大转矩及切换转矩都是不变的，这样使得起动过程中有较均匀的加速。降压起动时，开始加于电动机电枢的端电压很低，随着转速的上升，逐步增高电枢电压，由于加在电枢电压是线性的，转速的变化也是线性的。所以由机械特性公式可知随着转速的增加电磁转矩不变。直接起动时，刚开始电机转速为零，感应电动势为零，起动电流大。当转速上升时，反电势增加，电流下降从而转矩下降。n(r/min)Te(N*m)n(r/min)Te(N*m)华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）27
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