他励直流电动机的启动(课程设计).doc

xxxxxxxxx大学 电机与拖动课程设计 设 计 题 目：他励直流电动机的启动院（系、部）： 电气与控制工程学院 专 业 班 级： 姓 名： 学 号： 指 导 教 师：_日 期： 电气工程系课程设计标准评分模板课程设计成绩评定表学期姓名专业班级课程名称 电机与拖动课程设计设计题目 他励直流电动机的启动 成绩 评分项目优良中及格不及格设计表现1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反3.独立工作能力强较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上设计说明书5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整图纸8.绘图效果很出色较出色一般较差很差9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩： 评定教师签字：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，PaN=200kW，UaN=440V，IaN =497A，nN =1500r/min，Ra=0.076。采用分级起动，起动电流最大值不超过2IaN，试求各段电阻值，并求切除电阻时的瞬时转速和电动势，并做出机械特性图，对起动特性进行分析。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。指 导 教师：教研室主任：时 间：摘 要通过在电枢上串联多级电阻，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串多级电阻的启动原理，给出了多级启动电阻的计算选择方法。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串五级电阻的启动系统，通过编程画出了该直流电动机串五级电阻启动的机械特性图。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 电枢串电阻启动 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 启动电阻的计算选择24 实例分析35 仿真验证55.1 他励直流电动机直接启动仿真55.2 他励直流电动机串电阻启动仿真106 结论12参考文献121 引言他励直流电动机在启动瞬间，转速n=0，电动势E=0，由电枢电流方程式（1）可知，启动电流如式（2）所示。在额定电压下直接启动时，由于Ra很小，IS很大，一般可达电枢电流额定值的1020倍。这样大的电流是换向所不允许的。同时由式（3）可知，启动转矩也能达到额定转矩的1020倍。虽然启动转矩大可以使电机加速快，但是过大的启动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨头冲击，以致损坏传动机构（如齿轮）和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻Ra大、转动惯量又比较小，可以直接启动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动的1。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，方法有两个：降低电枢电压Ua和增加电枢电阻Ra。2 他励电动机转子串电阻启动原理本设计采用增加Ra的方法。通过在电枢上串联多个电阻，采用有级启动的方法来保证启动过程中既有较大的启动转矩，又使启动电流不会超过允许值2。现以两级启动为例来说明启动步骤和启动过程。原理图和机械特性如图1所示。 (a) 电路图 (b) 机械特性图1 他励电动机电枢串电阻分级启动启动过程分析。启动步骤如下： 串联启动电阻RST1和RST2启动启动前开关Q1和Q2断开，使得电枢电路中串入电阻RST1和RST2，加上电枢电路自身的电阻Ra，电枢电路的总电阻为加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，然后加上电枢电压，这是电动机的机械特性如图1（b）中的人为特性n0Ma。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n0Ma由a1点向a2点移动。 切除启动电阻RST2当工作点到达a2点，即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关Q2，切除起动电阻RST2，电枢电路的总电阻变为这时电动机的机械特性变为人为特性n0Mb，切除RST2的瞬间，转速来不及改变，工作点由特性n0Ma上的a2点平移到特性n0Mb上的b1点，使得这时的电磁转矩T仍等于T1，电动机继续加速，工作点沿特性n0Mb由b1点向b2点移动。 切除启动电阻RST1当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时，合上开关Q1，切除起动电阻RST1，电枢电路的总电阻变为这时机械特性变为固有特性n0Mc，工作点由b2点平移到c1点，使得这时的电磁转矩T仍等于T1，电动机继续加速，工作点沿固有特性n0Mc由c1点经c2点，移动到p点。在p点，电磁转矩T等于负载转矩TL，电动机进入稳态运行，整个启动过程结束。3 启动电阻的计算选择 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，选择对应的启动转矩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若TL未知，可用TN代替。对应的切换电流T2为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）比 确定启动级数mm的计算公式为式中，Ram为m级启动时的电枢启动总电阻该公式的推导过程如下：由于nb2=nc1，故Eb2=Ec1，即由于na2=nb1，故Ea2=Eb1，即可见，若为m级启动，则启动的总电阻为两边取对数，便得到了式（12）。若式（12）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I1外，其余都可省略。 重新计算，校验I2是否在规定范围之内。若m是取相近整数，则需重新计算。由式（14）可知计算的公式为根据重新求得的，由式（11）重新求出I2，并校验I2是否在式（10）所规定的范围之内。若不在规定范围之内，需调整I1或加大启动级数m，重新计算和I2，直到满足要求为止。 求出各级启动电阻。根据前面的分析可知，计算各级启动电阻的一般公式为式中，i=1，2，m。4 实例分析以一台Z4系列他励直流电动机为例进行分析计算，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076，采用电枢串电阻起动。求起动级数和各级起动电阻。 启动电阻计算(1) 选择I1和I2I1=(1.5 2.0)IaN=(745.5994)AI2 =(1.1 1.2)IaN=(546.7596.4)A取I1= 840 A，I2=560A。(2) 求出起切电流比b(3) 求出启动级数m取m=5。(4) 重新计算b，校验I2。I2在规定的范围之内。(5) 求出各级启动电阻RST1=(-1)Ra=(1.47131)0.076= 0.0358RST2=(2-)Ra=(1.471321.4713)0.076= 0.0527RST3=(3-2)Ra=(1.471331.47132)0.076= 0.0775RST4=(4-3)Ra=(1.471341.47133)0.076= 0.1141RST5=(5-4)Ra=(1.471351.47134)0.076= 0.1678 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已知，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076。额定状态时，有可得当电枢上串联不同电阻时，他励电动机的机械特性也不同。当电枢电阻分别为Ra1、Ra2、Ra3、Ra4、Ra5时，代入式（17），使用如下指令：clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.076; Ra1=0.1118;Ra2=0.1645;Ra3=0.2420;Ra4=0.3561;Ra5=0.5239;I1=840;I2=570.924;T=0: 1:2500;n= UaN/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);n1= UaN/CEFai-Ra1.*T./( CEFai*CTFai);n2= UaN/CEFai-Ra2.*T./( CEFai*CTFai);n3= UaN/CEFai-Ra3.*T./( CEFai*CTFai);n4= UaN/CEFai-Ra4.*T./( CEFai*CTFai);n5= UaN/CEFai-Ra5.*T./( CEFai*CTFai);plot(T, n, T, n1, T, n2, T, n3, T, n4, T, n5)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, n5,T2,n5)hold off在Matlab运行窗口下运行，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，固有特性和五级串电阻机械特性对应的转速分别为：nT2=1.4771e+003r/min，n1T2=1.4010e+003r/min，n2T2= 1.2890e+003 r/min，n3T2=1.1242e+003 r/min，n4T2= 881.5672 r/min，n5T2=524.7782 r/min。clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.076; Ra1=0.1118;Ra2=0.1645;Ra3=0.2420;Ra4=0.3561;Ra5=0.5239;I1=840;I2=570.924;T=1463.8;nT2= UaN/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n1T2= UaN/CEFai-Ra1*T/( CEFai*CTFai)n2T2= UaN/CEFai-Ra2*T/( CEFai*CTFai)n3T2= UaN/CEFai-Ra3*T/( CEFai*CTFai)n4T2= UaN/CEFai-Ra4*T/( CEFai*CTFai)n5T2= UaN/CEFai-Ra5*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串多级电阻启动的仿真模型，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。5.1 他励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。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；（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Parameters（参数）标签中，如图4（b）所示，包括如下参数：Armature resistance and inductance 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；Total 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 (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SignalDefinitionUnits1Speed wmrad/s2Armature current iaA3Field current ifA4Electrical torque TeNm2）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 open, 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4）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。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 time 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。图6 开关模块参数设置图6）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 他励直流电动机串电阻启动仿真直流电动机在电枢回路串联电阻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串联五级电阻启动的仿真模型，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。（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）、阻抗分支模块（RLC branch）。图9 他励直流电动机串五级启动电阻启动仿真模型（2）模块参数设置Switch1、Switch2、Switch3、Switch4、Switch5的Threshold分别为524.7782、881.5672、1.1242e+003、1.2890e+003、1.4010e+003，Switch的Threshold为1.4771e+003。信号动作时间分别为2.8s、4.8s、6.8s，五个串联电阻分别为：RST1= 0.0358，RST2=0.0527，RST3=0.0775，RST4=0.1141，RST5=0.1