他励直流电动机转子串电阻启动设计和仿真课程设计

1、他励直流电动机转子串电阻启动设计和仿真课程设计 辽宁工程技术大学 ?电机与拖动?课程设计 设 计 题 目：他励直流电动机转子串电阻启动设计和仿真 院系、部： 电气与控制工程学院 专 业 班 级： 姓 名： 刘春喜 学 号： 指 导 教 师： 刘春喜 王继强 李国华 荣德生日 期： 2021-6-26 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2021/2021第2学期姓名专业班级课程名称 设计题目 成绩 评分工程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根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根本独立设计完成不能独立设

2、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，结构方案根本合理，设计参数选择根本正确，调理清楚，内容根本完整，有少量错误设计思路根本清晰，结构方案根本合理，设计参数选择根本正确，调理清楚，内容根本完整，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、排版标准、整洁、有条理，排版很好较标准、整洁、有条理，个别排版有问题根本标

3、准、整洁、有条理，个别排版有问题根本标准、整洁、有条理，排版有问题较多不标准、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根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、美观较合理根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根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，否那么评定为下一等级；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，否那么评定为良好，以此类推。最

4、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。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、设计方案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天准备辩论；4、第7天辩论。四、设计要求1、设计工作量为完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度方案按期完成；3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可辩论。指 导 教师：刘春喜 王继强 李国华 荣德生教研室主任：李洪珠时 间：202

5、1年 6 月24日摘 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

6、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，启动转矩也能到达额定转矩的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大冲击，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、转动惯量又比拟小，可以直接启动外，一般的直流电动机是不允许

7、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

8、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1b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RS

9、T1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Ia，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假设TL未知，可用TN代替。对应的切换电流T2为IL是与

10、TL对应的稳态电枢电流。假设未知，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，假设为m级启动，那么启动的总电阻为两边取对数，便得到了式12。假设式12求出的m不是整数，可取相近整数。假设m，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。假设m是取相近整数，那么需重新计算。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。假设不在规定范围之内，需调

11、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，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 3 求出启动级数m取m 5。 4 重新计算 ，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 ×RST2 2- Ra 1.471321.47

12、×RST3 3-2 Ra 1.471331.472 ×RST4 4-3 Ra 1.471341.473 ×RST5 5-4 Ra 1.471351.474 × 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。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：clear64; Ra 0.076; Ra1 0.1118;Ra2 0.1645;Ra3 0.2420;Ra4 0.3561;Ra5 0.5239;I1 840;I2 570.92

13、4;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' ,

14、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。×103N?m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/m

15、in，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/C

16、EFai-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，并进行比拟。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，可到达额定电流的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

17、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，当转速到达设定值之后，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4a所示，包括如下

18、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bParameters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4b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

19、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 kg?m2 电机总转动惯量；Viscous friction coefficient Bm N?m?s 摩擦系数；Coulomb friction torque Tf N?m 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。Advan

20、ced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nrad/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 TeN?m2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

21、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

22、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100

23、0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

24、。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到达稳定。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局部。该局部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。五个Breaker的起始状态为断开。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