直流电动机启动的设计与仿真

信息工程学院课程设计（论文）1湖北民族学院信息工程学院课程设计报告书题目:直流电动机启动的设计与仿真课程：电力电子课程设计专业：电气工程及其自动化班级：xxxxxxx学号：xxxxxxxxx学生姓名：xxx指导教师：xxx2015年1月1日信息工程学院课程设计（论文）2信息工程学院课程设计任务书学号学生姓名专业（班级）电工程及其自动化（）设计题目直流电动机启动的设计与仿真设计技术参数电动机参数设置为：NP=17kW，NU=220V，NI=88.9A，Nn=3000r/m，电枢电路总电阻Ra=0.0896Ω，励磁回路总电阻fR=181.5Ω，电动机转动惯量J=0.76kg·m2，变换系数为K=60/2π=9.55。串入电阻的计算式：1R=maxInCUeN-aR；2R=R-1RLT=60.1N.m；Ce=0.07808V.min/r;fI=1.21A。设计要求1、电源电压：交流220V/50Hz2、稳定时电机转速：3000r/min3、稳定时最大输出电流：100A参考资料1.汤蕴璆.电机学（第四版）.北京：机械工业出版社，20112.洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真.北京：机械工业出版社，20103.葛余，单相半控桥式整流电路的设计.南京信息工程大学，20134.韩松，基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究.绥化学院，20115汪明先、刘凌，基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究.湖南理工学院信息与通信工程学院，20132015年1月1日信息工程学院课程设计（论文）3信息工程学院课程设计成绩评定表学生姓名：学号：专业（班级）：课程设计题目：成绩：指导教师：年月日信息工程学院课程设计（论文）4摘要直流电动机具有调速范围广、调速平稳、过载能力强以及启动和制动转矩大等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。文章研究了直流电动机串电阻起动方法，在直流电动机电枢绕组中串入电阻来降低起动电流和起动转矩。相比于电机直接起动，串入电阻起动起动电流和起动转矩显著减低，而且成本又增加不多，在实际工农业生产中有广泛的应用。关键词：直流电动机；直接启动；串电阻启动；仿真；信息工程学院课程设计（论文）5AbstractDCmotorhasawidespeedrange,steadyspeed,strongoverloadaswellasstartingandbrakingtorque,etc.,intheindustrialandagriculturalproductionhasbeenwidelyused.ThispaperstudiestheseriesresistanceoftheDCmotorstartingmethod,theDCmotorarmaturewindinginserieswitharesistortoreducethestartingcurrentandtorque.Comparedtodirectstartthemotor,resistorinseriesstartingcurrentandstartingtorquesignificantlyreduced,andthecosthasincreasedmuch,thereisawiderangeofapplicationsintherealindustrialandagriculturalproduction.Keywords:DCmotor;directstart;startofseriesresistance;simulation.信息工程学院课程设计（论文）6目录1任务提出与方案论证..................................................71.1提出任务........................................................71.2方案论证........................................................72总体设计..........................................................82.1系统原理框图......................................................................................................................82.2直流电动机串电阻启动模型仿真的建立..............................82.3直流电动机串电阻启动电阻计算机仿真结果分析......................93总结.............................................................17参考文献...........................................................18信息工程学院课程设计（论文）71任务提出与方案论证1.1提出任务直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的10～20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10～20倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起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，以致损坏传动机械和生产机械。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、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。1.2方案论证方案一：直流电动机直接启动直流电动机直接启动适用于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、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动，但是现在工业中绝大数机械都是大功率。方案二：直流电动机串电阻启动直流电动机串电阻起动方法，在直流电动机电枢绕组中串入电阻来降低起动电流和起动转矩。相比于电机直接起动，串电阻起动起动电流和起动转矩显著减低，而且成本又增加不多，在实际工农业生产中有广泛的应用。最终选择：经过比较本设计选择方案二直流电动机串电阻启动能更好的达到设计要求。信息工程学院课程设计（论文）82总体设计2.1系统总体原理框图直流电动机启动的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。其系统原理框图如下图2.1图2.1系统原理框图2.2直流电动机串电阻起动真模型仿真的建立直流电动机串电阻起动仿真模型如图1所示，该模型在图1所示直接起动模型的基础上，在电枢回路中串联一个由三级电阻组成的启动器。在每个电阻(R1、R2、R3)上并联一个理想开关，用于切除电阻，开关受Step模块控制。(注：在Step模块对话框中设定单位阶跃信号发生时刻，即可控制开关的闭合，从而短接该电阻)。模型检测将转速n、电枢电流I等送入示波器。交流输入控制电路直流电动机启动电路输出符合要求的电流和转速信息工程学院课程设计（论文）9图1直流电动机串电阻起动仿真模型2.3直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析为了实现直流电动机串电阻起动，对于电枢绕组串入电阻值的计算非常重要，需要计算精确，本文为了尽可能地降低起动电流和起动转矩，采用三级串电阻计算方法。具体实现步骤如下。（1）将step模块2和3的阶跃信号发生时间设为“0”，step1设为20s，使1R接入电枢回路，并初选R'1的阻值。1'R=maxInCUeN-aR=10896.0220220（1）在模型中设1R=1'R=1，得到仿真图2形如下图所示。n(r/min)信息工程学院课程设计（论文）10ai/Afi/A信息工程学院课程设计（论文）11eT(N.m)图2串一级电阻启动时的转速和电流波形由图2可知，串联电阻后最大启动电流为200A，在3.5s时电流下降到100A，对应的转速为1500r/min，相对于直流电机直接起动，起动电流从2500A变为200A，显著地减低了，起到了保护电机的作用。为了进一步减少起动电流，需要减小启动电阻，计算1R的阻值和预选2'R阻值。2'R=maxInCUeN-aR=482.00896.020015000.07808-220（2）1R=1'R-2'R=1-0.482=0.518（3）（2）重新设定R1和R2(R2=R'2)并设step1的信号发生时间为3.5s，设step2的信号发生时间为20s得到仿真图形如图3所示。信息工程学院课程设计（论文）12n(r/min)ai/Afi/A信息工程学院课程设计（论文）13eT(N.m)图3串二级电阻启动时的转速和电流波形从图3中可知，在启动6s后电流再次下降到100A，此时的转速为2200r/min。为了进一步减少起动电流，需要再次减小启动电阻。根据式(4)和(5)可以计算2R和3R阻值。2R=maxInCUeN-aR=32.00896.020022000.07808-220（4）3R=2'R-2R=0.482-0.32=0.162（5）（3）：重新设定2R和3R，并设step2的信号发生时间为6s，设step3的信号发生时间为20s得到仿真图形如图4所示。信息工程学院课程设计（论文）14n(r/min)ai/A信息工程学院课程设计（论文）15fi/AeT(N.m)图4串三级电阻启动时的转速和电流波形从图4可知在启动8s后起动电流再次下降到100A，此时的转速为2800r/min，需要再次切除3R，因此设step3的信号发生时间为8s，再次仿真，得到图形如5所示。信息工程学院课程设计（论文）16n(r/min)ai/A图5切除3R启动时的转速和电流波形由图5可知：在切除3R后，转速升到3000r/min，在整个启动过程中电流限制在规定的范围内，满足设计要求。信息工程学院课程设计（论文）173总结通过这次的课程设计让我不仅对电力电子的理论知识有了很深的认识也对我的实践动手能力有了很大的培养。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义．我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。当然这次设计还有很多不足之处，例如对基础知识了解不够充分，导致设计过程中出现很多不必要的麻烦，所以在以后的学习构成中我会加倍学习相关知识，以弥补自己的不足。信息工程学院课程设计（论文）18参考文献[1]汤蕴璆.电机学（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2011[2]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2010[3]葛余.单相半控桥式整流电路的设计[D].南京:南京信息工程大学，2013[4]韩松.基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究[D].黑龙江：绥化学院，2011[5]汪明先、刘凌.基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究[D].湖南:湖南理工学院信息与通信工程学院，2013[6]贡俊,陆国林.无刷直流电机在工业中的应用和发展[J].微特电机.2000.12(5):15-19