参考直流电机降压启.docx
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参考直流电机降压启
辽宁工程技术大学
电机与拖动》课程设计
仿真
设计题目：
他励直流电动机降压启动设计和
院（系、部）：
电气与控制工程学院
专业班级：
姓名：
冯旭
学号：
指导教师：
刘春喜王继强李国华荣德生
日期：
2012-6-26
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
2011/2012第2学期
姓名
冯旭
专业
电力系统及其自动化
班级
电力10-01班
课程名称
《电机与拖动》课程设计
设计题目
他励直流电动机降压启动设计与仿真
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
、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=0.2Ω。
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1～2天查资料,熟悉题目；
2、第3～5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：
刘春喜王继强李国华荣德生教研室主任：
李洪珠
时间：
2012年6月24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
1引言1.
2他励电动机转子串电阻启动原理1..
3降压启动启动电压的计算选择2..
4实例分析3..
5仿真验证5..
5.1他励直流电动机直接启动仿真6.
5.2他励直流电动机降压启动仿真1.0
6结论1..2.
参考文献1..2.
1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Tst（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UN，电枢回路不串任何电阻，此时由于n0，Ea0，根据式
（1）得到式
（2）。
由于电枢回路总电阻Ra较小，所以Ist可达额定电流IN的十几甚至几十倍。
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Tst过大，会造成机械撞击，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。
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，要限制启动电流Ist的大小，可有两种方法：
降低电枢电压UN和在电枢回路串接附加电阻Ra。
2他励电动机转子降压启动原理
（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：
1电枢回路电压为Ust1的启动：
启动前双刀双掷开关S断开，电枢回路中存在电枢电阻Ra。
在励磁回路中加上励磁电压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Ust1启动。
这是电动机的机械特性如图1（b）中的人为特性n1Ma。
刚启动时，电压Ust1比较低，启动电流Ist不大。
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n1Ma由a1点向a2点移动。
②电枢回路电压由Ust1切换到Ust2的过程：
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Ust1切换到Ust2，此时电枢回路两端电压为Ust2。
这时电动机的机械特性变为人为特性n2Mb。
切换的瞬间转速来不及改变，工作点由特性n1Ma上的a1点平移到特性n2Mb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。
根据以上步骤可逐步升高电枢回路两端电压Ua，直至升至额定电压UN，启动过程结束。
在升压的过程中，电枢回路两端电压Ua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
①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
I1（1.5~2.0）IaN对应的启动转矩
T1（1.5~2.0）TN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
T2（1.1~1.2）TL若TL未知，可用TN代替。
对应的切换电流T2为
I2（1.1~1.2）ILIL是与TL对应的稳态电枢电流。
若未知，可用IaN代替。
2求出起切电流（转矩）差ββI2I1
3确定切换电压源次数mm的计算公式为
UNUmmβRa式中，UaM为m级启动时的电枢启动总电阻。
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
UmRaI1该公式的推导过程如下：
由于nb2nc1，故Eb2Ec1，即
UNRaINU2RaI2
UNU2Ra（INI2）
UNU2βRa（10）
由于na2nb1，故Ea2Eb1，即
U2RaI2U1RaI1
U2U1Ra（I2I1）
（11）
U2U1βRa
可见若m级启动，由于na（m1）nam，故Ea（m1）Eam，即
U（m1）UmβRa（12）
对式（10）（11）（12）求和，可得
UNUmmβRa（13）
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
I1外，其余都可省略。
4重新计算β，校验I2是否在规定范围内
若m是取相近整数，则需重新计算β。
由式（13）可知计算β的公式为
（14）
UNUm
βRam
根据重新求得的β，由式（8）重新求出I2，并校验I2是否在式（7）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β和I2，直到满足要求为止。
5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
UiUi1βRa（15）
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，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.2Ω，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。
①启动电阻计算
（1）选择I1和I2
I1（1.5~2.0）IaN=（745.5~994）A
I2（1.1~1.2）IaN=（546.7~596.4）A
取I1=840A，I2=560A。
（2）求出起切电流差
βI1I2840560280A
（3）求出切换电压源次数m
UmI1Ra8400.2168V
取m=5。
（4）
重新计算，校验I2
UaNUmβ
Ram
I2I1β840-282558A
I2在规定的范围之内。
（5）求出各级切换时电枢回路电压大小
U4UNβRa44056384V
U3U4βRa38456328V
U2U3βRa32856262V
U1U2βRa26256202V
U0U1βRa20656150V
②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
（16）
UaRa
n2
CECECT
已知，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.2Ω。
额定状态时，有
UaNIaNRa
（17）
nN
CE可得
UaNIaNRa4404970.2
CE0.227
nN1500
6060
CTCE0.2272.167
22
T1CTI12.1678401820.28Nm
T2CTI22.1675601213.52Nm
TNCTIaN2.1674971076.99Nm
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U1,U2,U3，U4,U5时，代入式（16），使用如下指令：
clear
UaN=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.*T./（CEFai*CTFai）;
n2=U2/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;
n3=U3/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）
n4=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'）
holdon
T1=CTFai*I1;
T2=CTFai*I2;plot（T1,n4,T2,n4）holdoff
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=1.4638×103N·m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+00。
3
clear
UaN=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=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。
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10~20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（DCMachine）、直流电源模块（DCVoltageSource）、理想开关模块（IdealSwitch）、开关模块（Switch）、增益模块（Gain）、电子模块（RLCBranch）、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：
Presetmodel——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；
Mechanicalinput——机械输入选项，分为功率输入（MechnicalpowerPm）和转速输入（Speedw）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：
Armatureresistanceandinductance[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；
Fieldresistanceandinductance[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；
FieldarmaturemutualinductanceLaf（H）——励磁绕组和电枢之间的互感；
TotalinertiaJ（kg·m^2）——电机总转动惯量；
ViscousfrictioncoefficientBm（N·m·s）——摩擦系数；
CoulombfrictiontorqueTf（N·m）——库仑摩擦转矩；
Initialspeed（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Sampletime（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
Units
1
Speedwm
rad/s
2
Armaturecurrentia
A
3
Fieldcurrentif
A
4
ElectricaltorqueTe
N·m
（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（DCVoltageSource）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（IdealSwitch）理想开关的参数设置如图5所示，其中：
nternalresistanceRon（ohms）——内部导通电阻；
Initialstate（0for‘open',1for‘closed'）——初始状态，0表示端口，1表示接通；
SnubberresistanceRs（ohms）——吸收电阻；
SnubbercapacitanceCs（F）——吸收电容；
Showmeasurementport——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：
[00.1]；
Amplitude——幅度，本例设置为：
[01]。
使用默认值即可。
图5理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：
Criteriaforpassingfirstinput——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。
Enablezerocrossingdetection——使能过零检测；
Sampletime——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（Signaldatatypes）中可以设定输入输出数据的类型，在这里
图6开关模块参数设置图
9
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。
10
（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（RLCbranch）。
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。
图10他励直流电动机串启动电阻仿真结果
11
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
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