基于MATLAB直流电机起动设计与仿真-课程设计报告

物理与电子工程学院

《电力拖动自动控制系统》课程设计报告书

设计题目：直流电机起动设计与仿真

专业：自动化xxx

班级： 2014xxxxx本1班

学生姓名: xxxxxxxx

学号: 20140343121

指导教师： xxxxxxxxxx

2015年 10月 25 日

物理与电子工程学院课程设计任务书

专业：自动化班级：14xxxx1班

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，在课程设计中总共设了3级电阻，第一级电阻R1=0.518,第二季电阻R2=0.32,第三级电阻R3=0.162。

关键词：直流电动机；直接启动；串电阻启动；仿真；

目录

1 任务提出与方案论证 (1)

1.1提出任务 (1)

1.2方案论证 (1)

2 总体设计 (1)

2.1系统总体原理框图 (1)

2.2直流电动机直接起动真模型仿真的建立 (2)

2.3直流电动机串电阻起动真模型仿真的建立 (5)

2.4直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析 (5)

3 心得体会 (13)

1 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。

2 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直流电动机直接起动真模型仿真的建立

（1）图中的模块有直流电源（DC Voltage Source）、理想开关、直流电动机、开关、增益、电阻（RLC branch）、示波器（scope）、信号分离模块（Demux）。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，使电机在起动过程中的转矩为空载起动，当转速达到设定值后，使电机工作再给定的负载转矩。

图2.2 直流电动机直接起动仿真模型

图2.4 电压参数设置

图2.5 仿真图

图2.6 电流-转速图

2.3直流电动机串电阻起动仿真模型的建立

直流电动机串电阻起动仿真模型如图2.7所示，该模型在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。

图2.7 直流电动机串电阻起动仿真模型

2.4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1

R 接入电枢回路，并初选R'1的阻值。

a.

1'R =m ax

I n

C U e N

--a R =

Ω≈-10896.0220

220

在模型中设1R =1'R =1，

得到

n(r/min)

i/A

a

i/A

f

e T (N.m)

图2.8 串一级电阻启动时的转速和电流波形

由图2.8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。

b.2'R =m ax

I n

C U

e N

--

a R =Ω≈Ω-Ω?482.00896.0200

15000.07808-220

c.1R =1'R -2'R =1-0.482=0.518Ω

(2)重新设定R 1和R 2(R 2=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2.9所示。

n(r/min)

i/A

a

i/A

f

e T (N.m)

图2.9 串二级电阻启动时的转速和电流波形

c.从图 2.9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d 和e 可以计算2R 和3R 阻值。

d.

2

R =

m ax

I n

C U e N

--

a R =Ω≈Ω-Ω?32.00896.0200

22000.07808-220

e.3R =2'R -2R =0.482-0.32=0.162Ω

(4)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2.10所示。

n(r/min)

a i /A

i/A

f

T(N.m)

e

图2.10 串三级电阻启动时的转速和电流波形

从图2.10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

R，因此设step3的信号发生时间为8s，再次仿真，

3

得到图形如2.11所示。

n(r/min)

i/A

a

图2.11 切除

R启动时的转速和电流波形

3

由图2.11可知：在切除

R后，转速升到3000r/min，在整个启动过程中电流限制在规

3

定的范围内，满足设计要求。

3 心得体会

通过这次课程设计使我对原来学习的过程有了全新认识，学习一定要理论与实践相结合，这样才能更好地学习知识，我用的软件是MATLAB，它也是实验中最重要的一环，用的最多的是Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且可以立即看到系统的仿真结果。

在这次课程设计中我又进一步学习了电机启动的一些知识，也由感性认识上升到实践，这样我对串电阻启动的参数的计算以及设定有了更深刻的认识，也在仿真过程中对参数改变带来的其他变化一目了然，使知识学的活灵活现，还有对直接启动的危害有了更深的了解。

另外这次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。。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。

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 [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

课程设计成绩评定表