直流电机启动系统的设计与仿真毕业论文

毕业设计(论文) 课题直流电机启动系统的设计与仿真

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摘要

他励直流电动机电枢串电阻启动过程各参数的变化情况一直是运行部门十分关心的问题,但在设计过程中无法进行相关的试验。本论文中建立他励直流电动机分级启动的数学模型，并建立起连续的仿真模型，利用MATLAB中的SIMULINK工具，对系统进行仿真，并得出实验结果。从而更清楚的了解了其动态过程,为设计人员提供了可靠的参考数据。为以后的虚拟实验的建立发展积累了许多宝贵的经验。

关键词：他励直流电动机；分级起动；仿真

Abstract

The various parameters' change in the procedure of Excited DC motor’s armature series resistance’s startup has been the department’s very issue of concern, but in the design process it can not carry out the related test. In this paper,it’s to estab lish the excited DC motor’s mathematical model of step-starting, and to establish a continuous simulation model,and to use the MATLAB’s SIMULINK tools to simulate the system and obtain the experimental results. So its dynamic process is understanded clearer, and it provide a reliable reference for designers.It accumulate much valuable experience for the establishment of the virtual experiment.

Keywords: Excited DC Motor; Step-starting; MATLAB, SIMULINK

目录

摘要................................................................ I Abstract............................................................ IV 第一章直流电机的工作原理及特性 (1)

1.1 直流电机的基本结构 (1)

1.2 直流电动机的工作原理 (3)

1.3 直流电动机的工作特性 (4)

第二章他励直流电动机的机械特性 (7)

2.1 机械特性方程式 (7)

2.2固有机械特性与认为机械特性 (8)

第三章他励直流电动机的起动 (10)

3.1 降电压起动 (10)

3.2 电枢回路串电阻起动 (10)

3.3 原始数据 (11)

3.4 分级起动电阻的计算 (11)

第四章MATLAB及其仿真集成环境SIMULINK (16)

4.1 MATLAB简介 (16)

4.2 仿真工具SIMULINK简介 (18)

4.3 用SIMULINK建立系统模型 (19)

第五章他励直流电动机分五级起动过程模拟 (21)

5.1绘制仿真线路 (21)

5.2设置仿真参数和模块参数 (22)

5.3 仿真结果分析 (23)

总结 (26)

参考文献 (27)

致谢 (28)

附录：外文科技文献及翻译 (29)

第一章直流电机的工作原理及特性直流电动机是将电能转换为机械能的装置。电机分为直流电动机和交流电动机，直流电动机的调速性能很好，起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及。因此，在对电动机的调速性能和起动性能要求较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。但是，直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差，所以，在现代工业的拖动系统中，直流电动机与交流电动机“各得其所”。

1.1 直流电机的基本结构

直流电动机的基本结构如下图:

图1.1 直流电动机基本结构

一．定子

定子是直流电动机的静止部分。它包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等部件。

1．主磁极在一般的大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。主磁极的铁心用厚的钢板冲片叠压紧固而成永磁电机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成。励磁电机的主磁极则由主磁极铁心和主磁极绕组两部分组成。

2．换向极换向极又称附加极或间极，装在两主磁之间。它是由铁心和绕组构成的，换向极绕组与电枢绕组串联。其作用是产生附加磁场，以改善电动

的换向条件，减小换向器上的火花。换向磁极由换向磁极铁心和换向磁极绕组两部分组成。位于两主磁极之间，是比较小的磁极。

3．机座其作用一方面是作为电动机的磁路，另一方面是用来固定主磁极和换向极以及端盖。用来在其上安装主磁极、换向磁极，同时也作为电动机的外壳。机座一般由铸钢件制成，小功率的直流电动机机座也可用无缝钢管加工而成。

4．端盖在机座的两边各有一个端盖，端盖的中心处装有轴承，用来支持转子的转轴，端盖上还固定有电刷架。

5．电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引人或引出的装置。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成。通过电刷与换向器表面之间的滑动接触，把电枢绕组中的电流引入或引出。

二．转子

直流电动机的转子又称为电枢，是电动机的旋转部分。由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部分组成。

1．电枢铁心电枢铁心由硅钢片叠压而成，其表面有许多均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心有两个作用一个是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。由于点苏铁心和主磁场之间的相对运动将导致铁耗，因此为了减少铁耗，电枢铁心通常用0.5mm的厚硅钢片的冲片叠压而成，固定在转子支架或转轴上。

2．电枢绕组由许多相同的线圈组成，按一定规律嵌放在电枢铁心的槽内，并与换向器相连。它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应电动势以实现机电能量转换的关键部分。其作用是产生感应电动势和电磁转矩。

3．换向器它是直流电机的重要部分，换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。其作用是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电动机旋转。在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷墙上的直流电动势。

4．转轴一般用合金钢锻压加工而成，其作用是用来传递转矩。

5．风扇用来降低电动机在运行中的温升。

1.2 直流电动机的工作原理

直流电动机的工作原理是基于安培定律上的，在磁场中的导体做切割磁感线运动产生电动势。在磁场中导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

图1.2 直流电动机的原理模型

当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。

1.3 直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是选用直流电动机的一个重要依据。直流电动机的工作特性是指其端电压n U U =(额定电压)、电枢回路中无外加电阻、励磁电流fn f I I =（额定励磁电流）时，电动机的转速n 、电磁转矩e T 和效率η三者与输出功率2P 之间的关系。如用函数形式表示，即)(2p f n =、)(2p f T e =、)(2p f =η在实际运行中，电枢电流a I 可直接测量，并且随2p 的增大而增大，两者增大的趋势相差不多，所以往往将工作特性表示为)(2I f n =、)(2I f T e =、)(2I f =η。由于直流电机的励磁方式有多种，直流电动机的工作特性因励磁方式不同，差别很大，所以讨论工作特性时，既要应用综合电磁过程的所有方程式，又要注意到各种励磁方式的特点。

一.直流电动机通常按励磁方式分为四种： 1．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。

二、他励和并励电动机的机械特性

他励和并励电动机的励磁电流是不受负载影响的，即：当外加电压一定时 Φ为一常数。这时由)(a a a R I U n -=/C E Φ= a U / C E Φ-R a /C E C T Φ2T 可得：转速n 可改写为n=n 0-CT 。式中：n 0=a U / C E Φ称为理想空载（T=0）转速 C= R a /C E C T Φ2是一个很小的常数，他代表电动机随负载增加而转速下降的斜率。故他励和并励电动机的机械特性曲线是一条稍微向下倾斜的直线。

因此，他励和并励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。

图1.3 并励电动机的机械特性曲线

三、串励电动机的机械特性

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，因此励磁电流等于电枢电流。 Φ=C ΦI a C Φ:比例常数代入T=C T ΦI a =C T /C ΦΦ2代入n 表达式中得 n=A/√T-B 式中：A=U/C R √C T /C Φ,B=R a /C E C Φ 是常数

图1.4 串励电动机的机械特性

由此可绘出曲线（最下面一根）

由此可见，随着转矩T的增大，转速n下降十分明显。常用于电车、电气机车、起重机等场合。例：当起重机提升重量轻的货物时，速度较高，而提升很重的货物时，速度较低，以保证安全。

串励电动机不允许在空载或轻载的情况下运行，因其理想空载转速无限大，易损坏电机。为防止出现空载飞车，串励电动机与负载不允许采用皮带传动等中间环节传动，而采用固定连接。

四、复励电动机的机械特性

复励电动机兼有并励和串励两方面的特性，机械特性曲线也介于两者之间。（中间一根）复励电动机既具有串励电动机的特点，适用于负载转矩变化大需要比较软的机械特性的生产设备中，又可象并励电动机那样在空载或轻载的情

况下运行。常用于轮船、无轨电车、起重采矿设备中。

第二章 他励直流电动机的机械特性

由于直流电动机的种类很多，我们在此选用他励直流电动机作为研究直流电机启动系统的设计与仿真的直流电机。电动机的机械特性是指电动机的转速n 与转矩T 的关系)(T f n =.机械特性是电动机力学性能的主要表现，它与运动方程式相联系，将决定拖动系统的稳定运行及过渡过程的工作情况。必须指出，机械特性中的转矩T 是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩

d T 是不同的，其间差一个空载转矩0T ，当电动机工作在电动状态是0T T T d +=。在运动方程式中。

已将z T 作为负载转矩，则该式中的T 应为轴上拖动转矩，即相当于上式中的

d T ，它与机械特性上的负载转矩不同，比后者小0T 。如果在运动方程式中将T 视作

为电磁转矩，则该式中的z T 将为负载转矩与空载转矩

0T 之和。由于在一般情况下，空载转矩0T 占转矩T 或d T 之比例较小，在一般工程计算中可略去

0T ，而粗略的认为电磁转矩T 与轴上的输出转矩d T 相等。

2.1 机械特性方程式

他励直流电动机的电路原理图以及机械特性图如图所示

图2.1他励直流电机原理图和机械特性图

电动机的转速特性T C C R C U n T e e 2Φ

-Φ=，式中Ｒ为电枢电路总电阻，包括a R 及电枢串联电阻ΩR ，e C 为电动势常数，t C 为转矩常数。由上列两式可导出e C 和t C 的关系为e t C C 55.9=。在机械特性方程式中，当U 、R 、Ω为常数是，可画出一条向下倾斜的直线，就是上图的机械特性图线。这根直线就是他励直流电动机的机械特性)(T f n =。由特性可见，转速n 随转矩T 的增大而降低，这说明电动机一加负载转速会有一些降落。

2.2固有机械特性与人为机械特性

当他励电动机电压U 及磁通Φ均为额定值N U 及N Φ，电枢，没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性，其方程式为N

T e a N e N C C R C U n 2Φ-Φ=，人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，他励直流电动机一般可得下列三种人为机械特性。

1. 电枢串联电阻时的人为机械特性

此时N U U =，N Φ=Φ，Ω+=R R R a ，电枢串联电阻a R 时，人为机械特性的方程式为T C C R R C U n N

T e a N e N 2Φ--Φ=Ω，由于电动机的电压及磁通保持额定值不变，人为机械特性具有与固有机械特性相同的理想空载转速0n ，而其斜率β的绝对值则随串联电阻ΩR 增大而加大，人为机械特性的硬度降低。在一定的负载转矩下，转速n ?随串联电阻的加大而增加。人为机械特性有交纵坐标轴于一点但具有不同斜率的射线族组成

2. 改变电压是的人为机械特性

此时电枢不串联电阻（0=ΩR ），N Φ=Φ，改变电压时的人为机械特性方程式为T C C R C U n N

T e N e 2Φ-Φ=，改变电压是，0n 随电压的降低而降低，特性的

斜率则保持不变，他们低于固有机械特性１，又与固有机械特性相平行，由于电枢电路没有串联电阻，因此其特性较串联电阻是硬。

3. 减弱电动机磁通是的人为机械特性

一般他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。改变磁通实际上是减弱励磁。在励磁回路内串联电阻Q r ，并变化其值，即能使磁通Φ减弱，并在低于额定磁通N Φ时调节Φ的大笑，此时N U U =，电枢不串联电阻，减弱磁通时人为机械特性的方程式为T C C R C U n N

T e a e N 2Φ-Φ=,)(a I f n =，特性方程式为a e a e N I C R C U n Φ

-Φ=。有上述两式可见，当Φ减弱时，理想空载转速)(0Φ=E N C U U n 加大，短路电流为常值，而短路转矩k T 将随Φ之减弱而降低。

第三章 他励直流电动机的起动

直流电动机接通电源以后，电动机的转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对于电动机来讲，我们总希望它的起动转矩大，起动电流小，起动设备简单、经济、可靠。直流电动机开始起动时，转速0=n ，此时直流电动机的反电动势(n KE E Φ=)还没有建立起来，由于电枢电阻a R 较小，R U I a =。，所以此时电枢电流最大。另外，根据转矩公式I KT T Φ=可知，由于电枢电流非常大，此时的起动转矩也非常大。这样大的起动电流和起动转矩，分别将对供电电源和机械装置形成强大的冲击。通常采用保证足够的起动转矩下尽量减少起动电流的办法，使电动机起动。直流电动机经常使用的起动方法有降电压起动和电枢回路串电阻起动两种。

3.1 降电压起动

对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用降压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。降压起动时，开始加在电动机电枢的端电压很低，随着转速的上升，逐步增大电枢电压，并使电枢电流限制在一定的范围内。为使励磁不受电枢电压的影响，电动机应采用他励方式。

采用降压起动时，需要一套专用电源作为电动机的电源。现在一般采用脉宽可调制的由大功率电子器件构成的开关直流电源。减压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量损耗小。

3.2 电枢回路串电阻起动 电枢回路串接电阻，启动电流为R R U I a n s +=，负载转矩TL 可知，启动过程中要求电动机的电磁转矩必须大于负载转矩，即T TL 。根据要求，可确定串接电阻R 的大小，这样有了加速转矩后才能使系统启动，而加速转矩的大小又必须满足生产工艺对加速度的要求。因此并励直流电动机起动时，必须有足够大的负载转矩，又不使启动电流过大，使电动机在满足生产工艺要求的前提下安全起动，但随着转速的升高，应逐级切除电阻，否则电枢回路长期串接

较大电阻，将引起较大的能量损耗。

额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法起动。起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变。再接通电枢电源，电机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。

额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使启动电流不会超过允许值。

接入起动电阻后的起动电流为

st a ast R R U

I +=

可见选择合适，能将起动电流限制在允许的范围内。有一点必须注意，对于他励电动机，在起动电动机之前，必须先将励磁回路接通，并将励磁电流调到额定值，使主磁场建立起来，然后再进行电动机的起动。

3.3 原始数据

所用他励直流电动机的铭牌数据为：

额定电压 N U =240V

额定电流 N I =16.2A

额定转速 N n =1220min r

额定转矩 LN T =27NM

电枢电阻 a R =0.6Ω

3.4 分级起动电阻的计算

下面先对他励直流电动机串电阻分五级起动的步骤和过程进行说明和分析。

（a ）电路图

(b)特性图

图3.1 他励直流电动机分五级起动的电路和特性

a)电路图 b)特性图

1．起动过程如下：

①串联起动电阻1a R 、2a R 、2a R 、3a R 、4a R 和5a R 起动

起动前开关1K 、2K 、3K 、4K 和5K 断开，使得电枢电路中串入电阻1a R 、2a R 、3a R 、4a R 和5a R ，加上电枢电路自身电阻a R ，电枢电路的总电阻为

543215a a a a a a R R R R R R R +++++=

加上励磁电压f U ，保持励磁电流f I 为额定值不变，然后加上电枢电压a U ，这时电动机的机械特性如图中的人为特性m f 。由于起动转矩1T 远大于负载转矩2T ，电动机拖动产生机械特性由m 向f 点移动。

②切除起动电阻5a R

当工作点到达f 点，即电磁转矩T 等于切换转矩2T 时，合上开关5K ，切除起动电阻5a R ，电枢电路的总电阻变为

43214a a a a a R R R R R R ++++=

这时电动机的机械特性变为人为特性fm n 0，切除5a R 的瞬间，转速来不及改变，工作点由f 点平移到l 点，使这时的电磁转矩T 仍等于1T ，电动机继续加速，工作点沿特性l 点向e 点移动。

③切除起动电阻4a R

当工作点到达e 点，即电磁转矩T 等于切换转矩2T 时，再合上开关4K ，切除起动电阻4a R ，电枢电路的总电阻变为 3213a a a a R R R R R +++=

这时电动机的机械特性变为人为特性el n 0，切除4a R 的瞬间，转速来不及改变，工作点由l 点平移到k 点，使这时的电磁转矩T 仍等于1T ，电动机继续加速，工作点由e 点向f 点移动。

④切除起动电阻3a R

当工作点到达k 点，即电磁转矩T 等于切换转矩2T 时，再合上开关3K ，切除起动电阻3a R ，电枢电路的总电阻变为 212a a a R R R R ++=

这时电动机的机械特性变为人为特性bj n 0，切除3a R 的瞬间，转速来不及改变，工作点由j 点平移到c 点，使这时的电磁转矩T 仍等于1T ，电动机继续加速，工作点沿c 点向i 点移动。

⑤切除起动电阻2a R

当工作点到达i 点，即电磁转矩T 等于切换转矩2T 时，再合上开关2K ，切除起动电阻2a R ，电枢电路的总电阻变为 11a a R R R +=

这时电动机的机械特性变为固有特性。工作点由b 点平移到h 点，使这时的电磁转矩T 仍等于1T ，电动机继续加速，工作点沿b 点经h 点， ⑥切除起动电阻1a R

当工作点到达h 点是，即电磁转矩T 等于切换转矩2T ,此时再合上开关1K ,切除起动电阻1a R ，电枢电路总电阻变为a R R =。这是机械特性变为固有特性。工作点由h 点移到a 点，最后稳定在g 点，至此，整个起动过程结束。

2．他励直流电机起动电阻的计算

应用解析法计算五级起动时的起动电阻值: 已知起动级数5=m

选取 A A I I N 4.322.16221=?== Ω=Ω===407.74

.3224014I U R R a m 起动电流比 645.155==a

R R β