基于MATLAB直流电机起动设计与仿真-课程设计

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：xxxxxxxxxx2015年10月25日物理与电子工程学院2014级课程设计物理与电子工程学院课程设计任务书专业：自动化班级：14xxxx1班学生姓名xxxxx学号xxxxxxxx课程名称电力拖动自动控制系统设计题目直流电机起动设计与仿真设计目的、主要内容（参数、方法）及要求设计目的：1．培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电力拖动和相关课程知识的能力。2.了解直流电动机的起动特性，掌握直流电机的起动方式及工作原理。3.学会使用Simulink动态仿真工具进行直流电动机起动特性仿真与调试。4.锻炼学生独立思考、动手解决问题的能力。设计内容：1.直流电动机直接起动、串电阻起动、减压起动线路设计。2.利用MATLAB/SIMULINK的模块对各种起动方式建立仿真模型，得到包括电枢电流、励磁电流、电磁转矩、转速等动态仿真曲线。设计要求：1.确立直流电动机模型参数，建立各种起动方式的仿真模型，进行起动过程仿真。2.改变仿真参数，得到不同仿真结果，并根据仿真曲线分析起动特性。掌3.完成设计报告。5．工作量2周时间，每天3学时，共计42学时进度安排第1-3天：查阅资料，理论分析设计。第4-6天：起动方式建模。第7-9天：系统仿真调试。第10-14天：整理课程设计报告。主要参考资料1.唐介.电机与拖动[M].北京:高等教育出版社,20072.刘凤春.电机与拖动MATLAB仿真与学习指导[M].北京:机械工业出版社,2008指导教师签字教研室主任签字物理与电子工程学院2014级课程设计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；物理与电子工程学院2014级课程设计目录1任务提出与方案论证.................................11.1提出任务.............................................11.2方案论证.............................................12总体设计...........................................12.1系统总体原理框图......................................12.2直流电动机直接起动真模型仿真的建立....................22.3直流电动机串电阻起动真模型仿真的建立..................52.4直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析......53心得体会..........................................13物理与电子工程学院2014级课程设计11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、调物理与电子工程学院2014级课程设计2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（DCVoltageSource）、理想开关、直流电动机、开关、增益、电阻（RLCbranch）、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物理与电子工程学院2014级课程设计3图2.3直流电机模块参数图2.2.4直流电源模块参数图2.4电压参数设置物理与电子工程学院2014级课程设计4图2.5仿真图图2.6电流-转速图物理与电子工程学院2014级课程设计52.3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1R接入电枢回路，并初选R'1的阻值。a.1'R=maxInCUeN-aR=10896.0220220在模型中设1R=1'R=1，得到物理与电子工程学院2014级课程设计6n(r/min)ai/Afi/A物理与电子工程学院2014级课程设计7eT(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=maxInCUeN-aR=482.00896.020015000.07808-220c.1R=1'R-2'R=1-0.482=0.518(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2.9所示。物理与电子工程学院2014级课程设计8n(r/min)ai/Afi/A物理与电子工程学院2014级课程设计9eT(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.2R=maxInCUeN-aR=32.00896.020022000.07808-220e.3R=2'R-2R=0.482-0.32=0.162(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。物理与电子工程学院2014级课程设计10n(r/min)ai/A物理与电子工程学院2014级课程设计11fi/AeT(N.m)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，此时的转速为物理与电子工程学院2014级课程设计122800r/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2.11所示。n(r/min)ai/A图2.11切除3R启动时的转速和电流波形物理与电子工程学院2014级课程设计13由图2.11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。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。物理与电子工程学院2014级课程设计14参考文献[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物理与电子工程学院2014级课程设计15课程设计成绩评定表院系：物理与电子工程学院班级：xxx本1班姓名：xx学号：xxxxxxxx项目分值优秀(x≥90%)良好(90%x≥80%)中等(80%x≥70%)及格(70%x≥60%)不及格(x60%)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准平时考核20学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务。学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度。课程设计报告报告内容组织书写20结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整