他勵直流電動機的啟動(課程設計).doc

xxxxxxxxx大學 電機與拖動課程設計 設 計 題 目：他勵直流電動機的啟動院（系、部）： 電氣與控制工程學院 專 業(yè) 班 級： 姓 名： 學 號： 指 導 教 師：_日 期： 電氣工程系課程設計標準評分模板課程設計成績評定表學期姓名專業(yè)班級課程名稱 電機與拖動課程設計設計題目 他勵直流電動機的啟動 成績 評分項目優(yōu)良中及格不及格設計表現(xiàn)1.設計態(tài)度非常認真認真較認真一般不認真2.設計紀律嚴格遵守遵守基本遵守少量違反嚴重違反3.獨立工作能力強較強能獨立設計完成基本獨立設計完成不能獨立設計完成4.上交設計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設計說明書5.設計內容設計思路清晰，結構方案良好，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內容完整，結果正確設計思路清晰，結構方案合理，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內容較完整，極少量錯誤設計思路較清晰，結構方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有少量錯誤設計思路基本清晰，結構方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有些錯誤設計思路不清晰，結構方案不合理，關鍵設計參數(shù)選擇有錯誤，調理清楚，內容不完整，有明顯錯誤6.設計書寫、字體、排版規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，排版有問題較多不規(guī)范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標準符合標準較符合標準基本符合標準個別不符合標準完全不符合標準評定說明：不及格標準：設計內容一項否決制，即5為不及格，整個設計不及格，其他4項否決；優(yōu)、良、中、及格標準：以設計內容為主體，其他項超過三分之一為評定標準，否則評定為下一等級；如優(yōu)秀評定，設計內容要符合5，其余九項要有4項符合才能評定為優(yōu)，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：課程設計任務書一、設計題目直流電動機串電阻起動分析與設計二、設計任務一臺Z4他勵直流電動機，PaN=200kW，UaN=440V，IaN =497A，nN =1500r/min，Ra=0.076。采用分級起動，起動電流最大值不超過2IaN，試求各段電阻值，并求切除電阻時的瞬時轉速和電動勢，并做出機械特性圖，對起動特性進行分析。三、設計計劃電機與拖動課程設計共計1周內完成：1、第12天查資料,熟悉題目；2、第35天方案分析,具體按步驟進行設計及整理設計說明書；3、第6天準備答辯；4、第7天答辯。四、設計要求1、設計工作量為完成設計說明書一份；2、設計必須根據(jù)進度計劃按期完成；3、設計說明書必須經(jīng)指導教師審查簽字方可答辯。指 導 教師：教研室主任：時 間：摘 要通過在電樞上串聯(lián)多級電阻，可以減小他勵直流電動機的啟動電流和轉矩。分析了他勵直流電動機串多級電阻的啟動原理，給出了多級啟動電阻的計算選擇方法。以一個實際他勵電動機為例進行分析，設計了該電動機電樞串五級電阻的啟動系統(tǒng)，通過編程畫出了該直流電動機串五級電阻啟動的機械特性圖。通過Matlab對直流電動機的直接啟動和串電阻啟動進行了建模和仿真，仿真結果驗證了理論分析的正確性。關鍵詞：他勵直流電動機 電樞串電阻啟動 機械特性 仿真目 錄1 引言12 他勵電動機轉子串電阻啟動原理13 啟動電阻的計算選擇24 實例分析35 仿真驗證55.1 他勵直流電動機直接啟動仿真55.2 他勵直流電動機串電阻啟動仿真106 結論12參考文獻121 引言他勵直流電動機在啟動瞬間，轉速n=0，電動勢E=0，由電樞電流方程式（1）可知，啟動電流如式（2）所示。在額定電壓下直接啟動時，由于Ra很小，IS很大，一般可達電樞電流額定值的1020倍。這樣大的電流是換向所不允許的。同時由式（3）可知，啟動轉矩也能達到額定轉矩的1020倍。雖然啟動轉矩大可以使電機加速快，但是過大的啟動轉矩會使電動機和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨頭沖擊，以致?lián)p壞傳動機構（如齒輪）和生產(chǎn)機械。由此可見，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導線細、電樞電阻Ra大、轉動慣量又比較小，可以直接啟動外，一般的直流電動機是不允許采用直接啟動的1。因此，必須將啟動電流限制在運行范圍之內。由式（2）可以看出，方法有兩個：降低電樞電壓Ua和增加電樞電阻Ra。2 他勵電動機轉子串電阻啟動原理本設計采用增加Ra的方法。通過在電樞上串聯(lián)多個電阻，采用有級啟動的方法來保證啟動過程中既有較大的啟動轉矩，又使啟動電流不會超過允許值2。現(xiàn)以兩級啟動為例來說明啟動步驟和啟動過程。原理圖和機械特性如圖1所示。 (a) 電路圖 (b) 機械特性圖1 他勵電動機電樞串電阻分級啟動啟動過程分析。啟動步驟如下： 串聯(lián)啟動電阻RST1和RST2啟動啟動前開關Q1和Q2斷開，使得電樞電路中串入電阻RST1和RST2，加上電樞電路自身的電阻Ra，電樞電路的總電阻為加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，然后加上電樞電壓，這是電動機的機械特性如圖1（b）中的人為特性n0Ma。由于啟動轉矩T1遠大于負載轉矩TL，電動機拖動生產(chǎn)機械開始啟動，工作點沿人為特性n0Ma由a1點向a2點移動。 切除啟動電阻RST2當工作點到達a2點，即電磁轉矩T等于切換轉矩T2時，合上開關Q2，切除起動電阻RST2，電樞電路的總電阻變?yōu)檫@時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦詎0Mb，切除RST2的瞬間，轉速來不及改變，工作點由特性n0Ma上的a2點平移到特性n0Mb上的b1點，使得這時的電磁轉矩T仍等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性n0Mb由b1點向b2點移動。 切除啟動電阻RST1當工作點到達b2點，即電磁轉矩T又等于切換轉矩T2時，合上開關Q1，切除起動電阻RST1，電樞電路的總電阻變?yōu)檫@時機械特性變?yōu)楣逃刑匦詎0Mc，工作點由b2點平移到c1點，使得這時的電磁轉矩T仍等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿固有特性n0Mc由c1點經(jīng)c2點，移動到p點。在p點，電磁轉矩T等于負載轉矩TL，電動機進入穩(wěn)態(tài)運行，整個啟動過程結束。3 啟動電阻的計算選擇 選擇啟動電流I1和切換電流I2為保證與啟動轉矩T1對應的啟動電流不會超過運行的最大電樞電流Iamax，選擇對應的啟動轉矩為保證一定的加速轉矩，減小啟動時間，一般選擇切換轉矩為若TL未知，可用TN代替。對應的切換電流T2為IL是與TL對應的穩(wěn)態(tài)電樞電流。若未知，可用IaN代替。 求出起切電流（轉矩）比 確定啟動級數(shù)mm的計算公式為式中，Ram為m級啟動時的電樞啟動總電阻該公式的推導過程如下：由于nb2=nc1，故Eb2=Ec1，即由于na2=nb1，故Ea2=Eb1，即可見，若為m級啟動，則啟動的總電阻為兩邊取對數(shù)，便得到了式（12）。若式（12）求出的m不是整數(shù)，可取相近整數(shù)。若m已知，上述步驟中除求I1外，其余都可省略。 重新計算，校驗I2是否在規(guī)定范圍之內。若m是取相近整數(shù)，則需重新計算。由式（14）可知計算的公式為根據(jù)重新求得的，由式（11）重新求出I2，并校驗I2是否在式（10）所規(guī)定的范圍之內。若不在規(guī)定范圍之內，需調整I1或加大啟動級數(shù)m，重新計算和I2，直到滿足要求為止。 求出各級啟動電阻。根據(jù)前面的分析可知，計算各級啟動電阻的一般公式為式中，i=1，2，m。4 實例分析以一臺Z4系列他勵直流電動機為例進行分析計算，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076，采用電樞串電阻起動。求起動級數(shù)和各級起動電阻。 啟動電阻計算(1) 選擇I1和I2I1=(1.5 2.0)IaN=(745.5994)AI2 =(1.1 1.2)IaN=(546.7596.4)A取I1= 840 A，I2=560A。(2) 求出起切電流比b(3) 求出啟動級數(shù)m取m=5。(4) 重新計算b，校驗I2。I2在規(guī)定的范圍之內。(5) 求出各級啟動電阻RST1=(-1)Ra=(1.47131)0.076= 0.0358RST2=(2-)Ra=(1.471321.4713)0.076= 0.0527RST3=(3-2)Ra=(1.471331.47132)0.076= 0.0775RST4=(4-3)Ra=(1.471341.47133)0.076= 0.1141RST5=(5-4)Ra=(1.471351.47134)0.076= 0.1678 啟動特性分析他勵電動機的轉速與轉矩之間的關系，即機械特性關系式為已知，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076。額定狀態(tài)時，有可得當電樞上串聯(lián)不同電阻時，他勵電動機的機械特性也不同。當電樞電阻分別為Ra1、Ra2、Ra3、Ra4、Ra5時，代入式（17），使用如下指令：clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.076; Ra1=0.1118;Ra2=0.1645;Ra3=0.2420;Ra4=0.3561;Ra5=0.5239;I1=840;I2=570.924;T=0: 1:2500;n= UaN/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);n1= UaN/CEFai-Ra1.*T./( CEFai*CTFai);n2= UaN/CEFai-Ra2.*T./( CEFai*CTFai);n3= UaN/CEFai-Ra3.*T./( CEFai*CTFai);n4= UaN/CEFai-Ra4.*T./( CEFai*CTFai);n5= UaN/CEFai-Ra5.*T./( CEFai*CTFai);plot(T, n, T, n1, T, n2, T, n3, T, n4, T, n5)title(他勵直流電動機啟動機械特性圖), xlabel(電磁轉矩T(或電樞電流Ia), ylabel(轉速n)hold onT1= CTFai*I1;T2= CTFai*I2;plot(T1, n5,T2,n5)hold off在Matlab運行窗口下運行，可畫出他勵直流電動機串5級電阻啟動時的機械特性，如圖2所示。用下面程序，可計算出電磁轉矩Te=T2=1.4638103Nm時，固有特性和五級串電阻機械特性對應的轉速分別為：nT2=1.4771e+003r/min，n1T2=1.4010e+003r/min，n2T2= 1.2890e+003 r/min，n3T2=1.1242e+003 r/min，n4T2= 881.5672 r/min，n5T2=524.7782 r/min。clearUaN=440; CEFai=0.2685; CTFai=2.564; Ra=0.076; Ra1=0.1118;Ra2=0.1645;Ra3=0.2420;Ra4=0.3561;Ra5=0.5239;I1=840;I2=570.924;T=1463.8;nT2= UaN/CEFai-Ra*T/( CEFai*CTFai)n1T2= UaN/CEFai-Ra1*T/( CEFai*CTFai)n2T2= UaN/CEFai-Ra2*T/( CEFai*CTFai)n3T2= UaN/CEFai-Ra3*T/( CEFai*CTFai)n4T2= UaN/CEFai-Ra4*T/( CEFai*CTFai)n5T2= UaN/CEFai-Ra5*T/( CEFai*CTFai)圖2 他勵直流電動機啟動機械特性圖5 仿真驗證使用Simulink建立他勵直流電動機直接啟動和串多級電阻啟動的仿真模型，測取啟動過程中的轉速、電磁轉矩和電樞電流的仿真曲線，并進行比較。5.1 他勵直流電動機直接啟動仿真直流電動機直接啟動時，啟動電流很大，可達到額定電流的1020倍，由此產(chǎn)生很大的沖擊轉矩。在實際運行時不允許直流電動機直接啟動。使用Simulink對他勵直流電動機的直接啟動過程建立仿真模型，通過仿真獲得直流電動機的直接啟動電流和電磁轉矩的變化過程。（1）建立仿真模型仿真模型如圖3所示3-4。圖中主要包括直流電動機模塊（DC Machine）、直流電源模塊（DC Voltage Source）、理想開關模塊（Ideal Switch）、開關模塊（Switch）、增益模塊（Gain）、電子模塊（RLC Branch）、示波器模塊（Scope）等。仿真模型中，通過理想開關模塊控制直流電源的接通和斷開。使用開關模塊控制電機的轉矩，使電機在啟動過程中的轉矩為空載轉矩，當轉速達到設定值之后，使電機工作在給定的負載轉矩。圖3 他勵直流電動機直接啟動仿真模型原理圖（2）模塊參數(shù)設置1）直流電動機模塊。直流電動機的參數(shù)設置窗口如圖4所示5-6，其中：Configuration（配置）標簽中，如圖4（a）所示，包括如下參數(shù)：Preset model 預設模型選項，有一些模塊中預先設定好參數(shù)的模型可以使用，本例沒有使用預設模型，所以選定了No選項；Mechanical input 機械輸入選項，分為功率輸入（Mechnical power Pm）和轉速輸入（Speed w）方式兩種可選，本例選擇了功率輸入方式，也就是轉矩形式輸入；（a） Configuration（配置）參數(shù)設置（b）Parameters（參數(shù)）參數(shù)設置 圖4 直流電動機模塊參數(shù)設置圖Parameters（參數(shù)）標簽中，如圖4（b）所示，包括如下參數(shù)：Armature resistance and inductance Ra (ohms) La (H) 電樞電阻和電感，用來設定電樞的電阻值和電感值；Field resistance and inductance Rf (ohms) Lf (H) 勵磁繞組電阻和電感，用來設定勵磁繞組的電阻值和電感值；Field armature mutual inductance Laf (H) 勵磁繞組和電樞之間的互感；Total inertia J (kgm2) 電機總轉動慣量；Viscous friction coefficient Bm (Nms) 摩擦系數(shù)；Coulomb friction torque Tf (Nm) 庫侖摩擦轉矩；Initial speed (rad/s) 初始角速度。按照4中的參數(shù)分別設置直流電動機的各個參數(shù)7-9。Advanced（高級）標簽中，只有Sample time（采樣時間）設置，默認為-1。 直流電機的m端口輸出是一個包含四個信號的矢量，如表1所示，可以通過信號分解模塊把這四個信號分開。這四個信號分別為轉速n（rad/s）、電樞電流ia、勵磁電流if和電磁轉矩Te。表1 直流電機的m端口輸出信號SignalDefinitionUnits1Speed wmrad/s2Armature current iaA3Field current ifA4Electrical torque TeNm2）直流電源模塊（DC Voltage Source）直流電源模塊設置如下：Amplitude (V) 幅度，設定直流電源的電壓幅值，本例設置在仿真圖中已經(jīng)標出；Measurements 測量選項，有None（無）和Voltage（電壓）兩個備選項。3）理想開關模塊（Ideal Switch）理想開關的參數(shù)設置如圖5所示，其中：nternal resistance Ron (ohms) 內部導通電阻；Initial state (0 for open, 1for closed) 初始狀態(tài)，0表示端口，1表示接通；Snubber resistance Rs (ohms) 吸收電阻；Snubber capacitance Cs (F) 吸收電容；Show measurement port 測量端口顯示控制選項，選定后模塊會出現(xiàn)一個標記為m的輸出端口，可以用來測量模塊的電壓電流等參數(shù)。圖5 理想開關模塊參數(shù)設置圖4）定時器模塊（Timer）定時器的參數(shù)設置如下所示：Time (s) 時間參數(shù)，表示隨后一項Amplitude（幅度）值改變的時刻，本例設置為：0 0.1；Amplitude 幅度，本例設置為：0 1。5）開關模塊（Switch）開關的參數(shù)設置如圖6所示，主標簽（Main）中：Criteria for passing first input 輸入判定標準選項，有u2 = Threshold、u2 Threshold和us = 0三個選項，分別實現(xiàn)三種不同功能。Threshold 門限值，其數(shù)值為前一項輸入判據(jù)中的值。按照圖6中的參數(shù)進行設置，其含義是當輸入u2大于門限值1000時輸出為1274.3，當輸入u2小于或等于門限值1000時輸出為0。Enable zero crossing detection 使能過零檢測；Sample time 采樣時間，可以設定仿真模塊的采樣時間，-1表示繼承輸入的采樣時間，一般情況下使用默認值無需改動。數(shù)據(jù)類型標簽（Signal data types）中可以設定輸入輸出數(shù)據(jù)的類型，在這里使用默認值即可。圖6 開關模塊參數(shù)設置圖6）常數(shù)模塊常量（Constant）模塊參數(shù)設定相對簡單，只要設定常量值即可。（3）仿真參數(shù)設置設定仿真時間為1s。（4）仿真仿真結果如圖7和8所示。圖7中給出了直流電動機在啟動過程中的轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩的變化。圖8給出了轉速對電樞電流的變化關系。從仿真結果的波形中容易看出啟動電流沖擊很大，同時電磁轉矩的沖擊也較大，轉速在較短的時間內達到穩(wěn)定。圖7 他勵直流電動機直接啟動仿真結果圖8 他勵直流電動機直接啟動轉速-電流仿真結果5.2 他勵直流電動機串電阻啟動仿真直流電動機在電樞回路串聯(lián)電阻啟動是限制啟動電流和啟動轉矩的有效方法之一。建立他勵直流電動機串聯(lián)五級電阻啟動的仿真模型，仿真分析其串聯(lián)電阻啟動過程，獲得啟動過程的電樞電流、轉速和電磁轉矩的變化曲線。（1）建立仿真模型他勵直流電動機串聯(lián)啟動電阻的仿真模型原理圖如圖9所示，和直流電動機直接啟動仿真模型相比，主要增加了串啟動電阻部分。該部分主要包括階躍信號模塊（Step）、斷路器模塊（Breaker）、阻抗分支模塊（RLC branch）。圖9 他勵直流電動機串五級啟動電阻啟動仿真模型（2）模塊參數(shù)設置Switch1、Switch2、Switch3、Switch4、Switch5的Threshold分別為524.7782、881.5672、1.1242e+003、1.2890e+003、1.4010e+003，Switch的Threshold為1.4771e+003。信號動作時間分別為2.8s、4.8s、6.8s，五個串聯(lián)電阻分別為：RST1= 0.0358，RST2=0.0527，RST3=0.0775，RST4=0.1141，RST5=0.1