基于MATLAB直流電機(jī)起動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真-課程設(shè)計(jì)

1、物理與電子工程學(xué)院2014級(jí)課程設(shè)計(jì)物理與電子工程學(xué)院電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 設(shè)計(jì)題目： 直流電機(jī)起動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真 專 業(yè)： 自動(dòng)化xxx 班 級(jí)： 2014xxxxx本1班 學(xué)生姓名: xxxxxxxx 學(xué) 號(hào): 20140343121 指導(dǎo)教師： xxxxxxxxxx 2015年 10月 25 日物理與電子工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)：14xxxx1班 學(xué)生姓名xxxxx學(xué)號(hào)xxxxxxxx課程名稱 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目直流電機(jī)起動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真 設(shè)計(jì)目的、主要內(nèi)容（參數(shù)、方法）及要求設(shè)計(jì)目的：1培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用電力拖動(dòng)和相關(guān)課程知識(shí)的能

2、力。2.了解直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，掌握直流電機(jī)的起動(dòng)方式及工作原理 。3.學(xué)會(huì)使用Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性仿真與調(diào)試。4.鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)內(nèi)容：1. 直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)、串電阻起動(dòng)、減壓起動(dòng)線路設(shè)計(jì)。2.利用MATLAB/SIMULINK的模塊對(duì)各種起動(dòng)方式建立仿真模型，得到包括電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等動(dòng)態(tài)仿真曲線。設(shè)計(jì)要求：1.確立直流電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)，建立各種起動(dòng)方式的仿真模型，進(jìn)行起動(dòng)過(guò)程仿真。 2.改變仿真參數(shù)，得到不同仿真結(jié)果，并根據(jù)仿真曲線分析起動(dòng)特性。掌 3.完成設(shè)計(jì)報(bào)告。5 工作量2周時(shí)間，每天3

3、學(xué)時(shí)，共計(jì)42學(xué)時(shí)進(jìn)度安排第1-3天：查閱資料，理論分析設(shè)計(jì)。第4-6天：起動(dòng)方式建模。第7-9天：系統(tǒng)仿真調(diào)試。第10-14天：整理課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1.唐介.電機(jī)與拖動(dòng)M.北京:高等教育出版社,20072.劉鳳春.電機(jī)與拖動(dòng)MATLAB仿真與學(xué)習(xí)指導(dǎo)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字 摘 要直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平穩(wěn)、過(guò)載能力強(qiáng)以及啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。文章研究了直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)方法，在直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中串入電阻來(lái)降低起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。相比于電機(jī)直接起動(dòng)，串入電阻起動(dòng)起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯著減低，而且成本又增

4、加不多，在實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，在課程設(shè)計(jì)中總共設(shè)了3級(jí)電阻，第一級(jí)電阻R1=0.518,第二季電阻R2=0.32,第三級(jí)電阻R3=0.162。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；直接啟動(dòng)；串電阻啟動(dòng)；仿真；目 錄1 任務(wù)提出與方案論證11.1提出任務(wù)11.2方案論證12 總體設(shè)計(jì)12.1系統(tǒng)總體原理框圖12.2直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)真模型仿真的建立22.3直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)真模型仿真的建立52.4直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)時(shí)電阻值計(jì)算以及仿真結(jié)果分析53 心得體會(huì)131 任務(wù)提出與方案論證1.1提出任務(wù)直流電動(dòng)機(jī)剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，他勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電流以及并勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的輸入電流

5、稱為起動(dòng)電流，這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流可達(dá)電樞電流額定值的1020倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍，這樣的起動(dòng)電流是換向所不允許的，而且過(guò)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使電動(dòng)機(jī)和它所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動(dòng)機(jī)械和生產(chǎn)機(jī)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(dòng)機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又比較小，可以直接起動(dòng)以外，一般的直流電動(dòng)機(jī)是不允許采用直接起動(dòng)的。1.2方案論證方案一：直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)適用于額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動(dòng)機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又比較小，可以

6、直接起動(dòng)，但是現(xiàn)在工業(yè)中絕大數(shù)機(jī)械都是大功率。方案二：直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)方法，在直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中串入電阻來(lái)降低起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。相比于電機(jī)直接起動(dòng)，串電阻起動(dòng)起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯著減低，而且成本又增加不多，在實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。最終選擇：經(jīng)過(guò)比較本設(shè)計(jì)選擇方案二直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)能更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2 總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體原理框圖直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)計(jì)，我們首先對(duì)電路原理進(jìn)行分析，通過(guò)分析，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過(guò)不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參

7、數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。其系統(tǒng)原理框圖如下圖2.1。交流輸入控制電路直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路輸出符合要求的電流和轉(zhuǎn)速圖2.1 系統(tǒng)原理框圖2.2直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)真模型仿真的建立（1）圖中的模塊有直流電源（DC Voltage Source）、理想開關(guān)、直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)、增益、電阻（RLC branch）、示波器（scope）、信號(hào)分離模塊（Demux）。仿真模型中通過(guò)理想開關(guān)模塊控制直流電源的接通和斷開，使用開關(guān)模塊控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩為空載起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后，使電機(jī)工作再給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。圖2.2 直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型 圖2.3 直流電機(jī)模塊參數(shù)圖2.2.4 直

8、流電源模塊參數(shù)圖2.4 電壓參數(shù)設(shè)置圖2.5 仿真圖圖2.6 電流-轉(zhuǎn)速圖2.3直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型的建立直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型如圖2.7所示，該模型在直接起動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)由三級(jí)電阻組成的啟動(dòng)器。在每個(gè)電阻(R1、R2、R3)上并聯(lián)一個(gè)理想開關(guān)，用于切除電阻，開關(guān)受Step模塊控制。(注：在Step模塊對(duì)話框中設(shè)定單位階躍信號(hào)發(fā)生時(shí)刻，即可控制開關(guān)的閉合，從而短接該電阻)。模型檢測(cè)將轉(zhuǎn)速n、電樞電流I等送入示波器。圖2.7 直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)仿真模型2.4直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)時(shí)電阻值計(jì)算以及仿真結(jié)果分析為了實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)，對(duì)于電樞繞組串入電阻值的

9、計(jì)算非常重要，需要計(jì)算精確，本文為了盡可能地降低起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用三級(jí)串電阻計(jì)算方法。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。(1)將step模塊2和3的階躍信號(hào)發(fā)生時(shí)間設(shè)為“0”，step1設(shè)為20s，使接入電樞回路，并初選R'1的阻值。a.=-=在模型中設(shè)=1，得到n(r/min)/A/A(N.m)圖2.8 串一級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖2.8可知，串聯(lián)電阻后最大啟動(dòng)電流為200A，在3.5s時(shí)電流下降到100A，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，相對(duì)于直流電機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)電流從2500A變?yōu)?00A，顯著地減低了，起到了保護(hù)電機(jī)的作用。為了進(jìn)一步減少起動(dòng)電流，需要減小啟動(dòng)電阻，計(jì)算的阻值和

10、預(yù)選阻值。b.=-= c.=-=1-0.482=0.518 (2)重新設(shè)定R1和R2(R2=R'2)并設(shè)step1的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為3.5s，設(shè)step2的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為20s得到仿真圖形如圖2.9所示。n(r/min)/A/A(N.m)圖2.9 串二級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形c.從圖2.9中可知，在啟動(dòng)6s后電流再次下降到100A，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為2200r/min。為了進(jìn)一步減少起動(dòng)電流，需要再次減小啟動(dòng)電阻。根據(jù)式d和e可以計(jì)算和阻值。d.=-= e.=-=0.482-0.32=0.162 (4)重新設(shè)定和并設(shè)step2的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為6s，設(shè)step3的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為20s得到仿真

11、圖形如圖2.10所示。n(r/min)/A/A(N.m)圖2.10 串三級(jí)電阻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖2.10可知在啟動(dòng)8s后起動(dòng)電流再次下降到100A，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為2800r/min，需要再次切除，因此設(shè)step3的信號(hào)發(fā)生時(shí)間為8s，再次仿真，得到圖形如2.11所示。n(r/min)/A圖2.11 切除啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖2.11可知：在切除后，轉(zhuǎn)速升到3000r/min，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。3 心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)原來(lái)學(xué)習(xí)的過(guò)程有了全新認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)一定要理論與實(shí)踐相結(jié)合，這樣才能更好地學(xué)習(xí)知識(shí)，我用的軟件是MATLAB，它也是實(shí)驗(yàn)中最重要

12、的一環(huán)，用的最多的是Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。在這次課程設(shè)計(jì)中我又進(jìn)一步學(xué)習(xí)了電機(jī)啟動(dòng)的一些知識(shí)，也由感性認(rèn)識(shí)上升到實(shí)踐，這樣我對(duì)串電阻啟動(dòng)的參數(shù)的計(jì)算以及設(shè)定有了更深刻的認(rèn)識(shí)，也在仿真過(guò)程中對(duì)參

13、數(shù)改變帶來(lái)的其他變化一目了然，使知識(shí)學(xué)的活靈活現(xiàn)，還有對(duì)直接啟動(dòng)的危害有了更深的了解。另外這次課程設(shè)計(jì)讓我不僅對(duì)電力電子的理論知識(shí)有了很深的認(rèn)識(shí)也對(duì)我的實(shí)踐動(dòng)手能力有了很大的培養(yǎng)。當(dāng)然這次設(shè)計(jì)還有很多不足之處，例如對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)了解不夠充分，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)很多不必要的麻煩，所以在以后的學(xué)習(xí)構(gòu)成中我會(huì)加倍學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，以彌補(bǔ)自己的不足。 參 考 文 獻(xiàn)1湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)（第四版） M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20112洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模與仿真 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20104韓松.基于MATLAB的直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的仿真研究D.黑龍江：綏化學(xué)院，2011課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表院系：

14、物理與電子工程學(xué)院 班級(jí)：xxx本1班 姓名： xx 學(xué)號(hào)：xxxxxxxx 項(xiàng)目分值優(yōu)秀(x90%)良好(90%>x80%)中等(80%>x70%)及格(70%>x60%)不及格(x<60%)評(píng)分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)考核20學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作。學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)。學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期完成各項(xiàng)工作。學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)。學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度。課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告內(nèi)容組織書寫20結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語(yǔ)言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語(yǔ)言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整。內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯(cuò)別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術(shù)水平20設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信。設(shè)計(jì)合