1、物理與電子工程學院2014級課程設計物理與電子工程學院電力拖動自動控制系統課程設計報告書 設計題目： 直流電機起動設計與仿真 專 業： 自動化xxx 班 級： 2014xxxxx本1班 學生姓名: xxxxxxxx 學 號: 20140343121 指導教師： xxxxxxxxxx 2015年 10月 25 日物理與電子工程學院課程設計任務書專業： 自動化 班級：14xxxx1班 學生姓名xxxxx學號xxxxxxxx課程名稱 電力拖動自動控制系統設計題目直流電機起動設計與仿真 設計目的、主要內容（參數、方法）及要求設計目的：1培養理論聯系實際的設計思想，訓練綜合運用電力拖動和相關課程知識的能

2、力。2.了解直流電動機的起動特性，掌握直流電機的起動方式及工作原理 。3.學會使用Simulink動態仿真工具進行直流電動機起動特性仿真與調試。4.鍛煉學生獨立思考、動手解決問題的能力。設計內容：1. 直流電動機直接起動、串電阻起動、減壓起動線路設計。2.利用MATLAB/SIMULINK的模塊對各種起動方式建立仿真模型，得到包括電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩、轉速等動態仿真曲線。設計要求：1.確立直流電動機模型參數，建立各種起動方式的仿真模型，進行起動過程仿真。 2.改變仿真參數，得到不同仿真結果，并根據仿真曲線分析起動特性。掌 3.完成設計報告。5 工作量2周時間，每天3

3、學時，共計42學時進度安排第1-3天：查閱資料，理論分析設計。第4-6天：起動方式建模。第7-9天：系統仿真調試。第10-14天：整理課程設計報告。主要參考資料1.唐介.電機與拖動M.北京:高等教育出版社,20072.劉鳳春.電機與拖動MATLAB仿真與學習指導M.北京:機械工業出版社,2008指導教師簽字教研室主任簽字 摘 要直流電動機具有調速范圍廣、調速平穩、過載能力強以及啟動和制動轉矩大等優點，在工農業生產中得到了廣泛的應用。文章研究了直流電動機串電阻起動方法，在直流電動機電樞繞組中串入電阻來降低起動電流和起動轉矩。相比于電機直接起動，串入電阻起動起動電流和起動轉矩顯著減低，而且成本又增

4、加不多，在實際工農業生產中有廣泛的應用，在課程設計中總共設了3級電阻，第一級電阻R1=0.518,第二季電阻R2=0.32,第三級電阻R3=0.162。關鍵詞：直流電動機；直接啟動；串電阻啟動；仿真；目 錄1 任務提出與方案論證11.1提出任務11.2方案論證12 總體設計12.1系統總體原理框圖12.2直流電動機直接起動真模型仿真的建立22.3直流電動機串電阻起動真模型仿真的建立52.4直流電動機串電阻起動時電阻值計算以及仿真結果分析53 心得體會131 任務提出與方案論證1.1提出任務直流電動機剛與電源接通的瞬間，轉子尚未轉動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流以及并勵和復勵電動機的輸入電流

5、稱為起動電流，這時的電磁轉矩稱為起動轉矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動時，起動電流可達電樞電流額定值的1020倍，起動轉矩也能達到額定轉矩的1020倍，這樣的起動電流是換向所不允許的，而且過大的起動轉矩會使電動機和它所拖動的生產機械遭受突然的巨大沖擊，以致損壞傳動機械和生產機械。由此可見，除了額定功率在數百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導線細、電樞電阻大以及轉動慣量又比較小，可以直接起動以外，一般的直流電動機是不允許采用直接起動的。1.2方案論證方案一：直流電動機直接啟動直流電動機直接啟動適用于額定功率在數百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導線細、電樞電阻大以及轉動慣量又比較小，可以

6、直接起動，但是現在工業中絕大數機械都是大功率。方案二：直流電動機串電阻啟動直流電動機串電阻起動方法，在直流電動機電樞繞組中串入電阻來降低起動電流和起動轉矩。相比于電機直接起動，串電阻起動起動電流和起動轉矩顯著減低，而且成本又增加不多，在實際工農業生產中有廣泛的應用。最終選擇：經過比較本設計選擇方案二直流電動機串電阻啟動能更好的達到設計要求。2 總體設計2.1系統總體原理框圖直流電動機啟動的設計，我們首先對電路原理進行分析，通過分析，結合具體的性能指標求出相應的參數，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，通過不斷仿真、調試、不斷修改參

7、數，知道符合正確的參數要求。其系統原理框圖如下圖2.1。交流輸入控制電路直流電動機啟動電路輸出符合要求的電流和轉速圖2.1 系統原理框圖2.2直流電動機直接起動真模型仿真的建立（1）圖中的模塊有直流電源（DC Voltage Source）、理想開關、直流電動機、開關、增益、電阻（RLC branch）、示波器（scope）、信號分離模塊（Demux）。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，使電機在起動過程中的轉矩為空載起動，當轉速達到設定值后，使電機工作再給定的負載轉矩。圖2.2 直流電動機直接起動仿真模型 圖2.3 直流電機模塊參數圖2.2.4 直

8、流電源模塊參數圖2.4 電壓參數設置圖2.5 仿真圖圖2.6 電流-轉速圖2.3直流電動機串電阻起動仿真模型的建立直流電動機串電阻起動仿真模型如圖2.7所示，該模型在直接起動模型的基礎上，在電樞回路中串聯一個由三級電阻組成的啟動器。在每個電阻(R1、R2、R3)上并聯一個理想開關，用于切除電阻，開關受Step模塊控制。(注：在Step模塊對話框中設定單位階躍信號發生時刻，即可控制開關的閉合，從而短接該電阻)。模型檢測將轉速n、電樞電流I等送入示波器。圖2.7 直流電動機串電阻起動仿真模型2.4直流電動機串電阻起動時電阻值計算以及仿真結果分析為了實現直流電動機串電阻起動，對于電樞繞組串入電阻值的

9、計算非常重要，需要計算精確，本文為了盡可能地降低起動電流和起動轉矩，采用三級串電阻計算方法。具體實現步驟如下。(1)將step模塊2和3的階躍信號發生時間設為“0”，step1設為20s，使接入電樞回路，并初選R'1的阻值。a.=-=在模型中設=1，得到n(r/min)/A/A(N.m)圖2.8 串一級電阻啟動時的轉速和電流波形由圖2.8可知，串聯電阻后最大啟動電流為200A，在3.5s時電流下降到100A，對應的轉速為1500r/min，相對于直流電機直接起動，起動電流從2500A變為200A，顯著地減低了，起到了保護電機的作用。為了進一步減少起動電流，需要減小啟動電阻，計算的阻值和

10、預選阻值。b.=-= c.=-=1-0.482=0.518 (2)重新設定R1和R2(R2=R'2)并設step1的信號發生時間為3.5s，設step2的信號發生時間為20s得到仿真圖形如圖2.9所示。n(r/min)/A/A(N.m)圖2.9 串二級電阻啟動時的轉速和電流波形c.從圖2.9中可知，在啟動6s后電流再次下降到100A，此時的轉速為2200r/min。為了進一步減少起動電流，需要再次減小啟動電阻。根據式d和e可以計算和阻值。d.=-= e.=-=0.482-0.32=0.162 (4)重新設定和并設step2的信號發生時間為6s，設step3的信號發生時間為20s得到仿真

11、圖形如圖2.10所示。n(r/min)/A/A(N.m)圖2.10 串三級電阻啟動時的轉速和電流波形從圖2.10可知在啟動8s后起動電流再次下降到100A，此時的轉速為2800r/min，需要再次切除，因此設step3的信號發生時間為8s，再次仿真，得到圖形如2.11所示。n(r/min)/A圖2.11 切除啟動時的轉速和電流波形由圖2.11可知：在切除后，轉速升到3000r/min，在整個啟動過程中電流限制在規定的范圍內，滿足設計要求。3 心得體會通過這次課程設計使我對原來學習的過程有了全新認識，學習一定要理論與實踐相結合，這樣才能更好地學習知識，我用的軟件是MATLAB，它也是實驗中最重要

12、的一環，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的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，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的仿真結果。在這次課程設計中我又進一步學習了電機啟動的一些知識，也由感性認識上升到實踐，這樣我對串電阻啟動的參數的計算以及設定有了更深刻的認識，也在仿真過程中對參

13、數改變帶來的其他變化一目了然，使知識學的活靈活現，還有對直接啟動的危害有了更深的了解。另外這次課程設計讓我不僅對電力電子的理論知識有了很深的認識也對我的實踐動手能力有了很大的培養。當然這次設計還有很多不足之處，例如對基礎知識了解不夠充分，導致設計過程中出現很多不必要的麻煩，所以在以后的學習構成中我會加倍學習相關知識，以彌補自己的不足。 參 考 文 獻1湯蘊璆.電機學（第四版） M.北京：機械工業出版社，20112洪乃剛.電力電子、電機控制系統的建模與仿真 M.北京：機械工業出版社，20104韓松.基于MATLAB的直流電動機啟動的仿真研究D.黑龍江：綏化學院，2011課程設計成績評定表院系：

14、物理與電子工程學院 班級：xxx本1班 姓名： xx 學號：xxxxxxxx 項目分值優秀(x90%)良好(90%>x80%)中等(80%>x70%)及格(70%>x60%)不及格(x<60%)評分參考標準參考標準參考標準參考標準參考標準平時考核20學習態度認真，科學作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務書中規定的進度開展各項工作。學習態度比較認真，科學作風良好，能按期圓滿完成任務書規定的任務。學習態度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間，按期完成各項工作。學習態度尚可，能遵守組織紀律，能按期完成任務。學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹,不能保證設計時間和進度。課程設計報告報告內容組織書寫20結構嚴謹，邏輯性強，層次清晰，語言準確，文字流暢，完全符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙非常工整、清晰。結構合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準確，文字流暢，符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙工整、清晰。結構合理，層次較為分明，文理通順，基本達到規范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結構基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強達到規范化要求；圖紙比較工整。內容空泛，結構混亂，文字表達不清，錯別字較多，達不到規范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術水平20設計合理、理論分析與計算正確，文獻查閱能力強、引用合理、調查調研非常合理、可信。設計合