基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究_汪明先

10.3969/j.issn.1000-0755.2013.07.003

0 引言

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。对于小功率直流电动机在工作时一般采用直接启动，省时又省力。但是对于大功率的直流电动机，直接启动会出现大电流和大转矩的情况，严重时会烧毁电机和损坏负载，因此要采用降低电枢电压以及串入电枢电阻来降低启动电流和启动转矩。本文研究了在电枢绕组中串入电阻情况下的启动问题，并在MATLAB/SIMULINK 中进行了建模与仿真。

1 直流电动机直接起动研究

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，

基于MATLAB 的直流电动机启动的仿真研究

汪明先 荣 军 吴祥营 陈 敏 刘 凌

（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南 岳阳）

摘 要：直流电动机因其优良的启动、调速和制动性能，在某些工业领域占有举足轻重的地位。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。

关键词：直流电动机；直接启动；串电阻启动；仿真；

The Simulation Study of the Starting of DC Motor Based on MATLAB

Wang Mingxian Rong Jun Wu Xiangying Chen Min Liu Ling

(Department of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang, Hunan)Abstract ：DC motor has an important position in certain industrial fields for its excellent start, speed regulation, and braking performance. This paper studies the starting method with series resistance for DC motor, and the reduction of starting current and starting torque by series connection of a resistance into the armature winding of DC motor. Compared with the direct starting of DC motor, the starting current and starting torque is significantly reduced for the starting method of series resistance, and the cost increase is less, so it has wide application in the actual industrial and agricultural production.

Key words: DC motor; direct start; start of series resistance; simulation

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]。

1.1 直流电动机直接起动仿真模型的建立

直流电动机直接启动在MATLAB/SIMULINK 中的仿真模型如图1所示。在图1中电动机励磁绕组和电枢绕组的输入端并联后再与直流电源电压Vd 的正极端相连接，电动机励磁绕组和电枢的输出端通过T 形接点并联后与直流电源Vd 的负极端连接在一起，这时电动机的模型为并励形式，电动机参数设置为：P N =17kW ，U N =220V ，I N =88.9A ，n N =3000r/m ，电枢电路总电阻R a =0.087Ω，励磁回路总电阻R f =181.5Ω，电动机转动惯量J=0.76kg ·m 2。电动机的负载转矩由常数模块T L 设定，然后在电动机模块的m 端接上示波器，用于观察电动机的各项波形，Demux 分解模块用于输出转速、电枢电流、励磁电流和转矩四项参数。放大器(Gain )将rad/s 转换为r/min ，变换系数为K =60/2π=9.55。

图1 直流电动机直接启动仿真模型(参见下页)1.2 直接起动仿真结果及分析

直流电动机直接起动仿真波形如图2所示，在图2的仿真波形中很容易看出电动机在直接启动时启动电流很大，最大可达到2500A，起动转矩最大

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图1 直流电动机直接启动仿真模型

可以达到1800N ·m 。电动机在启动0.4s 后，转速达到3000r/min ，电流下降为额定值A 左右。转矩也有相应变化，从图2仿真波形可以看出直流电动机直接起动造成大电流和大转矩，很容易损坏电机和负载，因此这是不允许的。

图2 直接启动模型仿真波形

2 直流电动机串电阻起动研究

由上所述，大型直流电动机不宜采用直接起动，因此本文采用串电阻起动。具体实现方法是基于图1所示的直接起动模型基础上，采用三级串电阻方法启动电流，控制启动电流在200～100A 之间，通过仿真设计选择启动电阻和切换时间。

2.1 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3 所示，该模型在图1所示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(R 1、R 2、R 3)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3 直流电动机串电阻启动仿真模型(参见预览)2.2 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

图3 直流电动机串电阻启动仿真模型

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[3]。

（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R 1接入电枢回路，并初选R'1的阻值。

（1）在模型中设R 1=R'1=1，得到仿真图形如图4所示[4,5]。

图4 串一级电阻启动时的转速和电流波形

由图4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R 1的阻值和预选R'2阻值。

（2）

R 1= R'1－R'2=1Ω－0.482

Ω （3）

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（2）重新设定R 1和R 2(R 2=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5所示。

图5 串二级电阻启动时的转速和电流波形

从图5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(4)和(5)可以计算R 2和R 3阻值。

（4）

R 3=R'2－R 2=0.482Ω－0.32Ω=0.162Ω （5）（3）：重新设定R 2和R 3，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6所示。

图6 串三级电阻启动时的转速和电流波形

从图6可知在启动8s 后起动电流再次下降到100A ，此时的转速为2800r/min ，需要再次切除R 3，因此设step3的信号发生时间为8s ，再次仿真，得到

图形如7所示。

图7 切除R 3启动时的转速和电流波形

由图7可知：在切除R 3后，转速升到3000r/min ，在整个启动过程中电流在规定的范围内，满足设计要求。

3 结论

本文研究直流电动机的串电阻起动，通过三级起动法计算出串电阻的阻值大小，并在MATLAB/ SIMULINK 中进行了建模和仿真，为实际直流电动机的串电阻起动设计奠定了基础。

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作者简介：

荣军(1978-)，男(汉族)，湖南岳阳人，硕士，讲师，湖南理工学院信息与通信工程学院，主要从事学生开关电源、电机控制以及学生考赛指导工作

电子信箱: rj1219@163.com 基金项目：

2012年湖南理工学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目；

2012年湖南理工学院大学生思想政治教育特色

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