基于MATLAB的他勵直流電動機起動仿真分析

雷小雙++劉浩++張慧杰

摘 要

直流電動機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，因其優(yōu)良的起動、調(diào)速和制動性能，在某些工業(yè)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。本文介紹了利用MATLAB軟件中的Simulink組件對他勵直流電動機起動過程進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真具有方便、高效及可靠性高等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】他勵直流電動機 仿真分析 起動特性

電動機是工業(yè)自動化和電氣化設(shè)備中最基本也是最重要的部件之一，不難列出許多電動機的應(yīng)用例子：洗衣機、錄像機、計算機硬件中的軟驅(qū)、散熱風(fēng)扇、各種金屬加工機床的拖動等等。電動機根據(jù)它使用的電源可分為交流和直流兩大類。其中直流電動機由于其在控制性能方面的優(yōu)勢，在20世紀(jì)70年代以前一直在控制要求較高的電力拖動領(lǐng)域占踞主導(dǎo)地位，近年來雖然這種情況因交流電動機控制技術(shù)的巨大進(jìn)步已有很大改變，但是由于直流電動機具有起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢，其在現(xiàn)代工業(yè)中的地位仍然十分重要。因此，學(xué)習(xí)直流電動機的工作原理，了解其起動特性，仍然是十分必要的。

1 他勵直流電動機起動的運行特性

電動機的起動是指電動機接通電源后，轉(zhuǎn)子由初始靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。電動機在起動過程中，電樞電流Ia、電磁轉(zhuǎn)矩Tem、轉(zhuǎn)速n都將隨著時間變化，這是一個過渡過程。本文介紹他勵直流電動機的三種起動方法：直接起動、串電阻起動、軟起動。

1.1 他勵直流電動機直接起動

將電動機的電樞繞組直接接入額定電壓的電源上稱為直接起動。起動開始瞬間，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為：

（1）

（2）

起動時由于機械慣性使得轉(zhuǎn)速n=0，電樞電動勢Ea=0，而電樞電阻Ra很小，所以起動電流將很大，可達(dá)額定電流的近十倍，從而會造成換向困難，出現(xiàn)強烈火花，很大的沖擊電流也會使電源電壓發(fā)生瞬時跌落，以致影響其它電力設(shè)備正常運行。同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構(gòu)，一般直流電動機不允許直接起動。直接起動的優(yōu)點是操作簡單，無需其它起動設(shè)備，起動轉(zhuǎn)矩大，速度快。小型電機通常電壓低，電阻大，故此法只適用于小型電動機或小負(fù)荷起動。

1.2 他勵直流電動機串電阻起動

對于一般的他勵直流電動機，為了限制起動電流，可以采用電樞回路串入變阻器分級起動，起動開始時斷路器均斷開，此時電樞回路中串入的電阻值最大，由于變阻器分壓，故起動初期加到電樞繞組上的電壓較低，之后隨著轉(zhuǎn)速的上升，斷路器逐級閉合來切除電阻，將電阻從電樞回路中切除，電樞電壓逐級升高，最終將全壓加到電樞繞組上。

1.3 他勵直流電動機軟起動

為了解決起動瞬間電機電樞電壓突變的問題，可以考慮利用一些元器件或裝置的特性，例如在電源后邊并接一個電容器，利用電容電壓不能突變，能夠逐漸將電源電壓加至電機電樞上。這樣，在起動開始時，加于電動機電樞的端電壓很低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸增加電樞電壓，就會使得起動電流限制在一定范圍以內(nèi)，并且啟動過程平滑連續(xù)。它突出的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠連續(xù)無級的調(diào)節(jié)電機起動，沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流小。

2 仿真模型的建立

2.1 他勵直流電動機直接起動仿真

搭建他勵直流電動機直接起動仿真模型，如圖1所示。仿真模型中，各個模塊均取自于Simulink動態(tài)仿真模塊庫，理想開關(guān)的狀態(tài)決定是否給電機供電，而理想開關(guān)狀態(tài)的切換又由計時器控制。m是電機的信號輸出端，通過一個分解模塊選擇觀察其角速度ω、電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩Te信號，與電樞電壓信號一起顯示在示波器上。再通過設(shè)置合理的仿真參數(shù)以及仿真算法，運行即可得到正確的仿真結(jié)果。結(jié)果如圖2。

2.2 他勵直流電動機串電阻起動仿真

搭建串電阻起動仿真模型，如圖3。串變阻器分級啟動仿真模型是在直接起動仿真模型的電樞端子前串接一個起動變阻器模塊。其中，該模塊是由階躍模塊控制三個斷路器不同時閉合來逐級將電阻從電樞回路中切除，最終全部加到電樞繞組上。運行仿真即可得到串電阻三級起動的仿真結(jié)果。結(jié)果如圖4。

2.3 他勵直流電動機軟起動仿真

本文介紹的軟起動設(shè)計思路為在直流電壓源后邊并接一個電容器，利用電容電壓不能突變，逐漸將電源電壓加至電機電樞上，從而電樞電流、轉(zhuǎn)矩、和電機轉(zhuǎn)速就是連續(xù)變化的。建立仿真模型，如圖5。運行仿真模型即可得到軟起動的仿真結(jié)果。如圖6所示。

3 仿真結(jié)果的分析

圖2給出了直流電動機在起動過程中的電樞電壓、角速度、電流、電磁轉(zhuǎn)矩的變化。從仿真波形中可以看出直接起動起動轉(zhuǎn)矩大、速度快，但起動時沖擊電流很大，轉(zhuǎn)速能夠在較短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖4給出了他勵直流電動機串電阻起動仿真波形，可以看出通過設(shè)計合理的各級起動電阻阻值以及切除電阻時間能夠使起動沖擊電流較小，不至于產(chǎn)生沖擊。但起動速度較慢，各項指標(biāo)變化不連續(xù)。圖6給出了軟起動的仿真波形，可以看出，通過并聯(lián)電容器的方法，只要參數(shù)設(shè)置合適，就能達(dá)到起動電流小，速度快，起動過程平滑連續(xù)的目的。

4 結(jié)束語

本文運用Matlab工具中的Simulink組件對他勵直流電動機的三種起動方式分別進(jìn)行了建模和仿真，并將三種模型得到的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，在實際應(yīng)用中具有十分重要的作用。同時表明，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真具有方便、高效及可靠性高等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

[1]呂宗樞，張愛軍，王森.電機學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2014：295.

[2]王楓，付周興.MATLAB/Simulink在電力系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué).

[3]潘曉晟，郝世勇.MATLAB電機仿真精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：35.

[4]馬天兵，杜菲.他勵直流電動機電樞串電阻起動過程的仿真分析[J].煤礦機械，2005.

作者單位

西安科技大學(xué) 陜西省西安市 710600