基于simulink仿真的他勵(lì)直流電機(jī)分級(jí)啟動(dòng)設(shè)計(jì)比較

1、<p>　　基于SIMULINK仿真的他勵(lì)直流電機(jī)分級(jí)啟動(dòng)設(shè)計(jì)比較</p><p>　　[摘 要]在他勵(lì)直流電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，啟動(dòng)過程電樞電流不能過大是一個(gè)硬性要求。本文利用Matlab對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)串電阻多級(jí)啟動(dòng)進(jìn)行了有效仿真與相應(yīng)的計(jì)算，通過分析參數(shù)的變化曲線得出了隨著級(jí)數(shù)增加啟動(dòng)過程中沖擊電流小，啟動(dòng)過程快速平滑，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠的優(yōu)點(diǎn)，最后為了便于分析最大啟動(dòng)電流，提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，并且該方案得

2、出了理論上可以實(shí)現(xiàn)最大啟動(dòng)電流便為額定電流的結(jié)論。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]他勵(lì)直流電機(jī) 串電阻多級(jí)啟動(dòng) 新方案 啟動(dòng)電流 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TM30-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）41-0325-02 </p><p><b>　　1.前言 </b></p><p>

3、;　　直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速靈活，被應(yīng)用范圍廣泛。在其啟動(dòng)過程中，為了限制啟動(dòng)電流的大小，采用電阻串接方式，隨著轉(zhuǎn)速的上升，再將電阻逐級(jí)切除。本文通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)得出，隨著切除電阻次數(shù)增多理論上可以實(shí)現(xiàn)最大啟動(dòng)電流越接近額定電流，那么相比于級(jí)數(shù)較低的啟動(dòng)方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩更足，啟動(dòng)更加平滑。那么我們通過MATLAB仿真可以驗(yàn)證：在滿足足夠大轉(zhuǎn)矩，較為理想的啟動(dòng)時(shí)間，合理的能耗前提下，通過增加啟動(dòng)級(jí)數(shù)，啟動(dòng)電流減小進(jìn)而得出在理論上可以降低到

4、額定值。由于傳統(tǒng)串電阻啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案電流往往是額定值的2倍左右，這對(duì)繞組材料要求非常高。本文所提出的新的方案增加級(jí)數(shù)的方法雖然啟動(dòng)時(shí)間增加了，但是啟動(dòng)電流大大降低，所以有著更好的安全可靠性能。這一規(guī)律可以應(yīng)用到不同的場(chǎng)合即輕載比重載的啟動(dòng)級(jí)數(shù)要小，也可以通過控制系統(tǒng)對(duì)串入的電阻按照一定方式連續(xù)切除，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電流便為額定的電流的工況。 </p><p>　　2.他勵(lì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 </p><p

5、>　　2.1 電壓平衡方程 </p><p>　　U=R*Ia+w*If*Laf </p><p>　　式中U，Ia―電源電壓、流入電樞繞組的電流 </p><p>　　If為勵(lì)磁繞組電流； </p><p>　　W―轉(zhuǎn)子的角速度； </p><p>　　Laf電樞繞組和勵(lì)磁繞組的互感系數(shù) </p>

6、<p>　　2.2 電磁轉(zhuǎn)矩方程 </p><p>　　Te=Laf*if*ia </p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)矩平衡方程 </p><p>　　Te=pJw+Bm+TL </p><p>　　式中：Bm為機(jī)械阻尼系數(shù)； </p><p><b>　　TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； </b><

7、;/p><p>　　J為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； </p><p><b>　　P為微分算子； </b></p><p>　　求解上式并代入不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速初值便可得出該狀態(tài)下的直流電機(jī)的關(guān)于時(shí)間t電力拖動(dòng)狀態(tài)方程 </p><p>　　w（t）=C1/C2*exp（-C3*t）+C4； </p><p>

8、　　Ia（t）=（U-w*If*laf）/R； </p><p>　　其中C1=1/（laf^2*if^2+AR（t）） </p><p>　　C2=w（i）*laf^2*if^2-R（ti）*U*laf*if+A*w（i）*R（ti） </p><p>　　C3=（laf^2*if^2+AR（ti））/JR </p><p>　　C4=R*

9、U*laf*if/C1； </p><p><b>　　式中： </b></p><p>　　w（i）為第i階段轉(zhuǎn)速的初值，且w（0）=0； </p><p>　　A為轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的比值，且TL=Aw； </p><p>　　R（ti）為在ti時(shí)刻切除電阻后第i階段內(nèi)剩余電樞回路總阻值； </p><

10、;p>　　3.第一種設(shè)計(jì)方案： </p><p>　?。?）選取最大啟動(dòng)電流 </p><p>　　I1=（1.5～2.0）In，I2=（1.1～1.2）In </p><p>　?。?）求出電流的啟切比 </p><p><b>　　β=I1/I2 </b></p><p><b&g

11、t;　?。?）級(jí)數(shù)選擇 </b></p><p>　　m=lg（R（t0）/ra）/lgβ </p><p>　　（4）啟動(dòng)電阻的計(jì)算 </p><p>　　I1=（U-w*If*laf）/R（ti）； </p><p>　　I2=（U-w*If*laf）/R（ti-1）； </p><p>　　β=I1/

12、I2=R（t0）/R（t1）=R（t1）/R（t2）=.....=R（tm-1）/R（m）=R（tm-1）/ra； </p><p>　　式中I1，I2分別為切換后電流和切換前的電流 </p><p>　　4.第二種設(shè)計(jì)方案： </p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定最大啟動(dòng)電流I1. </p><p>　　（2）各階段的Ia隨時(shí)間的變化

13、情況是可以解析的，各階段啟動(dòng)電流是隨時(shí)間變化而減小的對(duì)各階段進(jìn)行迭代運(yùn)算，求出t0-t1階段w（t），ia（t）； </p><p>　?。?）切換時(shí)間的計(jì)算 dw/dt=0或者dia/dt=0； </p><p>　　（4）切換電阻的計(jì)算 </p><p>　　將切換時(shí)間代入ia（t）求出i2，應(yīng)切除的電阻值為R（ti-1）-R（ti）=R（ti-1）*（1-I1

14、/I2） </p><p><b>　?。?）檢驗(yàn) </b></p><p>　　若剩余的串入電阻完全切除后，電流值小于或者等于I1，那么該次切除為最后一級(jí)切除，否則繼續(xù)對(duì)2），3），4）迭代運(yùn)算； </p><p>　　5.不同級(jí)數(shù)啟動(dòng)方式仿真比較 </p><p>　　5.1 仿真電路圖及電機(jī)參數(shù)（圖1） </

15、p><p>　　一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓為240v，額定電流為16.2A額定轉(zhuǎn)速為1220rpm； </p><p>　　電樞與勵(lì)磁繞組間的互感系數(shù)為1.8H，電樞電阻為0.6Ω，電樞繞組自感系數(shù)為0.012H勵(lì)磁繞組自感系數(shù)為120H；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=1kg*m^2 </p><p>　　5.2 第一種設(shè)計(jì)方案： </p><p>　　直接選

16、取I1=2.25*In=36A，I2=1.1*In=17.6A， </p><p>　　求出m=3；R1=3.6； R2=1.64； R3=0.74；切除時(shí)間分別為2.8s，4.8s，6.8s， </p><p>　　5.3 第二種設(shè)計(jì)方案： </p><p>　　I1=In=19，計(jì)算出Rm=U/I1=12Ω； </p><p>　　利用上

17、式運(yùn)算迭代求得切除電阻值分別為[5.5，2.4，1.27，0.7，0.45，0.33，0.23，0.17，0.14，0.09] </p><p>　　切除時(shí)間分別為[4.11，8.1，12，15，17，19，20.5，22，23.5，25] </p><p>　　Ia（t）的仿真結(jié)果如圖2： </p><p>　　5.3 仿真結(jié)果分析 </p><

18、;p>　　對(duì)比兩種方法的仿真結(jié)果可知：傳統(tǒng)方法要求切換前的電流近似相等約為1.1Ian，且到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間較短，而第二種的方法的仿真出的切換前電流并不相等而是呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，切換后的電流（除了最后一級(jí)切除）近似相等。在啟動(dòng)過程中第二種方法由于采取了更多級(jí)的啟動(dòng)，最大啟動(dòng)電流明顯降低，這正是更多級(jí)別啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。最后可以得出以下推斷，如果控制系統(tǒng)能夠?qū)Υ腚娮璋凑找欢ǚ绞竭B續(xù)的切除，那么可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電流保持在額定電流很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，

19、所以第二種方法在最大沖擊電流的控制方面具有優(yōu)勢(shì)。 </p><p><b>　　6.結(jié)束語 </b></p><p>　　在分級(jí)啟動(dòng)中，第一種方案當(dāng)啟動(dòng)級(jí)數(shù)較低時(shí)，切換前的電流有可能大于I2所以當(dāng)輕載啟動(dòng)比重載最低啟動(dòng)級(jí)數(shù)要小。由于第一種方案切換電阻時(shí)角加速度不為0，I1和I2相差不大，對(duì)電機(jī)的機(jī)械損傷小，但是對(duì)I1及I2選擇具有局限性。第二種方案對(duì)I1是按照實(shí)際需要

20、選取的更可以無限接近額定值，并且I2選取在Te=TL時(shí)刻，相比于用相同級(jí)別啟動(dòng)的第一種設(shè)計(jì)方案更加充分發(fā)揮了各階段電磁轉(zhuǎn)矩的加速能力。且各階段最大啟動(dòng)電流近似相等，級(jí)數(shù)較多，及時(shí)的對(duì)電阻進(jìn)行了有效切除，能耗降低，在相同切換級(jí)別下的第二種方法雖然增加了啟動(dòng)時(shí)間但是差別不大，符合實(shí)際要求，且新方法最大啟動(dòng)電流發(fā)生在切換前di/dt=0的時(shí)刻，所以第二種方法在設(shè)計(jì)階段對(duì)最大啟動(dòng)電流的計(jì)算更加精確，對(duì)最大啟動(dòng)電流的有更大的選取范圍。 </