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基于MATLAB的他励直流电动机起动仿真分析
作者：雷小双 刘浩 张慧杰
来源：《电子技术与软件工程》2016年第16期
摘 要
直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置，因其优良的起动、调速和制动性能，在某些工业领域占有举足轻重的地位。本文介绍了利用MATLAB软件中的Simulink组件对他励直流电动机起动过程进行仿真，并对仿真结果进行了比较分析。结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。 【关键词】他励直流电动机 仿真分析 起动特性
电动机是工业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一，不难列出许多电动机的应用例子：洗衣机、录像机、计算机硬件中的软驱、散热风扇、各种金属加工机床的拖动等等。电动机根据它使用的电源可分为交流和直流两大类。其中直流电动机由于其在控制性能方面的优势，在20世纪70年代以前一直在控制要求较高的电力拖动领域占踞主导地位，近年来虽然这种情况因交流电动机控制技术的巨大进步已有很大改变，但是由于直流电动机具有起动转矩大，调速范围宽等优势，其在现代工业中的地位仍然十分重要。因此，学习直流电动机的工作原理，了解其起动特性，仍然是十分必要的。 1 他励直流电动机起动的运行特性
电动机的起动是指电动机接通电源后，转子由初始静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在起动过程中，电枢电流Ia、电磁转矩Tem、转速n都将随着时间变化，这是一个过渡过程。本文介绍他励直流电动机的三种起动方法：直接起动、串电阻起动、软起动。 1.1 他励直流电动机直接起动
将电动机的电枢绕组直接接入额定电压的电源上称为直接起动。起动开始瞬间，起动电流和起动转矩分别为： （1） （2）
起动时由于机械惯性使得转速n=0，电枢电动势Ea=0，而电枢电阻Ra很小，所以起动电流将很大，可达额定电流的近十倍，从而会造成换向困难，出现强烈火花，很大的冲击电流也
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会使电源电压发生瞬时跌落，以致影响其它电力设备正常运行。同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构，一般直流电动机不允许直接起动。直接起动的优点是操作简单，无需其它起动设备，起动转矩大，速度快。小型电机通常电压低，电阻大，故此法只适用于小型电动机或小负荷起动。
1.2 他励直流电动机串电阻起动
对于一般的他励直流电动机，为了限制起动电流，可以采用电枢回路串入变阻器分级起动，起动开始时断路器均断开，此时电枢回路中串入的电阻值最大，由于变阻器分压，故起动初期加到电枢绕组上的电压较低，之后随着转速的上升，断路器逐级闭合来切除电阻，将电阻从电枢回路中切除，电枢电压逐级升高，最终将全压加到电枢绕组上。 1.3 他励直流电动机软起动
为了解决起动瞬间电机电枢电压突变的问题，可以考虑利用一些元器件或装置的特性，例如在电源后边并接一个电容器，利用电容电压不能突变，能够逐渐将电源电压加至电机电枢上。这样，在起动开始时，加于电动机电枢的端电压很低，随着转速的升高，逐渐增加电枢电压，就会使得起动电流限制在一定范围以内，并且启动过程平滑连续。它突出的优点体现在能够连续无级的调节电机起动，冲击转矩和冲击电流小。 2 仿真模型的建立
2.1 他励直流电动机直接起动仿真
搭建他励直流电动机直接起动仿真模型，如图1所示。仿真模型中，各个模块均取自于Simulink动态仿真模块库，理想开关的状态决定是否给电机供电，而理想开关状态的切换又由计时器控制。m是电机的信号输出端，通过一个分解模块选择观察其角速度ω、电流Ia和电磁转矩Te信号，与电枢电压信号一起显示在示波器上。再通过设置合理的仿真参数以及仿真算法，运行即可得到正确的仿真结果。结果如图2。 2.2 他励直流电动机串电阻起动仿真
搭建串电阻起动仿真模型，如图3。串变阻器分级启动仿真模型是在直接起动仿真模型的电枢端子前串接一个起动变阻器模块。其中，该模块是由阶跃模块控制三个断路器不同时闭合来逐级将电阻从电枢回路中切除，最终全部加到电枢绕组上。运行仿真即可得到串电阻三级起动的仿真结果。结果如图4。 2.3 他励直流电动机软起动仿真
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本文介绍的软起动设计思路为在直流电压源后边并接一个电容器，利用电容电压不能突变，逐渐将电源电压加至电机电枢上，从而电枢电流、转矩、和电机转速就是连续变化的。建立仿真模型，如图5。运行仿真模型即可得到软起动的仿真结果。如图6所示。 3 仿真结果的分析
图2给出了直流电动机在起动过程中的电枢电压、角速度、电流、电磁转矩的变化。从仿真波形中可以看出直接起动起动转矩大、速度快，但起动时冲击电流很大，转速能够在较短时间内达到稳定状态。图4给出了他励直流电动机串电阻起动仿真波形，可以看出通过设计合理的各级起动电阻阻值以及切除电阻时间能够使起动冲击电流较小，不至于产生冲击。但起动速度较慢，各项指标变化不连续。图6给出了软起动的仿真波形，可以看出，通过并联电容器的方法，只要参数设置合适，就能达到起动电流小，速度快，起动过程平滑连续的目的。 4 结束语
本文运用Matlab工具中的Simulink组件对他励直流电动机的三种起动方式分别进行了建模和仿真，并将三种模型得到的仿真结果进行分析比较，在实际应用中具有十分重要的作用。同时表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。 参考文献
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西安科技大学 陕西省西安市 710600
基于MATLAB的他励直流电动机起动仿真分析
