直流电动机串电阻分级启动仿真实验

实验五直流电动机的起动仿真实验目的:直流电机直接起动时，起动电流很大，可达到额定电流的10-20倍，由此产生很大的冲击转矩，实际运行时不允许直流电机直接起动。

通过直接起动和串电阻起动比较它们的区别，起动电流和起动转矩的变化。

实验设备及器件：计算机，一台（MATLAB ）。

实验内容：建立仿真模型；通过图形验证。

实验要求：能够正确使用simulink建立仿真模型，并观察分析图形。

1•直流电动机直接起动仿真模型图图中的模块有直流电源（DC Voltage Source ）、理想开关、直流电动机、开关、增益、电阻（RLC bran ch）、示波器（scope）、信号分离模块（DemuX。

仿真模型中通过理想开关模块控制直流电源的接通和断开，使用开关模块控制电机的转矩，使电机在起动过程中的转矩为空载起动，当转速达到设定值后，使电机工作再给定的负载转矩。

直流电机模块参数:直流电源模块参数:定时模块：0s时输出为0, 0.5s时输出为1limaT (mask) Cliitk)tenerat es 良siEnal chan.Ei.nE at speci f 1 ed times.If a si£nal value i z not 雪p腔亡i于i 皀d &t t ime zero^ the outpul: i3 kept at 0 unt i1 the f i rst specifi ed t ransi tion time.-P&rametsisT?me ® ____________________________________________________________________________ |[ 0 0. 5 ]AltDl ftudft:[Eo i JQK Cancel Kelp Apply理想开关：开关模块：—Siffi t ch -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pass tkroiLiEh injhut 1 呱堆n intuit 2 ixfi电!s. the： sei t &d cri terion： othejrwi.D生壬弓tElDUEh 3. The i&rut E赴I T电numbSii■电江to® to hot tom (or 1 &f t to fitRt).The injut 1 pas E_throueh criteria are input 2 greater than or equa 1 E reat ei- tiiazxji or not eqroal 七口t he thre shiiol d. The f i r st and third inpiit piort s are 4+鱼port s A皐巩d the second input port is the conf rol port.Wain I £i 評』电typesCriteria for pas^ine f i rst input; I u2 》=ThrsshDldThreshold:|iooo» EnAble zero erossiiiE. detectionS«mpl & time 〔一1 for inherit«<£)':增益模块ApplyZJ常量模块:电阻设置:仿真时间为5s2.直流电动机电枢串电阻起动仿真与图1仿真模型相比较图中增加了电阻控制模块子模块的建立采用从Simulink中拖入子系统模块(Subsystem)的方法。

F 实验一直流电动机起动实验一、实验目的理解直流电机的工作原理，测试直流电动及直接起动的波形。

说明负载转矩、转速、电流、电磁转矩之间为何具有相应的对应关系。

二、实验的主要内容仿真一台直流并励电动机的起动过程。

电动机参数为: PN =17kW, UN=220V, n0= 3000r/min,电枢回路电阻Ra=0. 0870，电枢电感La =0. 0032H，励磁回路电阻R =181.50,电机转动惯量J=0.76 kg •m2。

三、实验的基本原理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，因电枢绕组导线细、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。

四、实验步骤1)建立并激电动机的仿真模型:直流电动机DCmotor 的电枢和励磁并联后由直流电源DC 供电，用Step 模块给定电动机的负载转矩，在DCmotor 的m 端连接了Demux 模块,将m 端输出的4 个信号分为4 路，以便通过示波器Scope观察，m 端输出的转速单位为rad/s,这里使用了一个放大器(Gain), 将rad/s 转换为习惯的r/min,变换系数为:k=60/2π =9.55。

2)计算电动机参数:励磁电流励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”电枢电阻电枢电感估算R a=0.08703)设置仿真参数:在Simulation 菜单栏下选择Simulation parameters, 设置仿真参数，仿真时间取ls,在0. 5s 时加额定负载,仿真算法取ode45,点击菜单栏中的“➢”按钮启动仿真。

他励直流电动机串电阻启动调速特性仿真分析**⼤学课程设计任务书******* 学年第⼆学期学院：*************专业：⾃动化学⽣姓名：***** 学号：************课程设计题⽬：电机及电⼒拖动综合实验他励直流电动机调速特性仿真分析（串电阻启动）起迄⽇期：9 ⽉23 ⽇～9 ⽉27 ⽇课程设计地点：********指导教师：******下达任务书⽇期: 2013 年9⽉ 23⽇**⼤学课程设计说明书学⽣姓名：*** 学号：************学院：*********************专业：⾃动化题⽬：电机及电⼒拖动综合实验他励直流电动机调速特性仿真分析（串电阻启动）指导教师： *****8201*年11⽉**⽇⼀、设计⽬的通过掌握电机拖动技术的相关知识点，对其中的原理应⽤进⾏分析说明，并⽤MATLAB进⾏特性仿真，并得出仿真结论。

⼆、设计内容要求对所学直流电动机的知识进⾏复习，重点掌握直流电动机的⼈为机械特性。

学习MATLAB语⾔，运⾏M⽂件进⾏仿真。

分别分析并记录直接起动和串电阻起动时的不同参数，分析仿真结果。

三、设计内容⼀、他励直流电动机的⼈为机械特性分析直流电动机的⼈为机械特性主要有改变电枢电压、改变电枢电阻和改变磁通三种情况。

根据已知的直流电动机参数，使⽤matlab编制M⽂件，通过计算可以画出直流电动机的⼈为机械特性曲线。

M⽂件如下。

clear;U_N=220;P_N=22;I_N=115; %电压功率电流n_N=1500;R_a=0.18;R_f=628; %额定转速电枢电阻励磁电阻Ia_N=I_N-U_N/R_f; %额定电枢电流C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N;C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N;Ia=0:Ia_N; %计算n/Te/Ian=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia;Te=C_TPhi_N*Ia;P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f;T2_N=9550*P_N/n_N;figure(1);plot(Te,n,'.-');xlabel('电磁转矩 Te/N.m');ylabel('转速 n/rpm');ylim([0,1800]);figure(2);plot(Te,n,'rs');xlabel('电磁转矩 Te/N.m');ylabel('转速 n/rpm');hold on;R_c=0;for coef=1:-0.25:0.25;U=U_N*coef;n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-');str=strcat('U=',num2str(U),'V');s_y=1650*coef;text(50,s_y,str);endfigure(3);n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs');xlabel('电磁转矩 Te/N.m');ylabel('转速 n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0:0.5:1.9;n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-');str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'\Omega');s_y=400*(4-R_c*1.8);text(120,s_y,str);endylim([0,1700]);figure(4);R_c=0;n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,'rs');xlabel('电磁转矩 Te/N.m');ylabel('转速 n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0;for coef=0.5:0.25:1.3;C_EPhi=C_EPhi_N*coef;C_TPhi=C_TPhi_N*coef;n=U/C_EPhi-(R_a+R_c)/(C_EPhi*C_TPhi)*Te;plot(Te,n,'k-');str=strcat('\phi=',num2str(coef),'*\phi_N');s_y=900*(4-coef*2.2);text(120,s_y,str);endylim([0,3500]);程序运⾏后，分别绘制出了直流电动机的固有机械特性、降低电枢电压的⼈为机械特性、增加电枢电阻的⼈为特性以及改变磁通的⼈为机械特性。

直流电动机串电阻起动的设计与仿真王晓旭【摘要】传统的直流电动机串电阻起动参数设计采用解析法理论计算，公式复杂，步骤繁琐，且计算结果需要进一步通过仿真来验证。

采用Matlab仿真进行电阻起动器的设计，转速、电流动态仿真波形为参数的计算提供了重要的理论依据，设计过程简单省时，精度高，参数调整方便，设计效果同时可通过仿真波形实时显示。

【期刊名称】《邢台学院学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P168-171)【关键词】直流电动机;起动电阻;Matlab;仿真【作者】王晓旭【作者单位】邢台学院物理与电子工程学院，河北邢台 054001【正文语种】中文【中图分类】TP2直流电动机直接起动起动电流一般为额定电流的十倍以上，换向会产生危险的电火花，并且起动转矩过大也会造成电机机械机构及负载的损坏，因此除小功率直流电动机允许直接起动外，大功率直流电动机需采用降低电枢电压或电枢回路串电阻起动。

直流电动机串电阻分级起动，可把起动电流限制在一定范围内，在最大电流的限制下快速且较平滑起动，起动性能与起动级数、各级起动电阻的大小及其投入时间密切相关。

本文首先利用解析法进行直流电动机电阻起动器的设计，然后重点介绍在Matlab/simulink中利用仿真手段进行起动器设计的方法步骤。

一台他励直流电动机，额定电压UN=240V，额定电流IN=16.2A，额定转速nN=1 220r/min，电枢回路电阻Ra=0.6Ω，电枢电感La=0.012H，励磁电阻Rf=240Ω，励磁电感Lf=120H，系统转动惯量J=1Kg m2，负载为额定负载。

1.1 起动级数与各级起动电阻值的确定他励直流电动机分级起动的原理及特性（以二级起动为例），如图1和图2[1]。

起动之初KM1、KM2断开，将起动电阻全部串入电枢回路，待转速上升后，逐步将KM1、KM2闭合，起动电阻RST2、RST1切除，起动过程电流限制在I1、I2之间。

直流电动机串联电阻启动的模型（计算+仿真）电动 参数如下：17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻0.087F R =Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m = 构建电路模型参数设置：1、0.087a R =Ω，0.0032a L H =2、0.087F R =Ω，励磁电感在恒定磁场控制时取0，即0F L H =3、互感af L ：首先电动势常数0.0708.min/N a N e NU R I C V r n -== 600.6762e e K C π== /0.676/1.210.56af e f L K I H ===(220/ 1.21f F I R A ==)4、20.76.J Kg m =采用ode45算法既可以得到仿真曲线从仿真图线上可以看出，直接启动时，启动电路达到2500A，这个值实在是太大了。

为了降低启动电流值，我们采用串联电阻的方式，而且，在这里要求启动过程中，电路要在100-200A之间变化。

1、启动时电路小于200A11 200NaUR R=-=Ω此时，我们在电路中先接入11 200NaUR R=-=Ω，看一下仿真曲线可以看到在3.5s的时候电流降到了100A，这时候转速达到了1500r/min2、这个时候需要降低电阻，降到多少呢，计算如下20.482200N e a U C n R R -=-=Ω。

这时候我们安排110.4820.518R =-=Ω，在0-3.5s 接入电路20.482R =Ω ，在0-10s 接入电路（暂定）可以看出大概在6s 的时候电路又来到了100A,转速2200r/min 计算： 30.32200N e a U C n R R -=-=Ω 这个时候我们安排110.4820.518R =-=Ω在0-3.5s 接入电路20.32R =Ω 在0-6s 接入电路30.4820.320.162R =-=Ω,在0-15s 接入电路大概在8s 的时候电流有到100A,转速2800r/min 这时候可以完全释放电阻了。

5.2 基于MATLAB的电机起动仿真在上节直流电机参数测试的基础上，本节作了基于MATLAB/Simulink的直流电机起动仿真研究[46-47]，得到了电机起动过程中的电动机电流、电动机角速度、电枢电压和电磁转矩波形并分析了其仿真结果，为实物测试提供了简便经济的预测和验证。

5.2.1 电机起动仿真模型的建立自MATLAB从5.3版本中新增进了电力系统工具箱（Power System Blockset）发展至今，MATLAB在电力系统仿真中的应用越来越广泛。

电力系统工具箱是一个基于图形编程的电力系统仿真工具箱。

主要是由加拿大的HydroQuebec和International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，使用者不需要自己编程而只需将仿真的电力系统图搭建在工作窗口中，MATLAB自动将其变化成状态方程描述的系统形式，便可以在SIMULINK下进行仿真研究了。

图5.4 电机起动仿真模型电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources（电源库）、Elements（元件库）、Power Electronics（电力电子元件库）、Machines（电机库）、Connectors （连接器库）、Measurements（测量仪器库）、Extra Library（附加元件库）、Demos （示例库）、Powergui（图形用户界面graphical user interface），在此基于MATLAB 对电机起动进行SIMULINK仿真。

搭建的电机起动仿真模型主要由直流电压源（DC V oltage Source）、理想开关（Ideal Switch）、电机起动器（Motor Starter）、直流电机（DC machine）、串联RLC支路（Series RLC Branch）、电压表（V oltage Measurement）、信号分解模块（Demux）和示波器（Scope）等模块构成。

他励直流电动机电枢串电阻启动过程的仿真分析超过
随着技术的进步，直流电动机的广泛应用，其系统启动过程已经被广泛研究，为了了解其启动特征，开展仿真分析是十分有必要的。

在使用串电阻启动的情况下，直流电动机的启动效果主要受由电动机电阻和启动电阻的大小所决定。

首先，在仿真分析中，我们必须考虑空载启动和负载启动两种情况。

当电动机处于空载时，通常采用串电阻启动，空载电动机电枢初始欧姆单位IM=P/2，启动电阻=Rs/2，最大启动摩擦力有限，直流电动机常用空载启动电阻值为0.18-0.2倍转矩定律电阻。

当直流电动机处在负载时，则应采用串电阻加并联电容的启动方法。

电动机电枢的初始欧姆单位IM=P/2，根据负载条件，应选定不小于负载启动摩擦力2倍的电容启动容量，当直流电动机负载启动时，应该保持启动时间和拖动转子的转速，使电动机达到定功率平衡运行状态。

此外，串电阻启动的电流评价是电动机启动的重要指标，其上限大小与启动电阻选取有关。

一般情况下，允许的启动电流是相对较小的工频电流的1.5～2倍，它依赖于主电源的频率，电动机的参数和负载量的大小。

因此，在直流电动机串电阻启动过程的仿真分析中，需要考虑到空载和负载启动，启动电阻的大小与电流大小，以及主电源频率和电动机参数和负载量的影响，来确定合理的仿真模型，以得到较为准确的，具有指导意义的仿真结果。

实验题目类型：设计型《电机与拖动》实验报告实验题目名称：直流电动机启动、调速控制电路实验室名称：电机及自动控制实验组号：X组指导教师：XXX报告人：XXX 学号: XXXXXXXXX实验地点：XXXX 实验时间：20XX年XX月X日指导教师评阅意见与成绩评定一、实验目的掌握直流电动机电枢电路串电阻起动的方法；掌握直流电动机改变电枢电阻调速的方法;掌握直流电动机的制动方法；二、实验仪器和设备三、实验内容（1）电动机数据和主要实验设备的技术数据四、实验原理直流电动机的起动：包括降低电枢电压起动与增加电枢电阻起动，降低电枢电压起动需要有可调节电压的专用直流电源给电动机的电枢电路供电，优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小,缺点是初期投资较大；增加电枢电阻起动有有级（电机额定功率较小）、无极（电机额定功率较大）之分。

是在起动之前将变阻器调到最大，再接通电源，随着转速的升高逐渐减小电阻到零.直流电动机的调速：改变Ra、Ua和∅中的任意一个使转子转速发生变化。

直流电动机的制动：使直流电动机停止转动.制动方式有能耗制动：制动时电源断开，立即与电阻相连，使电机处于发电状态，将动能转化成电能消耗在电路内。

反接制动：制动时让E与Ua的作用方向一致，共同产生电流使电动机转换的电能与输入电能一起消耗在电路中。

回馈制动：制动时电机的转速大于理想空转，电机处于发电状态,将动能转换成电能回馈给电网。

五、实验内容(一）、实验报告经指导教师审阅批准后方可进入实验室实验（二）、将本次实验所需的仪器设备放置于工作台上并检查其是否正常运行,检验正常后将所需型号和技术数据填入到相应的表内(若是在检验中发现问题要及时调换器件)(三）、按实验前准备的实验步骤实验直流电动机的起动1、取来本次试验所用器件挂置在实验工作台上2、在试验台无电的前提下，按照实验原理图接线3、请老师查看接线，待老师检查所接线路无误、批准后执行以下操作4、用万用表检查线路的通断（三相可调变阻器），检查无误后方可通电5、按动电源总开关，将电源控制屏上的直流电压调制220V左右6、按下“启动”按钮,便接通了直流电源7、搬动励磁、电枢电源按钮，直流电机启动8、逐渐减少R1阻值，电动机达到额定转速（也可通过调节R1来进行调速）9、搬动励磁电源按钮，直流电机能耗制动停车，收线，整理试验台R2 直流电动机的起动、调速、制动原理图直流电动机的起动、调速、制动接线图若在实验中发现问题及时的找出问题的原因，排查问题后方可继续进行试验三相可调变阻器的检查：将其与直流电源接通，串入直流电流表,并入直流电压表。

辽宁工程技术大学《电机与拖动》课程设计设计题目：他励直流电动机转子串电阻启动设计和仿真院（系、部）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：刘春喜学号：指导教师：刘春喜王继强李国华荣德生日期：2012-6-26电气工程系课程设计标准评分模板摘要通过在电枢上串联多级电阻，可以减小他励直流电动机的启动电流和转矩。

分析了他励直流电动机串多级电阻的启动原理，给出了多级启动电阻的计算选择方法。

以一个实际他励电动机为例进行分析，设计了该电动机电枢串五级电阻的启动系统，通过编程画出了该直流电动机串五级电阻启动的机械特性图。

通过Matlab对直流电动机的直接启动和串电阻启动进行了建模和仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词：他励直流电动机电枢串电阻启动机械特性仿真目录1 引言 (1)2 他励电动机转子串电阻启动原理 (1)3 启动电阻的计算选择 (2)4 实例分析 (3)5 仿真验证 (5)5.1 他励直流电动机直接启动仿真 (5)5.2 他励直流电动机串电阻启动仿真 (10)6 结论 (12)参考文献 (12)1 引言他励直流电动机在启动瞬间，转速n =0，电动势E =0，由电枢电流方程式（1）可知，启动电流如式（2）所示。

在额定电压下直接启动时，由于R a 很小，I S 很大，一般可达电枢电流额定值的10~20倍。

这样大的电流是换向所不允许的。

同时由式（3）可知，启动转矩也能达到额定转矩的10~20倍。

虽然启动转矩大可以使电机加速快，但是过大的启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，以致损坏传动机构（如齿轮）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，因电枢绕组导线细、电枢电阻R a 大、转动惯量又比较小，可以直接启动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动的[1]。

a a a U EI R -=(1) aS aU I R =(2)T a T C I Φ=(3)因此，必须将启动电流限制在运行范围之内。

湖北民族学院信息工程学院课程设计报告书题目: 直流电动机启动的设计与仿真课程：电力电子课程设计专业：电气工程及其自动化班级：xxxxxxx学号：xxxxxxxxx学生姓名：xxx指导教师： xxx2015年1月1日信息工程学院课程设计任务书2015年1 月 1日信息工程学院课程设计成绩评定表摘要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。

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，串入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；AbstractDC motor has a wide speed range, steady speed, strong overload as well as starting and braking torque, etc., in the industrial and agricultural production has been widely used. This paper studies the series resistance of the DC motor starting method, the DC motor armature winding in series with a resistor to reduce the starting current and torque. Compared to direct start the motor, resistor in series starting current and starting torque significantly reduced, and the cost has increased much, there is a wide range of applications in the real industrial and agricultural production.Key words: DC motor; direct start; start of series resistance; simulation.目录1任务提出与方案论证 (7)1.1提出任务 (7)1.2方案论证 (7)2 总体设计 (8)2.1 系统原理框图 (8)2.2 直流电动机串电阻启动模型仿真的建立 (8)2.3 直流电动机串电阻启动电阻计算机仿真结果分析 (9)3 总结 (17)参考文献 (18)1 任务提出与方案论证1.1提出任务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。

-- .2）直流电动机直接起动仿真直流电动机直接起动时，起动电流很大，可以达到额定电流的10-20倍，由此产生很大的冲击转矩。

适用Simulink对直流电动机的直接起动过程建立仿真模型，通过仿真获得直流电动机的直接起动电流和电磁转矩的变化过程。

他励直流电动机直接起动仿真模型原理图- - 考试直流电动机模块参数设置图直流电源模块参数设置图定时模块参数设置图开关模块参数设置图他励直流电动机直接起动转速—电流关系仿真结果他励直流电动机直接起动仿真结果3）直流电动机电枢串联电阻启动仿真建立他励直流电动机电枢串联三级电阻起动的仿真模型，仿真分析其串联电阻起动过程，获得起动过程的电枢电流.转速和电磁转矩的变化曲线。

他励直流电动机串起电阻启动仿真模型原理图他励直流电动机串起电阻仿真他励直流电动机串起电阻起动的转速—电流关系仿真结果4）直流电动机能耗制动仿真能耗制动时，电枢通过电阻Rb短接，使用Simulink建立直流电动机的能耗制动仿真模型，仿真分析获得转速。

电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。

他励直流电动机能耗制动仿真模型原理图他励直流电动机能耗制动仿真结果5）直流电动机反接制动仿真直流电动机的反接制动分为电压反向的反接制动和倒拉反接制动。

电压反向反接制动作用用于电动机的快速停机，而倒拉反接制动用于低速下放位能负载。

使用Simulink建立直流电动机的电压反向反接制动的仿真模型，仿真分析获得转速。

电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。

他励直流电动机电压反向反接制动仿真模型原理图他励直流电动机电压反向反接制动仿真结果6）直流电动机改变电枢电压调速仿真使用Simulink建立直流电动机的改变电枢电压的仿真模型，仿真分析获得转速。

电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。

他励直流电动机改变电枢电压调速仿真模型原理图他励直流电动机改变电枢电压调速仿真结果他励直流电动机改变励磁电压仿真模型原理图第三章MALTAB基本操作一、目的：1.掌握MATLAB的基本操作、常用命令。

直流电动机串电阻分级启动仿真实验电路图搭建：如果电动机直接启动的话，设置Step1/ Step2 /Step3的起始值为0，并且step time 设为0，也就是在0时刻开始以后一直都为0值，也就是三个电阻开关保持闭合，使所串电阻短路，仿真得到转速和电枢电流的启动图形：可以发现，启动电流在很短的时间里就冲击到很大的值，我们将电流波形横坐标和纵坐标分别放大看看：从图中可以看到，在时间约为0.08s时刻电流冲击到了大约1840A，这很显然不符合要求，电机一启动就烧，或者启动瞬间熔断丝就烧断。

如果这时候串一个1Ω的电阻，也就是讲三个电阻值都串进电路，设置Step1/ Step2 /Step3的step time 设置为20s，得到以下波形：可以发现启动电流变小了很多，在200A左右，这也就满足启动电流限制的要求了，但是串联的电阻不能一直在电路中，这样会造成能量损耗，因为虽然电阻很小，但是电流很大，电流平方得到损耗电功率就很大了，即使是在额定运行时，额定电流大约在88.8A，而且我们还发现在时间t=10s时刻，电机还没有达到额定运行状态，也就是启动过程太慢，这主要是串了启动电阻的原因。

现在我们采用分级启动，下次电阻降低是在电流约为额定的1.2倍时，这样我们选t=3.5s时，把串的0.518Ω的电阻去掉，使所串电阻为0.482Ω，设置step3的step time 为3.5s，得到如下仿真图：可以发现电流会在3.5s时又有一个冲击电流，大约是210V左右，一般也能满足要求，也就是说，二次所串的电阻0.482欧姆能够满足要求，现在我们试试如果去掉0.838Ω的电阻，只剩一只0.162Ω时仿真的波形：很显然看出，在时间3.5s时刻，冲击电流很大，大约460V(底下的放大波形可以清楚地看出)，这也就不能满足电机的启动电流的要求。

所以我们在去电阻时候要选择大小，不能一次性完全去掉，而是一次一次的分级去掉。

下面就是我们进行的第二次去电阻。

直流电动机起动仿真试验研究不同励磁方式直流电动机的直接起动过程,观察其中转速、电磁扭矩及电枢电流的变化规律。

1.问题分析直接启动是指额定工作电压直接加到电动机电枢绕组两端后电动机的起动方式。

根据电机学的知识可知，这种起动方式起动设备简单，起动转矩大、速度快，但起动电流较大，因此适应于小负债起动。

另外，起动过程属于电机的动态过程之一，相比M文件函数编程，使用Matlab/Simulink进行可视化仿真更具有优势。

在Matlab/Simulink中选择新建仿真文件，从Simulink/PowerSystem 中依次选择直流电源、开关、直流电动机、示波器等模块并按照电路要求进行连接，即可建立仿真模型。

基本模块搭建完毕，同样需要对各模块进行参数设置，重点是其中的直流电机模块。

其中参数主要涉及电枢电阻、电抗、励磁电阻、电抗、电枢与励磁之间的互感、初始转动惯量、摩擦系数、空载阻转矩、初始速度等。

2.他励直流电动机的直接起动模型。

3实践-降压起动、串电阻起动方式下模型建立，起动特性分析。

（提交模型文件、数据分析报告）1.他励直流电机的直接启动模型仿真结果如下图所示电机电压变化图电机电流变化图电机转矩变化图电机转速变化图实验结果分析：直接启动时启动电流将很大，一般情况下能达到其额定电流的10—20倍。

这样大的启动电流会使电动机在换向过程中产生危险的火花，甚至烧坏整流子。

而且过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏。

同时，产生与启动电流成正比例的启动转矩，会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。

因此，对于普通的直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的2倍。

所以除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不容许直接启动的。

解决方案：对于一般的他励直流电动机，为了限制启动电流，可以采用电枢回路串联电阻或降低电枢电压启动的启动方法。

2.他励直流电动机的串电阻启动模型仿真结果如下图所示电机电压变化图电机电流变化图电机转矩变化图电机转速变化图实验结果分析：与直接启动相比，电枢串电阻很好的将启动电流过大和转矩过大的问题都解决了，由于采用串电阻启动，每切除一电阻，就会导致这一时刻的电压会突然升高，导致冲击电流很大，这样对设备是不利的，为避免这种情况，通常采用逐级切除启动电阻的方法来启动。

他励直流电动机串电阻起动1 增加电枢电阻起动在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。

但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。

下面仅以直流他励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。

(1) 启动过程分析如图4(a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U 。

触点KM1、KM2均断开,电枢串入了全部附加电阻RK1+RK2 ,电枢回路总电阻为Ral=ra+RK1 +RK2。

这是启动电流为1I =al R U =21K K a R R r U ++ 与起动电流所对应的起动转矩为T1。

对应于由电阻所确定的人为机械特性如图4(b)中的曲线1所示。

(a) 电路图 (b) 特性图图4 直流他励电动机分二级起动的电路和特性根据电力拖动系统的基本运动方程式 T-TL=J dt d ω式中 T ——电动机的电磁转矩；TL ——由负载作用所产生的阻转矩；J ——电动机的转动惯量；由于起动转矩T1大于负载转矩TL ，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。

在图4(b)上，由a 点沿曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。

上升到b 点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻RK1。

b 点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。

切除1R 后，电枢回路总电阻为Ra2=ra+2R 。

这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性，见图4(b)中曲线2。

在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb ，其反电动势亦不变。

因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。

适当地选择所切除的电阻值1R ，使切除1R 后的电枢电流刚好等于1I ，所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c 点。

直流电机启动原理图
一、直流电动机串电阻启动电路图（继电器-接触器）
电路图（一）
电路图（二）
二、PLC接线图
三、STEP7软件使用步骤
1：在桌面上双击下图所示图标打开：
2：在主菜单file 中选择新建工程项，如图所示：
3：打开主菜单中options 项选择simulate modules,弹出仿真模块：
4：选择主菜单file 中的new 项，弹出下图所示对话框。

在name 中输入文件名称，点击ok 键进入下一步。

5：双击MPI
6
：选择stations 中的SIMA TIAC 项双击打开：
7
输入文件名
8：单击SIMA TIC 300前的加号：
9：再探出菜单中单击RACK-30前的加号：
10：将rail 拖入左侧的空白中加入表格：
11：单击cpu300前的加号打开，选择6ES7 313-6BE01-0A0B 拖入已建立的表格中：
12：双击表格中DI16/IO16项：
13：在弹出的对话框中选择addresses 项:
14：将图中对勾点掉，将124全部改为0，点击ok 键：
15:在DI16/IO16一栏单击右键，在弹出对话框中选择Edit symbols 项，并单击ok 键：
改为0
改为
16：在弹出的对话框中单击add to symbols 并点击ok 键：
17：点击SIMA TIC MANAGER 打开：
选择此项
18：双击SIMA TIC 300(1)打开：
19：双击cpu 313c-2ptp打开：
20：双击s7 program打开：
21：双击blocks:
22:双击ob1进入编程模块。

一、直流电动机的工作原理、结构、基本电磁关系图1表示一台最简单的两极直流电动机模型，它的固定部分（定子）上，装有一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢。

定子与转子之间有一气隙。

电枢铁心上装有由A和X根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2铜片称为换向片，换向片之间互相绝缘。

换向片构成的整体称为换向器，换向器固定在转轴上。

换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

如果将直流电压直接加到线圈AX上，导体中就有直流电流通过。

设导体中的电流为i，载流导体在磁场中将受到电磁力f，f=bil，作用在线圈上的电磁转矩Txa则等于2倍的电磁力乘上力臂，即Txa=2fD/2=bilda。

式中，Da为电枢外径。

若电流i为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b的方向为一正一负，因此电磁转矩Txa将是交变的，一个周期内的平均值为0，无法使电枢持续旋转。

然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过电刷B1、B2和换向器再接入线圈，这样情况就不同了。

因为电刷B1和B2静止不动，电流i总是从正极性电刷B1流入，经过旋转的换向片流入位于N极下的导体，再经位于S极下的导体，由负极性电刷B2流出；故当导体旋转而交替地处于N极和S级下的导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转!此时电刷和换向器起到把外部电源通入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。

这就是直流电动机的工作原理。

直流电机主要分为定子和转子两大部分。

定转子之间存在的间隙称为气隙。

1.定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。

它主要包括：(1)主磁极主磁极包括铁心和励磁绕组两部分。

当励磁绕组中通人直流电流后，铁心中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场。

励磁绕组通常用圆形或矩形的绝缘导线制成一个集中的线圈，套在磁极铁心外面。

实验二直流电动机的串电阻降压启动及调速控制一、实验目的1、掌握电动机串电阻降压启动及调速接线方法。

2、掌握直流电动机的启动及调速方法。

3、通过对直流电动机的串电阻启动控制线路的接线，掌握电气原理图变换成安装接线图的知识。

二、预习作业1、直流电动机的启动方法有哪些？为什么要采用降压启动？2、直流电动机常见的调速方法有哪些？3、简述直流电动机启动、调速控制工作原理。

三、实验设备序号型号名称数量1 DJ15或DJ25 直流电动机1件2 D31 直流电压、毫安、安培表1件3 D44 可调电阻器1件4 D60 直流电气控制1件5 D61 继电接触控制（一）1件屏上挂件排列顺序D31、DJ15或DJ25、D60、D61、D44四、实验方法1、接线原理图如图2—1所示：注：依照图2—1图片上的原理图，学生自己设计出清晰的接线原理图。

图2-1他励直流电动机机械特性测定实验接线图2、实验步骤：（1）按下控制屏上的“启动”按钮，调节控制屏左侧调压器旋钮调节三相调压输出使三相整流输出直流电压为220V，按下“停止”按钮。

（2）按图2—1接线，交流220接至控制屏的固定输出端U1和N1。

图中SB1、SB2、KM1、KM2、KT用D61挂件，KI1、KI2用D60挂件，R用D44上的两只90Ω串联共180Ω阻值，测量仪表选用D31挂件上对应的仪表，电机选用DJ15或DJ25（如选用DJ25，请注意修改图2—1的主电路接线）。

（3）按照图2—1进行检查接线，经检查无误后按一下步骤操作：①将R2调至最小，按下控制屏上的“启动”按钮，欠电流继电器KI2常开触头闭合，按下启动按钮SB2,KM1通电并自锁，主触点闭合，接通电动机电枢电源，直流电动机串电阻启动。

②经过一段延时后，KT的延时闭合触点闭合，KM2线圈通电，常开触头闭合，短接电阻R使电动机全压运行，启动过程结束。

③调节R2使其值增大，观察转速变化情况。

④按下停止按钮SB1，电动机停止运转。

实验三十六并励直流电动机电枢回路串电阻起动与调速1．实验组件代号名称型号规格数量备注QS1 低压断路器DZ47 5A/3P 1QS2 低压断路器DZ47 3A/2P 1FU1 螺旋式熔断器RL1-15 配熔体3A 2FU2 瓷插式熔断器RC1-5A 2A 2KM1，KM2KM3，KA交流接触器CJX2-9/380 AC380V 4KT1，KT2 断电延时时间继电器JS7-3A AC380V 2R1，R2 电阻90Ω1.3A 2SA 万转开关LW5－16/H1196 1KI1 过电流继电器JL14-11Z 2．5A 1KI2 欠电流继电器DL-13 0．08-0．16A 1M 并励直流电动机220V1.1A185W1600r/min1V 二极管2CZ 1000V5A 1 R3 电阻BX7D-1/6 1800Ω 1 2．实验电路图3．实验过程电枢回路串电阻器的起动与调速控制电路工作过程如下：1）起动前的准备工作状态将主令开关SA手柄放在零位，电枢电源的开关合上，接通直流电压220V，再合上控制电路的开关，因为直流电动机并励直流绕组中流过额定电流，欠电流继电器KI2线圈通电吸合，零位继电器KA 回路中KI2的常开触头闭合，主回路过电流继电器KI1不动作，通过SA①②使KA线圈通电，并触头自锁。

与此同时，时间继电器KT1、KT2的线圈也通电，其延时闭合动断触头立即分开，以保证起动电阻R1与R2都串入。

2）起动。

起动时可将SA手柄由零位直接板到3位，这时KM1通电，主触头闭合，接通电动机电枢电路，电动机在电枢串有两段起动电阻R1与R2的情况下开始起动。

在电动机开始起动的同时，KM1的常闭触头使KT1，KT2同时断电。

KT2经过一段延时后，其延时闭合的动断触头闭合，切除起动电阻R1，电动机进一步加速。

另外KT1，经过一定延时，其延时闭合的动断点闭合，接通加速接触器KM3的线圈回路，KM3的常开主触头闭合，切除最后一段电阻R2，电动机进入全电压进行，起动过程结束。