基于MATLAB的直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)仿真

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院 喬琳君 曹海紅 黨智乾

電機(jī)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，而仿真是研究電機(jī)的重要手段。MATLAB是一個(gè)高級的數(shù)學(xué)分析和運(yùn)算軟件，也可以進(jìn)行系統(tǒng)的建模和仿真。建?？梢猿嚼硐氲娜ツM復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)；而仿真則可以對照比較各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定系統(tǒng)參數(shù)。本文結(jié)合MATLAB的特點(diǎn)，對他勵(lì)式直流電機(jī)進(jìn)行建模、仿真[1][2]和分析。

1 MATLAB簡介

MATLAB軟件是美國MathWorks公司于20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算機(jī)軟件。經(jīng)過三十幾年的不斷完善與更新?lián)Q代，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成適合多學(xué)科、功能強(qiáng)大、特全的大型軟件，目前已推出MATLAB9.1 R2016b版。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境。提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。

2 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)簡介

直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)Ist=（10～20）IN，過大的啟動(dòng)電流對于電動(dòng)機(jī)本身有一定的危害，也會(huì)影響同一電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常工作，這些問題在大功率電動(dòng)機(jī)上尤為明顯。因此，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用降壓啟動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)方法有：電樞繞組串多級電阻啟動(dòng)、降低電源電壓等。

直流電動(dòng)機(jī)自由停車時(shí)在轉(zhuǎn)子的慣性與摩擦以及各種阻轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速下降慢，停車耗時(shí)長。為提高工作效率，往往要求電機(jī)迅速停車，即對電動(dòng)機(jī)采取制動(dòng)控制。常用的電氣制動(dòng)方法有反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。

本文采用MATLAB/Simulink[3]對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行串三級電阻降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)控制仿真分析。

3 直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)仿真

創(chuàng)建直流電動(dòng)機(jī)帶T=30N·m的恒定負(fù)載時(shí)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)的仿真模型。選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項(xiàng)，SIMULINK會(huì)新建一個(gè)新模塊編輯窗口，只要從各模塊庫中調(diào)取模塊、定義模塊參數(shù)、連接模塊、設(shè)置仿真參數(shù)、運(yùn)行仿真、點(diǎn)擊示波器就可以觀察分析仿真結(jié)果。

3.1 提取模塊

模塊的提取可以采用在模塊庫中選中模塊后拖動(dòng)到編輯窗口的復(fù)制方法，仿真模型中應(yīng)用的主要模塊及其提取的路徑：

直流流電源：SimulinkSimPowerSystemElectrical SourcerDC V oltage Source

直流電機(jī)：SimulinkSimPowerSystemMachinesDC Machine

RLC 串聯(lián)支路：simpowersystems－elements－series RLC branch

定時(shí)器：simpowersystems－control blocks－timers

斷路器：simulink－commonly used blocks－breaker

理想開關(guān)：simpowersystems－power electronics－ideal switch

電機(jī)測試信號(hào)分配器：SimulinkSimPowerSystemMachinesMachine Measurement

增益模塊： SimulinkCommonly Used BlocksGain

示波器：simulink－commonly used blocks－scope

3.2 模塊參數(shù)設(shè)置

定義模塊參數(shù)采取用鼠標(biāo)左鍵雙擊模塊圖標(biāo)的辦法，即可得到模塊參數(shù)設(shè)置對話框。依次對各模塊根據(jù)要求設(shè)置參數(shù)。

3.3 連接線路圖

圖1 直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)仿真模型

圖2 三級電阻啟動(dòng)器

用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊起點(diǎn)模塊的輸出端（三角符號(hào)），拖動(dòng)鼠標(biāo)器，出現(xiàn)一條帶箭頭的直線時(shí)，將其箭頭拖至終點(diǎn)模塊的輸入端再釋放鼠標(biāo)左鍵，自動(dòng)生成一條帶箭頭的連線，將兩個(gè)模塊連接起來。連接好的電路圖如圖1所示。

如圖1虛線框所示，該模型3個(gè)主要單元功能如下：

單元1：電機(jī)串三級電阻啟動(dòng)電路。其中，240V直流電壓給電機(jī)電樞繞組供電，240V正極接至電機(jī)電樞繞組的A+端，ideal switch用于控制電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行。Motor Starter為電動(dòng)機(jī)串三級電阻啟動(dòng)控制器[4]，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2。

單元2：電機(jī)反接制動(dòng)電路。ideal switch2用于控制電機(jī)反接制動(dòng)電源。240V直流電源負(fù)極接至電機(jī)電樞繞組的A+端。

單元3：他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，電樞電壓和勵(lì)磁電壓都為240V，電樞電流16.2A，轉(zhuǎn)速1220r/m。

3.4 仿真及分析

選擇Start命令可以啟動(dòng)仿真程序，通過虛擬示波器Scope觀察系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出。仿真波形如圖3所示。波形曲線自上而下依次為電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流i、電磁轉(zhuǎn)矩T。

圖3 直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)仿真波形

如圖3所示，仿真時(shí)間設(shè)置為30S。在0.5s時(shí)刻，接通電樞電壓，三級啟動(dòng)電阻全部串接于電樞電阻中，隨時(shí)間進(jìn)行電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速從零逐漸上升；為減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，在3s時(shí)，切除一級電阻，可以看到此時(shí)電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩瞬間突變增大，之后逐漸減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速從零持續(xù)上升；在5s時(shí)切除二級電阻，在7s時(shí)切除三級電阻，此時(shí)三級電阻全部切除，可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1220r/p，電樞電流穩(wěn)定在16.2A，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在35N·m，整個(gè)啟動(dòng)過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)以240V全壓運(yùn)行。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至15s時(shí)，切斷正向電樞電壓，接通反向電樞電壓。此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速從1220r/p開始下降，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩由正值突變?yōu)樨?fù)值，即電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩由正值反向，而此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速依然為正向，故電流和轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)電流和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)過程。在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩反向減小。在20s處，可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)速降為0，電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩也反向降為0，整個(gè)制動(dòng)過程結(jié)束，制動(dòng)時(shí)間5s。該模型基本可以反映直流電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)時(shí)的各參數(shù)和性能變化。

本文在MATLAB/Simulink的環(huán)境下,對他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了降壓啟動(dòng)及反接制動(dòng)建模仿真，分析結(jié)果表明應(yīng)用Simulink進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)仿真方便直觀,仿真結(jié)果與實(shí)際接近[5]。

[1]雷小雙,劉浩,張慧杰.基于MATLAB的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(16)：78-79.

[2]汪明先,榮軍,吳祥營,陳敏,劉凌.基于MATLAB的直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的仿真研究[J].電子技術(shù),2013,42(07)：7-9.

[3]胡林林,付龍.Matlab仿真軟件在電機(jī)與拖動(dòng)中的應(yīng)用[J].電子世界,2017(11)：120+122.

[4]王曉旭.直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,30(04)：168-171.

[5]廖育梅.直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速的simulink仿真[J].中外企業(yè)家,2014(35)：148.