他勵直流電動機制動課程設(shè)計概要

1、指導(dǎo)教師評定成績： 審定成績： 重 慶 郵 電 大 學(xué) 移 通 學(xué) 院課程設(shè)計報告 設(shè)計題目： 他勵直流電動機制動課程設(shè)計 學(xué) 校： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 學(xué) 生 姓 名： 許小玲 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 5班 學(xué) 號： 0511110509 指 導(dǎo) 教 師： 陳 龍 燦 摘要 本設(shè)計先介紹了他勵直流電動機的工作方式，是為后面電動機制動作鋪墊。對于制動，直流電機制動有很多種方式,一般有大致可分為三類，能耗制動，反接制動，回饋制動。他勵直流電機能耗制動在工程上得到了廣泛的使用，因為這種制動方式，簡單可靠，安全經(jīng)濟。能耗制動原理其實就是將電流方向反向，產(chǎn)生相反的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生一

2、個與轉(zhuǎn)速方向相反的力矩，達到減速制動的目的。在這次的設(shè)計中，我們著重討論的是他勵直流電機能耗制動。主要討論關(guān)于能耗制動一些技術(shù)方面問題的分析與設(shè)計。 以兩種方式講解：圖示法和公式法。在圖示上直觀的解釋了他勵直流電動機的停機過程，講解了在不同的階段，電動機的工作特性曲線的變動，在關(guān)鍵點的(電動機的瞬時態(tài))講解。在公式法中，我們將嚴格依據(jù)電動的工作特性曲線來討論不同時態(tài)的變動，并且最重要的是在公式法中我們討論了Rb的電阻要求并講解了為什么必須要串入電阻Rb。在下放重物的過程中方式同迅速停機一致重點放在反向啟動后，電動機的運行情況。并且運用之前所介紹的基礎(chǔ)知識來解T，TL，To之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞制動

3、 能耗制動 反接制動 回饋制動 迅速停機 放下重物目錄前言 3第1章 直流電動機的工作原理4第2章 他勵直流電動機的電路模型5第3章 他勵直流電動機的機械特性5 3.1 機械特性表達式 5 3.2 固有機械特性 6 3.3 人為機械特性 7第4章 他勵直流電動機的制動9 4.1 能耗制動 9 4.2 反接制動 13 4.3 回饋制動 17第5章 他勵直流電動機制動設(shè)計21第6章 總結(jié)22致謝 23前言電機與拖動是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。它主要是研究電機與電力拖動的基本原理，以及它與科學(xué)實驗、生產(chǎn)實際之間的聯(lián)系。通過學(xué)習使學(xué)生掌握常用交、直流電機、變壓器及控制電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌

4、握電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，電動機選擇及實驗方法等。電機與拖動課程設(shè)計是理論教學(xué)之后的一個實踐環(huán)節(jié)，通過完成一定的工程設(shè)計任務(wù)，學(xué)會運用本課程所學(xué)的基本理論解決工程技術(shù)問題，為學(xué)習后續(xù)有關(guān)課程打好必要的基礎(chǔ)。 電動機所驅(qū)動的負載，有時候要求從高轉(zhuǎn)速迅速降為低轉(zhuǎn)速，甚至停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，就需要對電動機采取措施以保證負載的要求，這種措施稱為電動機的制動。制動的基本原理是使電動機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個反力矩，具體有三種方法，即能耗制動、 反接制動、回饋制動 。第1章1.1直流電動機的工作原理 直流的電動機是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的電氣設(shè)備，即有直流電能機械能。在直流電動機中，為了產(chǎn)生不變的電磁轉(zhuǎn)矩，

5、盡量減小氣隙，以達到最強的磁場與最高的效率，就要利用磁場的作用，由通電導(dǎo)體形成繞組，由轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極形成磁場，通過換向器使轉(zhuǎn)子的磁極的極性始終保持和定子的極性相反，形成旋轉(zhuǎn)的力矩，從而外部電路中的直流電流通過換向轉(zhuǎn)變成電機內(nèi)部的交流電流，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。 a） b) 圖1-1 直流電動機原理圖 如圖1-1所示電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機械負載相連，這時便有電流從電源的正極流出，經(jīng)電刷A流入電刷繞組，然后經(jīng)電刷B流回電源的負極。在圖（a）所示位置，在N極下面導(dǎo)線電流是由a到b，根據(jù)左手定理可知導(dǎo)線ab受力方向向左，而導(dǎo)線cd受力方向向右。當兩個電磁力對轉(zhuǎn)軸所形成的電磁轉(zhuǎn)

6、矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電動機逆時針旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)過180度時，這是電流方向已改變?yōu)橛衐到c和b到a，因此電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然是逆時針的，這樣使得電機一直旋轉(zhuǎn)下去。第2章2.1 他勵直流電動機的電路模型他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，如圖2-1所示，他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機調(diào)速范圍很寬，多用于主機拖動中。勵磁電流： 電樞電流： 電動機的轉(zhuǎn)速：第3章 他勵直流電動機的機械特性3.1機械特性表達式在他勵電動機中，、保持不變時，電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系稱為他勵電動機的機械特性。根據(jù)公式 可得，他勵電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系 其中稱為理想空載

7、轉(zhuǎn)速 機械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性，其值為： 是轉(zhuǎn)速差，其值為： 機械特性的硬度為：斜率越小，硬度越大，機械特性越強。當和保持為額定值，而且電樞電路中無外接電阻時的機械特性稱為固有特性，否則稱為人為特性。3.2 固有機械特性由方程式得到他勵電動機的固有特性，如圖3-1所示，由于電樞電阻很小，所以機械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性為硬特性。固有特性上的N點對應(yīng)于電動機的額定狀態(tài)。這是電動機的電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動機的長期運行能力。 圖3-1 他勵電動機的固有特性固有特性上的M點對應(yīng)于電動機的臨界狀態(tài)。這時的電樞電流等于換向所允許的最大電樞電流。對應(yīng)

8、轉(zhuǎn)矩是電動機所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動機的短時過載能力。3.3 人為機械特性1、增加電樞串接電阻的人為機械特性在他勵直流電動機的電樞電路中串入外接電阻，根據(jù)公式這時相當于電路電樞電阻增加，理想空載轉(zhuǎn)速不變，增加，機械特性硬度減小，機械特性如圖3-2所示，串入電阻越大，人為特性斜率越大，硬度越小。 圖3-2 增加電樞電路電阻時的人為特性2、 降低電樞電壓時的人為機械特性 當降低電樞電壓時，降低時，減小，不變，不變，人為特性如圖3-3所示，機械特性平行下移。 圖3-3 降低電樞電壓時的機械特性3、減弱勵磁電流時的人為機械特性減小勵磁電流，則磁通減小，增加，增加，減小，人為特性如圖3-4所

9、示。 圖3-4 減弱勵磁電流時的機械特性第4章 他勵直流電動機的制動 他勵直流電動機的制動方法有：能耗制動，反接制動，回饋制動4.1 能耗制動直流電動機的制動方式有多種：能耗制動、反接制動和回饋制動。在此我們選擇的研究方向是能耗制動。直流電動機開始制動后，電動機的轉(zhuǎn)速從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零或反向一個轉(zhuǎn)速值（下放重物的情況）的過程稱為制動過程。對于電動機來講，我們有時候希望它能迅速制動，停止下來，如在精密儀器的制動過程中，液晶顯示屏幕的切割等等，但有的時候我們卻希望電機能夠慢慢地停下來，利用慣性來工作。于是，直流電動機能耗制動又分為迅速停機和下放重物兩種方式。他勵直流電動機能耗制動的特點是：將電樞與電源

10、斷開，串聯(lián)一個制動電阻，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電樞回路的電阻上。能耗制動分為兩種，分別用于不同場合。4.1.1 能耗制動過程迅速停機 制動前后如圖4-1所示，與電動狀態(tài)相比，制動時，系統(tǒng)因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，n方向不變，由于磁場方向不變，故E方向也不變。由于電源被切除，電樞通過制動電阻短接，電動勢將產(chǎn)生與電動狀態(tài)時方向相反的電樞電流，反向，使得T反向而成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機的旋轉(zhuǎn)速度下降至零。當n=0時，E=0，=0，制動轉(zhuǎn)矩T自動消失。a）電動狀態(tài)b）制動狀態(tài) 圖4-1 能耗制動迅速停機的電路圖 上述制動過程也可以通過機械特性來說明，電動狀態(tài)是的機械特性如圖4-2中的特性1

11、，n與T的關(guān)系為能耗制動時，=0，電樞回路中又增加制動電阻，故機械特性如圖4-2中的特性2，它是一條通過原點、位于2、4象限的直線。 圖4-2 能耗制動迅速停機過程設(shè)電動機拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。制動前，系統(tǒng)工作在機械特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，因機械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，工作點由a點平移到能耗制動特性2上的b點。這是T反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在T和的共同作用下，轉(zhuǎn)速n迅速下降，工作點沿特性2由b點移至0點。這時，n=0，T也自動變?yōu)榱悖苿舆^程結(jié)束。能耗制動過程的效果與制動電阻的大小有關(guān)。小，則大，T大，制動過程短，停機快。但制動過程中的最大電樞電流，即工作于b點時的

12、電樞電流不得超過。由圖3-1（b）可知式中，是工作于b點和a點時的電動勢。由此可得4.1.2 能耗制動運行下放重物若電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，如圖4-3所示。制動前，系統(tǒng)工作在機械特性1與負載特性3的交點a上，電動機以一定的速度提升重物。在需要穩(wěn)定下放重物時，讓電動機處于能耗制動狀態(tài)。工作點由機械特性1上的a點平移到特性2上的b點，并迅速移動到0點，這一階段，電動機處于能耗制動過程中。當工作點達到0點時，T=0，但0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向啟動，工作點將由0點下移到c點，T=，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行，這時n反向，電動機穩(wěn)定下放重物。由于下放重物時，電動機是穩(wěn)定運行在能耗制動狀態(tài)。圖4-3 能

13、耗制動下放重物過程能耗制動運行與能耗制動過程相比，由于n反向，引起E反向，使得和T也隨之反向，兩者的不同如圖4-4所示，在能耗制動過程中，n0，T0；然而在能耗制動運行時，n0，T0。能耗制動運行的效果與制動電阻的大小有關(guān)。小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物慢。由圖4-4（b）可知，工作在c點時，只取各量的絕對值，而不考慮正、負，則 下放重物時，與方向相反，與T方向相同，故T=-?？梢?，若要以轉(zhuǎn)速n下放負載轉(zhuǎn)矩為的重物時，制動電阻應(yīng)為忽略，則 的結(jié)果應(yīng)與式校驗是否合適。 a）能耗制動過程 （b）能耗制動運行圖4-4 能耗制動過程與能耗制動運行得比較4.2 反接制動4.2.1 電壓反向反接制動

14、迅速停機當電動機在電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)下以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速n運行時候，如圖4-5所示，為了使工作機構(gòu)迅速停車，可在維持勵磁電流不變的情況下，突然改變電樞兩端外施電壓的極性，并同時串入電阻，如圖4-6所示。由于電樞反接這樣操作，制動作用會更加強烈，制動更快。電機反接制動時候，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機械的動能都消耗在電阻Ra+Rb上面。 圖4-5 制動前的電路圖 圖4-6 制動后的電路圖 同時也可以用機械特性來說明制動過程。電動狀態(tài)的機械特性如下圖三的特性1，n與T的關(guān)系為電壓反向反接制動時，n與T的關(guān)系為 其機械特性如圖4-7中的特性2。設(shè)電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載，負載特性如圖4-7中的特性3。圖4-7 反接

15、制動迅速停機過程制動前，系統(tǒng)工作在機械特性1與負載特性3的交點a上，制動瞬間，工作點平移到特性2上的b點，T反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在T和的共同作用下，轉(zhuǎn)速n迅速下降，工作點沿特性2由b移至c點，這是，應(yīng)立即斷開電源，使制動過程結(jié)束。否則電動機將反向起動，到d點去反向穩(wěn)定運行。電壓反向反接制動的效果與制動電阻的大小有關(guān)，小，制動過程短，停機快，但制動過程中的但制動過程中的最大電樞電流，即工作于b點時的電樞電流不得超過。由圖4-7可知，只考慮絕對值時式中，Eb=Ea。由此求得電壓反接制動的制動電阻為4.2.2 電動勢反向反接制動下方重物制動前的電路如圖4-8所示，制動后的電路如圖4-9

16、所示。制動時，電樞電壓不反向，只在電樞電路中串聯(lián)一個適當?shù)闹苿与娮琛C械特性方程邊變?yōu)閳D4-8制動前的電路圖 圖4-9 制動后的電路圖若電動機拖動若電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，則如圖4-10所示。制動前，系統(tǒng)工作在固有特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，工作點由a平移到人為特性上的b點。由于，n下降，工作點沿特性2由b點向c點移動。當工作點到達c點時，但，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動，工作點由c點下移到d點，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行。這是n反向，電動機處在制動運行狀態(tài)穩(wěn)定下放重物。在這種情況下制動運行時，由于n反向，E也隨之反向，由圖可以看出，這時E與Ua的作用方向也變?yōu)橐恢?，但和T的方向不變

17、，T與n方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，與負載轉(zhuǎn)矩保持平衡，穩(wěn)定下放重物。所以這種反接制動稱為電動勢反向的反接制動運行。電動勢反接制動的效果與制動電阻的大小有關(guān)。小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物滿。由圖五知，在d點運行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則可見，若要以轉(zhuǎn)速n下放負載轉(zhuǎn)矩為的重物，制動電阻應(yīng)為忽略，則 圖4-10反接制動下放重物過程4.3 回饋制動4.3.1 正向回饋制動電車下坡電車在平地行駛或上坡時，負載轉(zhuǎn)矩阻礙電車前往行駛。如圖4-11所示：圖4-11 回饋制動電車下坡過程系統(tǒng)工作在機械特性與負載特性2的交點a上。電車下坡時，反向變成幫助電車往下行駛，負載特性變?yōu)樘?/p>

18、性3。在和的共同作用下，n加速，工作點由a點沿特性1向上移動。到達時，但，即-與n方向相同，在作用下，電機繼續(xù)加速，工作點越過繼續(xù)向上移動。這時反向，成為阻止電車下坡的制動轉(zhuǎn)矩。但，工作點繼續(xù)上移，直至機械特性1與負載特性3的交點b為止，電車恒速往下行駛。自從工作點越過后，使得，電動機就進入了回饋制動過程，到達b點后，電機便處于回饋制動運行。由于這種回饋制動，電樞電壓方向沒有改變，故稱正向回饋制動。正向回饋制動與電機狀態(tài)相比，雖然、的方向都未改變，但因，使得以及反向，兩者的區(qū)別如圖4-12所示： （a）電動狀態(tài) （b）制動狀態(tài) 圖4-12 正向回饋制動時的電路圖 正向回饋制動在調(diào)速過程中也時常

19、出現(xiàn)，當電動機減速時，若減速后的理想空載轉(zhuǎn)速低于減速前的轉(zhuǎn)速，電機便會在調(diào)速過程的某一階段處于正向回饋制動過程。如圖4-13所示： （a）改變電樞電壓調(diào)速 （ b）改變勵磁電流調(diào)速圖4-13 調(diào)速是出現(xiàn)的正向回饋制動在改變電樞電壓調(diào)速和改變勵磁電流調(diào)速時，工作點都要從a點平移到b點，然后經(jīng)c點到達d點穩(wěn)定運行。在階段，電機處于正向回饋制動過程中。它的存在，有利于縮短短的時間，加快調(diào)速過程。4.2.2 反向回饋制動下放重物制動時，將電樞電壓反向，并在電樞回路中串聯(lián)一個制動電阻。制動前后的電路圖如圖4-14所示： （a）電動狀態(tài) （b）制動狀態(tài)圖4-14 反向回饋制動時的電路圖這時，電動機拖動的是

20、位能性恒轉(zhuǎn)矩負載。如圖4-15所示：圖4-15 回饋制動下放重物過程制動前，系統(tǒng)運行在機械特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，工作點平移到人為特性2上的b點，反向，n迅速下降。當工作點到達c點時，在和的共同作用下，電動機反向起動，工作點沿特性2繼續(xù)下移。到達d點時，轉(zhuǎn)矩等于理想空載轉(zhuǎn)矩，但，在重物的重力作用下，系統(tǒng)繼續(xù)反向加速，工作點繼續(xù)下移。當工作點到達e點時，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行。這時的電動機在比理想空載轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定下放重物。在上述制動過程中，段電機處于電壓反向反接制動過程，段電機處于反向起動過程，段電機處于回饋制動過程，在e點電機處于回饋制動運行。由于這種回饋制動是在電樞電壓反向后

21、得到的，故稱反向回饋制動。反向回饋制動運行時，與圖4-4（a）的電動狀態(tài)時相比，如圖4-4（b）所示，由于n反向，反向，且，方向不變，方向不變，但與n方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩。電機處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能送回電源?；仞佒苿拥男Ч才c制動電阻的大小有關(guān)。小，則特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物慢。由圖4-14（b）可知，回饋制動運行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則可見，若要以轉(zhuǎn)速n下放負載轉(zhuǎn)矩的重物，制動電阻應(yīng)為忽略，則采用回饋制動下放重物時，轉(zhuǎn)速很高，超過了理想空載轉(zhuǎn)矩，要注意轉(zhuǎn)速不得超過電機允許的最高轉(zhuǎn)矩（產(chǎn)品目錄或電機手冊中可以查到）。同時還要注意有上式求得的還

22、要滿足的要求。第5章 他勵直流電動機的制動設(shè)計一臺他勵電動機設(shè),，,，忽略不計。拖動TL=0.8TN的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載，計算電樞電路中應(yīng)串入的制動電阻值不能小于多少？解：由額定數(shù)據(jù)求得：總結(jié)1、 能耗制動制動時在電動機的繞組中串接電阻，電動機相當于發(fā)電機，將擁有的的能量轉(zhuǎn)換成電能消耗在所串聯(lián)的電阻上。這種方法在各種電機制動中廣泛應(yīng)用，變頻控制也用到了。從高速到低速，這是電氣的頻率變化的很快，但電動機的轉(zhuǎn)子帶著負載有較大的機械慣性，不可能很快的停止，這樣就產(chǎn)生反電動勢電動機處于發(fā)電狀態(tài)，其產(chǎn)生反向電壓轉(zhuǎn)矩與原電動狀態(tài)轉(zhuǎn)矩相反，而使電動機具有較強的制動力矩，迫使轉(zhuǎn)子較快停下來但由于通常變頻器是交直交整流電路是不可逆的，因此無法回饋到電網(wǎng)上去，結(jié)果造成主電路電容器二端電壓升高，稱崩升電壓，當超過設(shè)定上限值電壓時，制動