1、1指導教師評定成績：_審定成績：_重慶郵電大學移通學院課程設計報告設計題目：他勵直流電動機制動課程設計重慶郵電大學移通學院許小玲電氣工程及其自動化5 班0511110509陳龍燦學校:學 生姓 名:專業:班級:學號:指 導教 師:2摘要本設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，安全經濟。能耗制動原理其實就 是將電流方向反向，產生相反的電磁轉矩，從而產生一個與轉速方向相反的力矩，達到減速制動的目的。在這次

2、的設計中，我們著重討論的是他勵直流電機能耗制 動。主要討論關于能耗制動一些技術方面問題的分析與設計。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，在關鍵 點的（電動機的瞬時態）講解。在公式法中，我們將嚴格依據電動的工作特性曲線 來討論不同時態的變動，并且最重要的是在公式法中我們討論了RbRb 的電阻要求并講解了為什么必須要串入電阻 Rb=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知識來解 T T，TLTL, ToTo 之間的關系。關鍵詞制動能耗制動反

3、接制動回饋制動迅速停機放下重物3目錄前言. 3 3第 1 1 章 直流電動機的工作原理. 4 4第 2 2 章 他勵直流電動機的電路模型. 5 5第 3 3 章 他勵直流電動機的機械特性. 5 53.13.1機械特性表達式. 5 53.23.2 固有機械特性. 6 63.33.3人為機械特性. 7 7第 4 4 章他勵直流電動機的制動. 9 94.14.1能耗制動. 9 94.24.2反接制動. 13134.34.3回饋制動. 1717第 5 5 章 他勵直流電動機制動設計. 2121第 6 6 章總結. 2222致謝. 23234、八 、,前言電機與拖動是自動化專業的一門重要專業基礎課。 它

4、主要是研究電機與電力 拖動的基本原理， 以及它與科學實驗、 生產實際之間的聯系。 通過學習使學生掌 握常用交、 直流電機、變壓器及控制電機的基本結構和工作原理； 掌握電力拖動 系統的運行性能、分析計算，電動機選擇及實驗方法等。電機與拖動課程設計是理論教學之后的一個實踐環節，通過完成一定的工程 設計任務，學會運用本課程所學的基本理論解決工程技術問題， 為學習后續有關 課程打好必要的基礎。電動機所驅動的負載，有時候要求從高轉速迅速降為低轉速，甚至停轉、 反轉，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子上產生一個反力矩， 具體有三種方法， 即能

5、耗制 動、 反接制動、回饋制動 。51.1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變為機械能的電氣設備，即有直流電能f機械能。在直流電動機中，為了產生不變的電磁轉矩，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，由通電導體形成繞組，由轉子鐵心和 定子磁極形成磁場，通過換向器使轉子的磁極的極性始終保持和定子的極性相 反，形成旋轉的力矩，從而外部電路中的直流電流通過換向轉變成電機內部的交 流電流，將電能轉化為機械能。b b）圖 1-1直流電動機原理圖如圖 1-11-1 所示電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉軸與機械負載 相連，這時便有電流從電源的正極流出，經電

6、刷 A A 流入電刷繞組，然后經電刷 B B 流回電源的負極。在圖（a a）所示位置，在 N N 極下面導線電流是由 a a 到 b b,根據左手 定理可知導線 abab 受力方向向左，而導線cdcd 受力方向向右。當兩個電磁力對轉軸所 形成的電磁轉矩大于阻轉矩時，電動機逆時針旋轉。當線圈轉過180180 度時，這是電流方向已改變為有 d d 到 c c 和 b b 到 a a，因此電磁轉矩的方向仍然是逆時針的，這樣使得電機一直旋轉下去。a a )62.1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2-12-1 所示，他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設備較復

7、雜。但這種電動機調速范圍很寬，多用于主機拖動中。電樞電流：U Ua二 E E R Rai iaiU Ua-E ETI IR RaO O電動機的轉速：U Uan n _ _C CERaT TCECT2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，Ua、Ra、If保持不變時，電動機的轉速 n n 與電磁轉矩 T T 之間的關系稱為他勵電動機的機械特性。勵磁電流:7T T 二CTI IaE Ea= = C Cen nU U =E=EaI IaR R可得，他勵電動機的轉速與轉矩之間有如下關系其中稱為理想空載轉速B機械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性，其值為:dndndTdT

8、CEC32n是轉速差，其值為:機械特性的硬度為:dT dn斜率 1 1 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 n n =-=- - -Ra2得到他勵電動機的固有特性，如圖 3-13-1 所示,C C nC CeC C/ /n2由于電樞電阻 R Ra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 N 點對應于電動機的額定狀態。這是電動機的電壓、電根據公式UaRa8流、功率和轉速都等于額定值。額定狀態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

9、有特性上的 M M 點對應于電動機的臨界狀態。這時的電樞電流la等于換 向所允許的最大電樞電流 I Iamax= = ：1 1 .5.5 2.02.0 I IaN。對應轉矩TM是電動機所允許的最 大轉矩。臨界狀態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，根據公式URa + RfTnTCECECT2這時相當于電路電樞電阻Ra增加，理想空載轉速n。不變，增加，機械特性硬度減小，機械特性如圖 3-23-2 所示，串入電阻越大，人為特性斜率越大，硬度越小。9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

10、械特性當降低電樞電壓時，Ua降低時，n。減小，1不變，：不變，人為特性如圖 3-33-3 所示，機械特性平行下移。圖 3-33-3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 I If，則磁通 減小，no增加，增加，減小，人為特性如圖 3-43-4 所示。n10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，電動機的轉速從穩態轉速到零或反向一個轉速值（下放重物的情況）的過程稱為制動過程。對于電動機來講，我

11、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： 將電樞與電源斷開，串聯一個制動電阻 尺，使電機處于發電狀態，將系統的動能轉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 4-14-1 所示，與電動狀態相比，制動時，系統因慣性繼續旋轉，n n 方向不變，由于磁場方向不變，故 E E 方向也不變。由于電源被切除，電樞通過 制動電阻Rb短接，電

12、動勢將產生與電動狀態時方向相反的電樞電流，la反向,11使得 T T 反向而成為制動轉矩，電動機的旋轉速度下降至零。當 n=0n=0 時，E=0,E=0,Ia=0=0.圖 4-14-1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，電動狀態是的機械特性如圖 中的特性 1 1，n n 與 T T 的關系為-U-UnR Ran nT TC Ce nC CeC C2能耗制動時，Ua=0=0，電樞回路中又增加制動電阻Rb，故R RaR Rb2C CeC Cy n機械特性如圖 4-24-2 中的特性 2 2,它是一條通過原點、位于 2 2、4 4 象限的直線4-24-212設電動機拖動的是

13、反抗性恒轉矩負載。制動前，系統工作在機械特性 1 1 與負 載特性 3 3 的交點 a a 上。制動瞬間，因機械慣性，轉速來不及變化，工作點由 a a 點 平移到能耗制動特性 2 2 上的 b b點。這是 T T 反向，成為制動轉矩，制動過程開始。 在 T T 和TL的共同作用下，轉速 n n 迅速下降，工作點沿特性 2 2 由 b b 點移至 0 0 點。 這時，n=0n=0，T T 也自動變為零，制動過程結束。能耗制動過程的效果與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，則la大，T 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 b點時的電樞電流 l lab不得超過l l

14、amax。 由圖3-13-1 （ b b）可知 I IabEb式中，E Eb= = E E&，是工作于 b bR Ra+R+Rb點和 a a 點時的電動勢。由此可得 R Ra_旦-R-Ra1amax4.1.2 能耗制動運行-下放重物若電動機拖動位能性恒轉矩負載，如圖 4-34-3 所示。制動前，系統工作在機械 特性 1 1 與負載特性 3 3 的交點 a a 上,電動機以一定的速度提升重物。 在需要穩定下 放重物時，讓電動機處于能耗制動狀態。 工作點由機械特性 1 1 上的 a a 點平移到特 性 2 2 上的 b b 點， 并迅速移動到 0 0 點， 這一階段，電動機處于能耗制動過程

15、中。當13工作點達到 0 0 點時，T=0T=0,但TL0 0,在重物的重力作用下，系統反向啟動，工作點將由 0 0 點下移到 c c 點，T=TL，系統重新穩定運行，這時 n n 反向，電動機穩也隨之反向，兩者的不同如圖 4-44-4 所示，在能耗制動過程中，n n0 0, T Tv0 0;然而 在能耗制動運行時，n nv0 0，T T0 0。能耗制動運行的效果與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，特性 2 2 的斜率小,轉速低，下放重物慢。由圖 4-44-4 (b b)可知，工作在 c c 點時，只取各量的絕對值,而不考慮正、負，則下放重物時，T。與TL方向相反，與 T T 方向相同，故T=T

16、L-T。可見，若要以轉 速 n n 下放負載轉矩為TL的重物時，制動電阻應為Rb=CE-RaTL_TO能耗制動運行與能耗制動過程相比，由于 n n 反向,引起 E E 反向，使得la和 T TRaRb -Ec1acCEnTCTn-T。O定下放重物。14忽略To，貝 U URb二CECT丄一RaTLRb的結果應與式 R Ra_ 旦 -R-Ra校驗是否合適。1amaxa)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-迅速停機當電動機在電動運轉狀態下以穩定的轉速 n n 運行時候，如圖 4-54-5 所示，為了使 工作機構迅速停

17、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 4-64-6 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，電網供給的能量和生產機械的動能 都消耗在電阻 Ra+RbRa+Rb 上面。(a )電動狀態Uf15圖 4-54-5 制動前的電路圖圖 4-64-6 制動后的電路圖同時也可以用機械特性來說明制動過程。電動狀態的機械特性如下圖三的特 性 1 1, n n 與 T T 的關系為E = nTdaE =Ua-RaiaEUa -RalaUaRan2CECECECECJ2電壓反向反接制動時，n n 與 T T 的關系為n n （

18、旦亠辱門CECECT其機械特性如圖 4-74-7 中的特性 2 2。設電動機拖動反抗性恒轉矩負載，負載特性如 圖 4-74-7 中的特性3 3。Uf16圖 4-7 反接制動迅速停機過程制動前，系統工作在機械特性 1 1 與負載特性 3 3 的交點 a a 上，制動瞬間，工作點 平移到特性 2 2上的 b b 點，T T 反向，成為制動轉矩，制動過程開始。在 T T 和TL的共 同作用下，轉速 n n 迅速下降，工作點沿特性 2 2 由 b b 移至 c c 點，這是n=0，應立 即斷開電源，使制動過程結束。否則電動機將反向起動，到 d d 點去反向穩定運行。電壓反向反接制動的效果與制動電阻 R

19、 Rb的大小有關，R.R.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 b 點時的電樞電 流 l lab不得超過 l lamax= = (1.5(1.5 - -2.0)l2.0)laN。由圖 4-74-7 可知，只考慮絕對值時IU UaE EbIab R RaR Rb式中，E Eb=E=Eao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 4-84-8 所示，制動后的電路如圖 4-94-9 所示。制動時，電樞電壓 不反向，只在電樞電路中串聯一個適當的制動電阻R Rbo機械特性方程邊變為_ _ U Ua _ Ra+

20、+ R RbT門CE CECT：2R RbU UaE EbIa max2n1T17(c )電動狀態圖 4-8 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矩負載，則如圖4-104-10 所示。制動前，系統工作在固有特性 1 1 與負載特性 3 3 的交點 a a 上。制動瞬間，工作點由 a a 平移到 人為特性上的 b b點。由于TTL錯誤！未找到引用源。，n n 下降，工作點沿特性 2 2 由 b b 點向 c c 點移動。當工作點到達 c c 點時，T T = =T Tc錯誤！未找到引用源。，但TLTC錯誤！未找到引用源。，在重物的重力作用下，系統反向起動，工

21、作點由 c c 點下 移到 d d 點，T T 二錯誤！未找到引用源。，系統重新穩定運行。這是 n n 反向，電 動機處在制動運行狀態穩定下放重物。在這種情況下制動運行時，由于 n n 反向，E E 也隨之反向，由圖可以看出，這時E E 與 U Ua的作用方向也變為一致，但錯誤！未找到引用源。和 T T 的方向不變，T T 與 n n 方向相反，成為制動轉矩，與負載轉矩保持平衡，穩定下放重物。所以這種 反接制動稱為電動勢反向的反接制動運行。laUaUfUaUf18電動勢反接制動的效果與制動電阻 R Rb的大小有關。R Rb錯誤！未找到引用源。小，特性 2 2 的斜率小，轉速低，下放重物滿。由圖

22、五知，在 d d 點運行時，為簡化19分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則R RaR Rb二UaE Ed =c“I IadT T可見，若要以轉速 n n 下放負載轉矩為TL的重物，制動電阻應為CTTL-TO（U UaCEn n）-R-Ra忽略 T To，則R Rb二 A A（U UaCEn n）-R-RaTL4.3回饋制動4.3.1正向回饋制動一一電車下坡電車在平地行駛或上坡時，負載轉矩TL阻礙電車前往行駛圖 4-114-11 所示:T圖 4-10 反接制動下放重物過程20系統工作在機械特性與負載特性 2 2 的交點 a a 上。電車下坡時，TL反向變成幫 助電車往下行駛，負載特性變為特

23、性 3 3。在 T T 和一TL的共同作用下，n n 加速，工作 點由 a a 點沿特性 1 1 向上移動。到達n0時，T =0，但-TL：0，即- -TL與 n n 方向相 同，在-TL作用下，電機繼續加速，工作點越過no繼續向上移動。這時 T T 反向， 成為阻止電車下坡的制動轉矩。但| TL| a |T |，工作點繼續上移，直至機械 特性 1 1 與負載特性 3 3 的交點 b b 為止，T=TL，電車恒速往下行駛。自從工作點越過no后，n 5，使得E Ua，電動機就進入了回饋制動過程，到達 b 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

24、動。正向回饋制動與電機狀態相比，雖然n、E E、Ua的方向都未改變，但因E Ua，使得la以及 T T 反向，兩者的區別如圖 4-124-12 所示:圖 4-12 正向回饋制動時的電路圖圖 4-11 回饋制動電車下坡過程E(a)電動狀態-0+ 4+E(b)制動狀態21正向回饋制動在調速過程中也時常出現，當電動機減速時，若減速后的理想空載轉速低于減速前的轉速，電機便會在調速過程的某一階段處于正向回饋制動 過程。如圖 4-14-13 3所示：圖 4-13 調速是出現的正向回饋制動在改變電樞電壓調速和改變勵磁電流調速時，工作點都要從a a 點平移到 b b點，然后經 c c 點到達 d d 點穩定運

25、行。在 bebe 階段，n n。，電機處于正向回饋制動 過程中。它的存在，有利于縮短 bebe 短的時間，加快調速過程。422反向回饋制動一一下放重物制動時，將電樞電壓反向，并在電樞回路中串聯一個制動電阻Rb。制動前(a )電動狀態圖 4-14 反向回饋制動時的電路圖這時，電動機拖動的是位能性恒轉矩負載。如圖 4-154-15 所示:(b)制動狀態(a)改變電樞電壓調速后的電路圖如圖 4-144-14 所示：oo022制動前，系統運行在機械特性 1 1 與負載特性 3 3 的交點 a a 上。制動瞬間，工作點 平移到人為特性 2 2 上的 b b 點，T T 反向，n n 迅速下降。當工作點到

26、達 c c 點時，在 T T 和TL的共同作用下，電動機反向起動，工作點沿特性 2 2 繼續下移。到達 d d 點時，轉 矩等于理想空載轉矩，T =0,但TL0，在重物的重力作用下，系統繼續反向 加速，工作點繼續下移。當工作點到達 e e 點時，T=TL，系統重新穩定運行。這 時的電動機在比理想空載轉速高的轉速下穩定下放重物。在上述制動過程中，bebe 段電機處于電壓反向反接制動過程，cdcd 段電機處于反向起動過程，dede 段電機處于回饋制動過程，在 e 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得到的，故稱反向回饋制動。反向回饋制動運行時，與圖 4-44-4 (a

27、a)的電動狀態時相比，如圖 4-44-4 (b b)所示, 由于 n n 反向，E E反向，且E Ua，Ia方向不變，T T 方向不變，但與 n n 方向相反，成為制動轉矩。電機處于發電狀態，將系統的動能轉換成電能送回電源。回饋制動的效果也與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，則特性 2 2 的斜率小，轉速低，下放重物慢。由圖 4-144-14( b 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CT可見，若要以轉速 n n 下放負載轉矩TL的重物，制動電阻應為RaRb =E -UaIaCE：5-UaT圖 4-15 回饋制動下放重物過程23CTRa-(CE：n-Ua)

28、 -RaTL _To忽略T0，貝URa二罕(Da) -R采用回饋制動下放重物時，轉速很高，超過了理想空載轉矩，要注意轉速不 得超過電機允許的最高轉矩（產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Rb還要滿足Rb _Ua Eb_ Ra的要求。1amax第 5 章他勵直流電動機的制動設計一臺他勵電動機設 P PN-22KW,-22KW, U UaN=440V=440V，1 1 刑= =65653 3 二，n nN=600r/min=600r/min，IaMAX/ IaMIN2，T。忽略不計。拖動TL=0.8TN的反抗性恒轉矩負載，計算電樞 電路中應串入的制動電阻值不能小于多少？解：由額

29、定數據求得：E E 二 U Ua_R_RaI Ia=(440-1.58=(440-1.58 52.24)V52.24)V = = 357.46V357.46V& &E ER Ra=(色公6-1.58)-1.58)門=1.16=1.16 門I Iamax2 2 65.365.3CT門二6 6% %2 2 二6060PNN =2 2 二氐迅速停機時:不6060E0.562=5.3650.562=5.3652 2 3.143.146060 2200022000N N m m =350.32N=350.32N *m*m2 2 3.143.14600600C CE E“ _ _二 0.5

30、620.562600600n nNTL=0.8TN=0.8=0.8 350.32N350.32N m=280.256Nm=280.256N *m*maNPN440-440-2222 10103aN65.365.3aN65.365.3= = 1.51.5 88PN2222 10103aN65.365.3= = 336.91/336.91/336.91336.91TLCTG280.256280.2565.3655.365二=52.24=52.24 二24即電樞電路中應串入的 制動電阻值不能小于 1.161.161 1的電阻總結一、能耗制動制動時在電動機的繞組中串接電阻， 電動機相當于發電機，將擁有的的能量 轉換成電能消耗在所串聯的電阻上。 這種方法