他励直流电动机制动课程设计概要

1指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院课程设计报告设计题目：他励直流电动机制动课程设计学校：重庆邮电大学移通学院学生姓名：许小玲专业：电气工程及其自动化班级：5班学号：0511110509指导教师：陈龙灿2摘要本设计先介绍了他励直流电动机的工作方式，是为后面电动机制动作铺垫。对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般有大致可分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。在这次的设计中，我们着重讨论的是他励直流电机能耗制动。主要讨论关于能耗制动一些技术方面问题的分析与设计。以两种方式讲解：图示法和公式法。在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的(电动机的瞬时态)讲解。在公式法中，我们将严格依据电动的工作特性曲线来讨论不同时态的变动，并且最重要的是在公式法中我们讨论了Rb的电阻要求并讲解了为什么必须要串入电阻Rb。在下放重物的过程中方式同迅速停机一致重点放在反向启动后，电动机的运行情况。并且运用之前所介绍的基础知识来解T，TL，To之间的关系。关键词制动能耗制动反接制动回馈制动迅速停机放下重物3目录前言……………………………………………………………………………3第1章直流电动机的工作原理………………………………………………4第2章他励直流电动机的电路模型…………………………………………5第3章他励直流电动机的机械特性…………………………………………53.1机械特性表达式………………………………………………………53.2固有机械特性…………………………………………………………63.3人为机械特性…………………………………………………………7第4章他励直流电动机的制动………………………………………………94.1能耗制动………………………………………………………………94.2反接制动………………………………………………………………134.3回馈制动………………………………………………………………17第5章他励直流电动机制动设计……………………………………………21第6章总结……………………………………………………………………22致谢……………………………………………………………………………234前言电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。制动的基本原理是使电动机转子上产生一个反力矩，具体有三种方法，即能耗制动、反接制动、回馈制动。5第1章1.1直流电动机的工作原理直流的电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有直流电能→机械能。在直流电动机中，为了产生不变的电磁转矩，尽量减小气隙，以达到最强的磁场与最高的效率，就要利用磁场的作用，由通电导体形成绕组，由转子铁心和定子磁极形成磁场，通过换向器使转子的磁极的极性始终保持和定子的极性相反，形成旋转的力矩，从而外部电路中的直流电流通过换向转变成电机内部的交流电流，将电能转化为机械能。a）b)图1-1直流电动机原理图如图1-1所示电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电刷绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N极下面导线电流是由a到b，根据左手定理可知导线ab受力方向向左，而导线cd受力方向向右。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是电流方向已改变为有d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样使得电机一直旋转下去。6第2章2.1他励直流电动机的电路模型他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图2-1所示，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。励磁电流：fffRUI电枢电流：aaaIREUaaaREUITCT电动机的转速：TCCRCUnTEaEa2第3章他励直流电动机的机械特性3.1机械特性表达式在他励电动机中，Ua、Ra、If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。7根据公式aTICTnCEeaRIEUaa可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系TnnnTCCRCUnooTEaEa2其中称为理想空载转速eCUn0β机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性，其值为：2TEaCCRdTdnn是转速差，其值为：Tnnno机械特性的硬度为：1dndT斜率越小，硬度越大，机械特性越强。当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。3.2固有机械特性由方程式2nTeanenCCRCUn得到他励电动机的固有特性，如图3-1所示，由于电枢电阻aR很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这是电动机的电压、电8流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。ONMonMnNnNTMTTn图3-1他励电动机的固有特性固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流aI等于换向所允许的最大电枢电流aNaII0.2~5.1max。对应转矩MT是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。3.3人为机械特性1、增加电枢串接电阻的人为机械特性在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，根据公式TCCRRCUnTEfaE2这时相当于电路电枢电阻aR增加，理想空载转速on不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3-2所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。9图3-2增加电枢电路电阻时的人为特性2、降低电枢电压时的人为机械特性当降低电枢电压时，aU降低时，on减小，不变，不变，人为特性如图3-3所示，机械特性平行下移。图3-3降低电枢电压时的机械特性3、减弱励磁电流时的人为机械特性减小励磁电流fI，则磁通减小，on增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示。10图3-4减弱励磁电流时的机械特性第4章他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接制动，回馈制动4.1能耗制动直流电动机的制动方式有多种：能耗制动、反接制动和回馈制动。在此我们选择的研究方向是能耗制动。直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（下放重物的情况）的过程称为制动过程。对于电动机来讲，我们有时候希望它能迅速制动，停止下来，如在精密仪器的制动过程中，液晶显示屏幕的切割等等，但有的时候我们却希望电机能够慢慢地停下来，利用惯性来工作。于是，直流电动机能耗制动又分为迅速停机和下放重物两种方式。他励直流电动机能耗制动的特点是：将电枢与电源断开，串联一个制动电阻bR，使电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。能耗制动分为两种，分别用于不同场合。4.1.1能耗制动过程——迅速停机制动前后如图4-1所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。由于电源被切除，电枢通过制动电阻bR短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，aI反向，11使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。当n=0时，E=0，aI=0，制动转矩T自动消失。a）电动状态M—--EaI+-TnfUb）制动状态图4-1能耗制动迅速停机的电路图上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如图4-2中的特性1，n与T的关系为TCCRCUnnTeanen2能耗制动时，aU=0，电枢回路中又增加制动电阻bR，故TCCRRnnTea2b机械特性如图4-2中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。12图4-2能耗制动迅速停机过程设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a点平移到能耗制动特性2上的b点。这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和LT的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b点移至0点。这时，n=0，T也自动变为零，制动过程结束。能耗制动过程的效果与制动电阻bR的大小有关。bR小，则aI大，T大，制动过程短，停机快。但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流abI不得超过amaxI。由图3-1（b）可知bababRREI式中，abEE，是工作于b点和a点时的电动势。由此可得aamaxbaR-IER4.1.2能耗制动运行——下放重物若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-3所示。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，让电动机处于能耗制动状态。工作点由机械特性1上的a点平移到特性2上的b点，并迅速移动到0点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。当13工作点达到0点时，T=0，但LT＞0，在重物的重力作用下，系统反向启动，工作点将由0点下移到c点，T=LT，系统重新稳定运行，这时n反向，电动机稳定下放重物。由于下放重物时，电动机是稳定运行在能耗制动状态。图4-3能耗制动下放重物过程能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得aI和T也随之反向，两者的不同如图4-4所示，在能耗制动过程中，n＞0，T＜0；然而在能耗制动运行时，n＜0，T＞0。能耗制动运行的效果与制动电阻bR的大小有关。bR小，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4-4（b）可知，工作在c点时，只取各量的绝对值，而不考虑正、负，则02accbannTTCCCTCIERRLTETE下放重物时，0T与LT方向相反，与T方向相同，故T=LT-0T。可见，若要以转速n下放负载转矩为LT的重物时，制动电阻应为a2bnRTTCCROLTE14忽略0T，则a2bnRTCCRLTEbR的结果应与式aamaxbaR-IER校验是否合适。a）能耗制动过程（b）能耗制动运行图4-4能耗制动过程与能耗制动运行得比较4.2反接制动4.2.1电压反向反接制动——迅速停机当电动机在电动运转状态下以稳定的转速n运行时候，如图4-5所示，为了使工作机构迅速停车，可在维持励磁电流不变的情况下，突然改变电枢两端外施电压的极性，并同时串入电阻，如图4-6所示。由于电枢反接这样操作，制动作用会更加强烈，制动更快。电机反接制动时候，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rb上面。MUaEIaTn+-Uf(a)电动状态15图4-5制动前的电路图MUaEIan+-TUfRb(b)制动状态图4-6制动后的电路图同时也可以用机械特性来说明制动过程。电动状态的机械特性如下图三的特性1，n与T的关系为TCCRCUCIRUCEnIRUEICTnCTEaEaEaaaEaaaaTE2E电压反向反接制动时，n与T的关系为其机械特性如图4-7中的特性2。设电动机拖动反抗性恒转矩负载，负载特性如图4-7中的特性3。)(2TCCRRCUnTEbaEa16TTLn231baconoTL