他励直流电动机的能耗制动控制设计

1、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

2、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讲解 T , TL , To 之间的关系。关键词:能耗制动 ;迅速停机; 放下重物 ;目 录摘 要 . . I 1 设计任务和要求 . 3 1.1 设计任务 . 3 1.2 直流电动机的工作原理 . 31.3 他励电动机电路模型 . 42 他励直流电动机的机械特性 . 5 2.1 他励直流

3、电动机固有机械特性 . 62.2 他励直流电动机人为特性 . 63 他励直流电动机的能耗制动 . 8 3.1 能耗制动过程迅速停机 . . 93.2 能耗制动运行下放重物 . . 104 能耗制动设计电路与参数确定 . 13 4.1 主电路与控制电路 . 134.2 电路参数确定 . 145 总结 . 16 参考文献 . 错误!未定义书签。1 设计任务和要求 1.1 设计任务1、要求设计出他励直流电动机能耗制动主电路及控制电路。2、 对他励直流电动机能耗制动控制制动主电路及控制电路工作原理进行必要 的阐述。3、计算他励直流电动机能耗制动控制制动主电路及控制电路的相应参数。1.2 直流电动机的工

4、作原理在直流电动机中, 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。 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

5、手定理(a (b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。1.3 他励电动机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 1-2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。 图 1-2 他励电动机励磁电流:fff R UI =电枢电流:aa a I R E U +=aa a R E U

6、I -=T C T =电动机的转速:T C C R C U n T E a E a 2-=2 他励直流电动机的机械特性在他励电动机中, 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。根据公式a T I C T = n C E e a =R I E U a a +=可得,他励电动机的转速与转矩之间有如下关系T n n n T C C R C U n o o T E a E a -=-=-=2其中称为理想空载转速e C Un =机械特倾性的斜率,大小反映软特性与硬特性,其值为:2T E a C C R dTdn =n 是转速差,其值为

7、:T n n n o =-=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。2.1 他励直流电动机固有机械特性由方程式 2nT e a ne n C C R C U n -=得到他励电动机的固有特性,如图 2-1所示,由于电枢电阻 a R 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 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。 图 2-1 他励电动机的固有特性固有特性上的 M 点对应

8、于电动机的临界状态。这时的电枢电流 a I 等于换向 所允许的最大电枢电流 (aN a I I 0. 25. 1max =。 对应转矩 M T 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。2.2 他励直流电动机人为特性 1、增加电枢串接电阻的人为机械特性On n N T MT Tn在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻,根据公式TC C R R C U n T E f a E 2+-=这时相当于电路电枢电阻 a R 增加,理想空载转速 o n 不变, 增加,机械特性硬 度 减小,机械特性如图 2-2所示,串入电阻越大,人为特性斜率 越大,硬度越小。 图 2-2 增加电枢电

9、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2-3所示,机械特性平行下移。 图 2-3 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 f I ,则磁通 减小, o n 增加, 增加, 减小,人为特性如图 2-4所示。 图 2-4 减弱励磁电流时的机械特性3 他励直流电动机的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

10、, 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。3.1能耗制动过程迅速停机 fU(a 电动状态 (b 制动状态图 3-1 能耗制动迅速停机的电路图制动前后如图 3-1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

11、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 b R 短接,电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流, a I 反向,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,a I =0, 制动转矩 T 自动消失。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 3-2中的特性 1, n 与 T 的关系为TC C R C U n nT e a ne n 2-=能耗制动时, a U =0,电枢回路中又增加制动电阻 b R ,故T C C R R n nT e a 2b +-=机械特性如图 3-2中的特性 2,它是一条通过原点、位于

12、2、 4象限的直线。 图 3-2 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 L T 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 b R 的大小有关。 b R 小,则 a I 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

13、的电枢电流ab I 不得超过 amaxI 。由图 3-1(b 可知 ba b ab R R E I +=式中, a b E E =,是工作于 b点和 a 点时的电动势。由此可得 a amaxb a R -I E R 3.2 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 3-3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 工作点达到 0点时, T=0,但

14、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 3-3 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 3-4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 。 (a 能耗制动过程 (b 能耗制动运行图 3-4 能耗制动过程与能耗制动运行得比较能耗制动运行的效果与制动电阻 b R

15、的大小有关。 b R 小,特性 2的斜率小, 转速低,下放重物慢。由图 3-4(b 可知,工作在 c 点时,只取各量的绝对值, 而不考虑正、负,则2acc b a n n T T C C C T C I E R R L T E T E -=+下放重物时, 0T 与 L T 方向相反,与 T 方向相同,故 T=L T -0T 。可见,若要以转 速 n 下放负载转矩为 L T 的重物时,制动电阻应为a2b n R T T C C R OL T E -=忽略 0T ,则 a2b n R T C C R LT E -=b R 的结果应与式 a amaxb a R -I E R 校验是否合适。4 能耗制

16、动设计电路与参数确定制动时在电机的绕组中串接电阻, 电动机相当于发电机, 将拥有的能量转换 成电能消耗在所串接电阻上。 这种方法在各种电机制动中广泛应用, 变频控制也 用到了。 从高速到低速, 这时电气的频率变化很快, 但电动机的转子带着负载有 较大的机械惯性,不可能很快的停止,这样就产生反电势电动机处于发电状态, 其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反,而使电动机具有较强的制动力矩, 迫使转子较快停下来但由于通常变频器是交-直-交整流电路是不可逆的因此 无法回馈到电网上去, 结果造成主电路电容器二端电压升高, 称泵升电压, 当超 过设定上限值电压时, 制动回路导通, 这就是制动单元的工作过程

17、, 制动电阻流 过电源,从而将动能变热能消耗电压随之下降,待到设定下限值时即断 . 这种制 动方法属不可控,制动力矩有波动,制动时间是可人为设定的。4.1 主电路与控制电路电机制动的充分条件是电磁转矩与转速两者的实际方向相反; 只要满足了这 个条件, 电机肯定是处于制动状态的。 所以想要实现电机制动, 我们必须从这一 点出发。 同样要实现电机能耗制动, 我们应该也要找出这一种实现, 即找到一种 方法能够实现电磁转矩的反向。 既然电机都要制动了, 电机的电枢直流电源肯定 也是要断开的。电枢电源断开之后,由于电机惯性的作用,电机不会马上停转, 而是继续保持原来的转速方向继续转动, 但是这时候的励磁

18、电源并没有断开, 所 以还存在励磁磁场。 所以转动的转子在磁场中便会产生感应电动势, 而此时的感 应电动势又与原来的电枢电源极性相反的(关于它我将在后面做详细分析 ,所 以我们只要将电枢的感应电动势形成一个回路, 那自然就会产生一个反向的电流 了, 从而产生一个与转速反向的电磁转矩, 起到制动的作用。 但是我们必须要考 虑到电枢的自身感应电动势是很大的, 而且电枢的电阻又很小, 所以我们必须在 回路中串联一个适当的电阻,用来限制电流过大,保护电枢。经过这样一分析, 我便得出了一个他励直流电机能耗制动的方案, 可以用图 4-1来说明。图 4-1 能耗制动控制的主电路和控制电路4.2 电路参数确定

19、制动电阻的选取经验:1、电阻值越小,制动力矩越大,流过制动单元的电流越大 ;2、 不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流, 否则要损坏器件 ; 3、制动时间可人为选择 ;4、小容量变频器 (7.5KW 一般是内接制动单元和制动电阻的 ;5、当在快速制动出现过电压时说明电阻值过大来不及放电,应减少电阻值 .他励直流电动机 的数据:PN=10kW, U1N=220V, nN=1100r/min, IN=53A, Ra=0.3。解:由额定数据求得Ra=0.3 E=PN/IaN=188.7V K电机M能耗电阻 励磁电源Ce =E/nN=0.172Ct =9.55Ce=1.64(1 迅速停机时Ia=TL/(CT =42.34AE=Ua-RaIa=207.3VRb>E/Imax-Ra=1.65(2 下放重物时R