他勵直流電動機(jī)的反接制動(電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì))

1、直流電動機(jī)以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、體積較大、維護(hù)較難而使其應(yīng)用受到了影響。 隨著交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，在不少應(yīng)用領(lǐng)域中已為交流電動機(jī)所取代。但是直 流電動機(jī)又以起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、制動控制方便而著稱，因此，在工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域 中仍占有一席之地。本課題將討論他勵電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及反接制動的原理 及機(jī)械制動。1課程設(shè)計(jì)的目的及容電機(jī)與拖動是電氣專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。它主要是研究電機(jī)與電力拖動的基本 原理，以及它與科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)際之間的聯(lián)系。通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握常用交、直流電機(jī)、 變壓器及控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算，電 動機(jī)選擇及實(shí)驗(yàn)

2、方法等。電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì)是理論教學(xué)之后的一個實(shí)踐環(huán)節(jié)， 通過完成一定的工程設(shè)計(jì)任務(wù)， 學(xué)會運(yùn)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(xí)后續(xù)有關(guān)課程打好必要的基 礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)主要研究他勵直流電動機(jī)的反接制動。電樞齒電樞繞組電樞槽極掌電樞磁扼定子磁扼換向極繞組換向極激磁繞組電動結(jié)構(gòu)底腳2他勵直流電動的基本結(jié)構(gòu)圖2他勵直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1定子直流電機(jī)的定子由以下幾部分組成： 主磁極換向磁極（簡稱換向極）機(jī)座端蓋2.2轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器風(fēng)扇等3他勵直流電動機(jī)的工作原理3.1直流電動機(jī)的工作原理圖0圖3-1直流電動機(jī)的工作原理圖圖中N和S是一對固定不動的磁極，用以產(chǎn)生所需要的磁場。在N

3、極S極之間有一個可以繞軸旋轉(zhuǎn)地繞組。直流電機(jī)的這一部分稱為電樞。如圖3-1所示將電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相連，這是便有電流從電源的正極流出，經(jīng)電刷 A流入電樞繞組，然后經(jīng)電刷 B流回電源的負(fù)極。載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁 力f的作用f BLI a。3. 2他勵直流電動機(jī)的運(yùn)行分析IfIa+圖3-2它勵電動機(jī)電樞電路中它勵電動機(jī)的電樞和勵磁繞組分別由兩個獨(dú)立的直流電源供電。它勵電動機(jī)的電路如圖三所示。在勵磁電壓 Uf的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流 I f，從而產(chǎn)生主磁極磁通 。在電樞電壓Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流 la。電樞電流與磁場 相互作用產(chǎn)生

4、電磁轉(zhuǎn)矩T ,從而拖動產(chǎn)生機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速 n運(yùn)轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割磁感 線產(chǎn)生電動勢E。電動勢的方向與電樞電流的方向相反。在勵磁電路中，勵磁電流在電樞電路中，根據(jù)基爾霍夫定律由此求得電樞電流為根據(jù)電樞轉(zhuǎn)矩公式，電樞電流還應(yīng)滿足下式根據(jù)上式可得到轉(zhuǎn)速用下式表示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為他勵電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，如果勵磁電路斷電，I fUf(3-2-1)lfRfUaERala(3-2-2)UaElaRa(3-2-3)laT(3-2-4)CtnEUaRal a(3-3-5)CeCeUaRan2T(3-3-6)CeCeCt0，主磁極只有很小的剩磁，由于機(jī)械慣性，勵磁電路斷開瞬間，轉(zhuǎn)速尚來不及變化，將立即劇減，l

5、a立即劇增。仍有一定數(shù)值。電動機(jī)將發(fā)生兩種事故：（1） 當(dāng)la增加的比例小于 減少的比例時(shí)，斷電瞬間，T將減小，T Tl，電動機(jī)不 斷減速而至停轉(zhuǎn)，即“悶車”或“堵轉(zhuǎn)”。這是la過大，換向器和點(diǎn)數(shù)繞組都有被燒壞的 危險(xiǎn)。這種情況一般在重載或滿載時(shí)容易發(fā)生。（2） 當(dāng)la增加的比例大于 減少的比例時(shí)，斷電瞬間，T將增大，T Tl，電動機(jī)不 斷加速直至超過允許值，即“飛車”。這時(shí)不僅使換向器和電樞繞組又被燒壞的危險(xiǎn)，而 且還會使電動機(jī)在機(jī)械方面遭受嚴(yán)重?fù)p傷，甚至危及操作人員的安全。這種情況般在輕載 和空載時(shí)容易發(fā)生。4制動原理及機(jī)械特性4.1電壓反向反接制動一迅速停機(jī)當(dāng)電動機(jī)在電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下以穩(wěn)定

6、的轉(zhuǎn)速n運(yùn)行時(shí)候，如圖4-1所示，為了使工作機(jī)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(shí)串入電阻，如圖4-2所示。由于電樞反接這樣操作，制動作用會更加強(qiáng)烈，制動更快。 電機(jī)反接制動時(shí)候，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機(jī)械的動能都消耗在電阻Ra+Rb上面。laTUf(a )電動狀態(tài)圖4-1制動前的電路圖圖4-2 制動后的電路圖4-3的特性1，n同時(shí)也可以用機(jī)械特性來說明制動過程。電動狀態(tài)的機(jī)械特性如下圖 與T的關(guān)系為EC e n(4-1-1)TCt I a(4-1-2)EU aRaia(4-1-3)CeU aRaiaUaCeRaCeCt(4-1-4)電壓反向反接制動

7、時(shí)，n與T的關(guān)系為RaRbCeCtT)(4-1-5)其機(jī)械特性如圖4-3中的特性2。設(shè)電動機(jī)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載特性如圖4-3中的特性3。1T圖4-3反接制動迅速停機(jī)過程制動前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上，制動瞬間，工作點(diǎn)平移到 特性2上的b點(diǎn)，T反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在 T和Tl的共同作用下，轉(zhuǎn)速 n迅速下降，工作點(diǎn)沿特性2由b移至c點(diǎn)，這是n 0，應(yīng)立即斷開電源，使制動過程結(jié) 束。否則電動機(jī)將反向起動，到 d點(diǎn)去反向穩(wěn)定運(yùn)行。電壓反向反接制動的效果與制動電阻 Rb的大小有關(guān)，Rb小，制動過程短，停機(jī)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(diǎn)

8、時(shí)的電樞電流Iab不得超過a max(1.5 2.0)IaN。由圖4-3可知，只考慮絕對值時(shí)abUaEbRaRb(4-1-5)式中，Eb=Ea。由此求得電壓反接制動的制動電阻為RbUa巳1 a maxRa(4-1-6)4.2迅速停機(jī)串聯(lián)電阻的計(jì)算由于lamax取值的不同，導(dǎo)致串入電阻的不同。一般的取值丨ab不得超過丨amax =(5-2.0)l aNo 取 lamaFl.5 I aN,設(shè) PN 22KW , U aN 440V , I aN 65.3 , nN 600r/mi n ,To忽略不計(jì)。拖動Tl=0.8Tn的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，計(jì)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

9、數(shù)據(jù)求得U aNPnRaI aNI aN3一c 2210440 -1.5865.3PnI aN22 103336.91V65.3CeE336型 0.562600Ct600.5625.3652 3.14Tn60PN_260nN迅速停機(jī)時(shí)22000 N ?m 350.32N ?m2 3.14600Tl0.8Tn0.8 350.32N ?m 280.256N ?mIaTl280.256Ct5.36552.24Ua Eb Ra (440 357.46 1.58)4.5262 65.3RbUa RaIa (440 1.58 52.24)V357.46VI amax即電樞電路中應(yīng)串入的 制動電阻值不能于4

10、.526的電阻。4.3電動勢反向反接制動一下放重物制動前的電路如圖4-4所示，制動后的電路如圖4-5所示。制動時(shí)，電樞電壓不反向, 只在電樞電路中串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)闹苿与娮鑂b。機(jī)械特性方程邊變?yōu)镽aRbCeCeCt(4-3-1)laUf圖4-4制動前的電路圖圖4-5制動后的電路圖若電動機(jī)拖動若電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則如圖4-6所示。制動前，系統(tǒng)工作在固有特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上。制動瞬間，工作點(diǎn)由a平移到人為特性上的b點(diǎn)。 由于T Tl，n下降，工作點(diǎn)沿特性2由b點(diǎn)向c點(diǎn)移動。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，T Tc，但Tl Tc，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動，工作點(diǎn)由 c點(diǎn)下移到d點(diǎn)，T T

11、c，系統(tǒng) 重新穩(wěn)定運(yùn)行。這是n反向，電動機(jī)處在制動運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定下放重物。在這種情況下制動運(yùn)行時(shí)，由于 n反向，E也隨之反向，由圖可以看出，這時(shí) E與Ua 的作用方向也變?yōu)橐恢?，但?T的方向不變，T與n方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，與負(fù)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(yùn)行。電動勢反接制動的效果與制動電阻 Rb的大小有關(guān)。Rb小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低, 下放重物滿。由圖五知，在d點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正 負(fù)，則RaRb 曽1 adC(UaCe n)(4-3-2)可見，若要以轉(zhuǎn)速n下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tl的重物，制動電阻應(yīng)為TC(Ua Ce

12、 n)TL ToRa(4-3-3)忽略T。，則(Ua Ce n)RaRbTCttL圖4-6反接制動下放重物過程4.4下放重物串聯(lián)電阻的計(jì)算由于下放速度n取值的不同，導(dǎo)致串入電阻Rb的不同。取n 300r/min恒速下放重物,設(shè) Pn 22KW,UaN 440V , I aN 65.3 , n” 600r/mi n , To 忽略不計(jì)。拖動 Tl 0.8Tn 的位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，計(jì)算電樞電路中應(yīng)串入多大的制動電阻? 解：根據(jù)上一計(jì)算的數(shù)據(jù)，求得Tl(UaCEn)Ra5 365(4400.562 300)1.58280.25610.075結(jié)論他勵電動機(jī)反接制動的特點(diǎn)是:使Ua與E的作用方向變?yōu)橐恢?共同產(chǎn)生電樞電流Ia，于是由動能轉(zhuǎn)化而來電功率 EIa和電源輸入的電功率Uala 起消耗在電樞電路中。 在電壓反向制動時(shí)，強(qiáng)迫電動機(jī)朝相反的方向轉(zhuǎn)動而促進(jìn)電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)。制動時(shí)， 在保持勵磁電流條件（方向和值的大?。┎坏那闆r下，禾【J用倒向開關(guān)將電樞兩端反接在電源 上，此時(shí)電樞電流將變成負(fù)值，且電流相大Ia 丄三，隨之產(chǎn)生很大的制動性電磁轉(zhuǎn)Ra Rb矩使電動機(jī)停轉(zhuǎn)。電動勢反向反接制動在保持勵磁電流條件 （方向和值的大小）不的情況 下，在電路中串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)闹苿与娮?，使轉(zhuǎn)速迅速下降至零后再反轉(zhuǎn)，此時(shí)方向改變E和Ua同向，兩者共同提供電流la U Ce n，并以速度n下放重物。這里的R