他勵直流電動機的能耗制動控制設計

1、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

2、動,在關鍵點的 (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知識來講解 T , TL , To 之間的關系。關鍵詞:能耗制動 ;迅速停機; 放下重物 ;目 錄摘 要 . . I 1 設計任務和要求 . 3 1.1 設計任務 . 3 1.2 直流電動機的工作原理 . 31.3 他勵電動機電路模型 . 42 他勵直流電動機的機械特性 . 5 2.1 他勵直流

3、電動機固有機械特性 . 62.2 他勵直流電動機人為特性 . 63 他勵直流電動機的能耗制動 . 8 3.1 能耗制動過程迅速停機 . . 93.2 能耗制動運行下放重物 . . 104 能耗制動設計電路與參數(shù)確定 . 13 4.1 主電路與控制電路 . 134.2 電路參數(shù)確定 . 145 總結 . 16 參考文獻 . 錯誤!未定義書簽。1 設計任務和要求 1.1 設計任務1、要求設計出他勵直流電動機能耗制動主電路及控制電路。2、 對他勵直流電動機能耗制動控制制動主電路及控制電路工作原理進行必要 的闡述。3、計算他勵直流電動機能耗制動控制制動主電路及控制電路的相應參數(shù)。1.2 直流電動機的工

4、作原理在直流電動機中, 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。 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,繞組的轉軸與機械負載相 連, 這時便有電流從電源的正極流出, 經電刷 A 流入電刷繞組, 然后經電刷 B 流回 電源的負極。在圖(a 所示位置,在 N 極下面導線電流是由 a 到 b,根據左

5、手定理(a (b可知導線 ab 受力方向向左, 而導線 cd 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 180度時,這是電流 方向已改變?yōu)橛?d 到 c 和 b 到 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。1.3 他勵電動機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 1-2所示, 他 勵電動機由于采用單獨的勵磁電源,設備較復雜。但這種電動機調速范圍很寬, 多用于主機拖動中。 圖 1-2 他勵電動機勵磁電流:fff R UI =電樞電流:aa a I R E U +=aa a R E U

6、I -=T C T =電動機的轉速:T C C R C U n T E a E a 2-=2 他勵直流電動機的機械特性在他勵電動機中, Ua 、 Ra 、 If 保持不變時, 電動機的轉速 n 與電磁轉矩 T 之間的關系稱為他勵電動機的機械特性。根據公式a T I C T = n C E e a =R I E U a a +=可得,他勵電動機的轉速與轉矩之間有如下關系T n n n T C C R C U n o o T E a E a -=-=-=2其中稱為理想空載轉速e C Un =機械特傾性的斜率,大小反映軟特性與硬特性,其值為:2T E a C C R dTdn =n 是轉速差,其值為

7、:T n n n o =-=機械特性的硬度為:1=dndT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。2.1 他勵直流電動機固有機械特性由方程式 2nT e a ne n C C R C U n -=得到他勵電動機的固有特性,如圖 2-1所示,由于電樞電阻 a R 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 點對應于電動機的額定狀態(tài)。這是電動機的電壓、電 流、功率和轉速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動機的長期運行能力。 圖 2-1 他勵電動機的固有特性固有特性上的 M 點對應

8、于電動機的臨界狀態(tài)。這時的電樞電流 a I 等于換向 所允許的最大電樞電流 (aN a I I 0. 25. 1max =。 對應轉矩 M T 是電動機所允許的最大 轉矩。臨界狀態(tài)說明了電動機的短時過載能力。2.2 他勵直流電動機人為特性 1、增加電樞串接電阻的人為機械特性On n N T MT Tn在他勵直流電動機的電樞電路中串入外接電阻,根據公式TC C R R C U n T E f a E 2+-=這時相當于電路電樞電阻 a R 增加,理想空載轉速 o n 不變, 增加,機械特性硬 度 減小,機械特性如圖 2-2所示,串入電阻越大,人為特性斜率 越大,硬度越小。 圖 2-2 增加電樞電

9、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,aU降低時,on 減小, 不變, 不變,人為特性如圖2-3所示,機械特性平行下移。 圖 2-3 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 f I ,則磁通 減小, o n 增加, 增加, 減小,人為特性如圖 2-4所示。 圖 2-4 減弱勵磁電流時的機械特性3 他勵直流電動機的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(wěn)態(tài)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

10、, 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:將電樞與電源斷開, 串聯(lián)一個制動電阻 bR ,使電機處于發(fā)電狀態(tài),將系統(tǒng)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。3.1能耗制動過程迅速停機 fU(a 電動狀態(tài) (b 制動狀態(tài)圖 3-1 能耗制動迅速停機的電路圖制動前后如圖 3-1所示,與電動狀態(tài)相比,制動時,系統(tǒng)因慣性繼續(xù)旋轉, n 方向不變,由于磁場

11、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 b R 短接,電動勢將產生與電動狀態(tài)時方向相反的電樞電流, a I 反向,使得 T 反向而成為制動轉矩, 電動機的旋轉速度下降至零。 當 n=0時, E=0,a I =0, 制動轉矩 T 自動消失。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 3-2中的特性 1, n 與 T 的關系為TC C R C U n nT e a ne n 2-=能耗制動時, a U =0,電樞回路中又增加制動電阻 b R ,故T C C R R n nT e a 2b +-=機械特性如圖 3-2中的特性 2,它是一條通過原點、位于

12、2、 4象限的直線。 圖 3-2 能耗制動迅速停機過程設電動機拖動的是反抗性恒轉矩負載。 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,成為制動轉矩,制動過程開始。 在 T 和 L T 的共同作用下,轉速 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?制動過程結束。能耗制動過程的效果與制動電阻 b R 的大小有關。 b R 小,則 a I 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

13、的電樞電流ab I 不得超過 amaxI 。由圖 3-1(b 可知 ba b ab R R E I +=式中, a b E E =,是工作于 b點和 a 點時的電動勢。由此可得 a amaxb a R -I E R 3.2 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 3-3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

14、LT >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=LT ,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 3-3 能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aI 和 T 也隨之反向,兩者的不同如圖 3-4所示,在能耗制動過程中, n >0, T <0;然而 在能耗制動運行時, n <0, T >0 。 (a 能耗制動過程 (b 能耗制動運行圖 3-4 能耗制動過程與能耗制動運行得比較能耗制動運行的效果與制動電阻 b R

15、的大小有關。 b R 小,特性 2的斜率小, 轉速低,下放重物慢。由圖 3-4(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 -=+下放重物時, 0T 與 L T 方向相反,與 T 方向相同,故 T=L T -0T 。可見,若要以轉 速 n 下放負載轉矩為 L T 的重物時,制動電阻應為a2b n R T T C C R OL T E -=忽略 0T ,則 a2b n R T C C R LT E -=b R 的結果應與式 a amaxb a R -I E R 校驗是否合適。4 能耗制

16、動設計電路與參數(shù)確定制動時在電機的繞組中串接電阻, 電動機相當于發(fā)電機, 將擁有的能量轉換 成電能消耗在所串接電阻上。 這種方法在各種電機制動中廣泛應用, 變頻控制也 用到了。 從高速到低速, 這時電氣的頻率變化很快, 但電動機的轉子帶著負載有 較大的機械慣性,不可能很快的停止,這樣就產生反電勢電動機處于發(fā)電狀態(tài), 其產生反向電壓轉矩與原電動狀態(tài)轉矩相反,而使電動機具有較強的制動力矩, 迫使轉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 無法回饋到電網上去, 結果造成主電路電容器二端電壓升高, 稱泵升電壓, 當超 過設定上限值電壓時, 制動回路導通, 這就是制動單元的工作過程

17、, 制動電阻流 過電源,從而將動能變熱能消耗電壓隨之下降,待到設定下限值時即斷 . 這種制 動方法屬不可控,制動力矩有波動,制動時間是可人為設定的。4.1 主電路與控制電路電機制動的充分條件是電磁轉矩與轉速兩者的實際方向相反; 只要滿足了這 個條件, 電機肯定是處于制動狀態(tài)的。 所以想要實現(xiàn)電機制動, 我們必須從這一 點出發(fā)。 同樣要實現(xiàn)電機能耗制動, 我們應該也要找出這一種實現(xiàn), 即找到一種 方法能夠實現(xiàn)電磁轉矩的反向。 既然電機都要制動了, 電機的電樞直流電源肯定 也是要斷開的。電樞電源斷開之后,由于電機慣性的作用,電機不會馬上停轉, 而是繼續(xù)保持原來的轉速方向繼續(xù)轉動, 但是這時候的勵磁

18、電源并沒有斷開, 所 以還存在勵磁磁場。 所以轉動的轉子在磁場中便會產生感應電動勢, 而此時的感 應電動勢又與原來的電樞電源極性相反的(關于它我將在后面做詳細分析 ,所 以我們只要將電樞的感應電動勢形成一個回路, 那自然就會產生一個反向的電流 了, 從而產生一個與轉速反向的電磁轉矩, 起到制動的作用。 但是我們必須要考 慮到電樞的自身感應電動勢是很大的, 而且電樞的電阻又很小, 所以我們必須在 回路中串聯(lián)一個適當?shù)碾娮?用來限制電流過大,保護電樞。經過這樣一分析, 我便得出了一個他勵直流電機能耗制動的方案, 可以用圖 4-1來說明。圖 4-1 能耗制動控制的主電路和控制電路4.2 電路參數(shù)確定

19、制動電阻的選取經驗:1、電阻值越小,制動力矩越大,流過制動單元的電流越大 ;2、 不可以使制動單元的工作電流大于其允許最大電流, 否則要損壞器件 ; 3、制動時間可人為選擇 ;4、小容量變頻器 (7.5KW 一般是內接制動單元和制動電阻的 ;5、當在快速制動出現(xiàn)過電壓時說明電阻值過大來不及放電,應減少電阻值 .他勵直流電動機 的數(shù)據:PN=10kW, U1N=220V, nN=1100r/min, IN=53A, Ra=0.3。解:由額定數(shù)據求得Ra=0.3 E=PN/IaN=188.7V K電機M能耗電阻 勵磁電源Ce =E/nN=0.172Ct =9.55Ce=1.64(1 迅速停機時Ia=TL/(CT =42.34AE=Ua-RaIa=207.3VRb>E/Imax-Ra=1.65(2 下放重物時R