直流電動機(jī)回饋制動原理及應(yīng)用 電器自動化畢業(yè)論文

直流電動機(jī)回饋制動原理及應(yīng)用目錄摘要 3ABSTRACT 4第1章緒論 51.1、電動機(jī)的工作狀態(tài) 51.2、制動與電動的本質(zhì)區(qū)別 61.3、制動的概括 61.4、制動的分類比較 7第2章回饋制動 82.1、回饋制動條件 82.2、電動機(jī)回饋制動 92.2.1、回饋制動的原理 92.2.2、回饋制動的機(jī)械特性 92.3、回饋制動實(shí)現(xiàn)的條件 102.4、位能負(fù)載下放重物時回饋制動 102.5、直流電動機(jī)回饋制動工作狀態(tài)分析 102.6、正向回饋制動 122.7、反向回饋制動 13第3章回饋制動的應(yīng)用領(lǐng)域 143.1回饋制動的優(yōu)點(diǎn) 143.2回饋制動的缺點(diǎn) 143.3回饋制動的控制 153.4回饋制動的適用場合 15結(jié)束語 15參考文獻(xiàn) 16致謝 17摘要回饋制動是變頻器制動方式的一種，也是非常有效的節(jié)能方法。回饋制動采用的是有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動。要實(shí)現(xiàn)回饋制動，就必須要將回饋電能進(jìn)行同頻同相控制、回饋電流控制等條件，才能將回饋電能安全送達(dá)電網(wǎng)上。并且避免了制動時對環(huán)境及設(shè)備的破壞。在電力機(jī)車等行業(yè)中取得了令人滿意的效果。在新型電力電子器件不斷出現(xiàn),性價比不斷提高的情況下有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：直流電機(jī)回饋制動ABSTRACTRegenerativebrakingisoneofthefrequencyconverterbrakingmode,isalsoaveryeffectivemethodofenergysaving.Regenerativebrakingisactiveinvertertechnology,regenerationofpowerinversetoACgridfrequencyandphaseechopower,toachievethebraking.Toachievetheregenerativebraking,itisnecessarytocontributetothepowerthesamefrequencywithphasecontrol,contributetothecurrentcontrolconditions,servedtocontributetoenergysecurityonthenetwork.Andavoidbrakingontheenvironmentandequipmentdamage.Insectorssuchaselectriclocomotiveshasachievedsatisfactoryresults.Intheemergingnewpowerelectronicdevices,cost-effectivecasehasbroadapplicationprospectsofcontinuousimprovement.

Keywords:direct-currentmotorRegenerativebraking第1章緒論1.1、電動機(jī)的工作狀態(tài)電機(jī)是利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。直流電機(jī)能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能。將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的叫做直流電動機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫做直流發(fā)電機(jī)。直流電動機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是起動性能和調(diào)速性能好，過載能力大。因此，應(yīng)用于對起動和調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，例如大型機(jī)床，電力機(jī)車，軋鋼機(jī)，礦井卷揚(yáng)機(jī)，船舶機(jī)械，造紙機(jī)和紡織機(jī)等都廣泛采用直流電動機(jī)作為原動機(jī)。直流發(fā)電機(jī)主要用作直流電源，供給直流電動機(jī)，電解，電鍍等所需的直流電能。直流電動機(jī)的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用有色金屬多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴，運(yùn)行可靠性差。隨著近年電力電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，在很多領(lǐng)域內(nèi)，直流電動機(jī)將逐步為交流調(diào)速電動機(jī)所取代，直流發(fā)電機(jī)則正在被電力電子器件整流裝置所取代。不過在今后一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，直流電機(jī)仍將在許多場合繼續(xù)發(fā)揮作用。電動機(jī)的工作狀態(tài)按拖動性能可分為電動及制動兩大類當(dāng)電動機(jī)在外加電源的作用下，產(chǎn)生與系統(tǒng)運(yùn)動方向一致的轉(zhuǎn)矩，并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動生產(chǎn)機(jī)械工作時，即為電動工作狀態(tài)。在電動工作狀態(tài)下，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，為拖動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)把由電網(wǎng)取得的電能變成機(jī)械能輸出。通常情況下，電動機(jī)都是工作在電動狀態(tài)下。在某些情況下，也需要電動機(jī)工作在制動狀態(tài)下。制動是指電動機(jī)從某一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負(fù)載的下降速度時的一種運(yùn)轉(zhuǎn)過程。在制動工作狀態(tài)下，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T方向與轉(zhuǎn)速n的方向相反，為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)把系統(tǒng)的機(jī)械能變成為電能輸出。由此可見，制動工作狀態(tài)的實(shí)質(zhì)是，電動機(jī)成為發(fā)電動機(jī)，消耗機(jī)械能。電力拖動系統(tǒng)之所以需要工作在制動狀態(tài)，是生產(chǎn)機(jī)械提出的要求，主要有以下3種情況：(1)生產(chǎn)機(jī)械為加快起動和制動過程，提高生產(chǎn)效率；(2)當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械在高速工作過程中時，根據(jù)需要迅速降為低速或者迅速由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)；(3)有些位能負(fù)載為獲得穩(wěn)定的下放速度。因此，制動工作狀態(tài)在生產(chǎn)實(shí)際中有著很重要的意義1.2、制動與電動的本質(zhì)區(qū)別制動與電動的本質(zhì)區(qū)別是，T與n方向相同，為電動機(jī)運(yùn)行，機(jī)械特性位于一、三象限；T與n方向相反，為制動狀態(tài)，機(jī)械特性位于二、四象限1.3、制動的概括制動是指通過某種方法產(chǎn)生一個與拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相反的阻轉(zhuǎn)矩以阻止系統(tǒng)運(yùn)動的過程。它可以維持受位能轉(zhuǎn)矩作用的拖動系統(tǒng)恒速運(yùn)動，如起重類機(jī)械等速下放重物。列車等速下坡等。也可以用于使拖動系統(tǒng)減速或停車。當(dāng)電動機(jī)功率較大（≥100KW以上），設(shè)備轉(zhuǎn)動慣性GD2較大，且是反復(fù)短時連續(xù)工作制從高速到低速的降速幅度較大，且制動時間亦較短，在這樣使用過程中，為減少制動過程的能量損耗，將動能變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)去，以達(dá)到節(jié)能功效，只要使用能量回饋裝置就可。直流電機(jī)正常工作時，出現(xiàn)制動狀態(tài)情況分析如下：(1)要求停車：切斷電樞電源，自由停車，或小容量電機(jī)切斷電源，機(jī)械抱閘，幫助停車。(2)降速過程中：在降壓調(diào)速幅度比較大時，降速過程中要經(jīng)過制動狀態(tài)。(3)提升機(jī)構(gòu)下放重物：提升機(jī)構(gòu)下放重物時，電動機(jī)要處于制動狀態(tài)。(4)反轉(zhuǎn)：電動機(jī)從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，首先要制動停車，然后才能反向起動，從上面分析可見，制動不能簡單地理解為停車，停車只是制動過程中的一種形式而以。1.4、制動的分類比較常用的制動方法有3種：能耗制動、電源電壓反接制動和回饋制動。能耗制動：能耗制動過程中電動機(jī)與電網(wǎng)隔開，所以不需要從電網(wǎng)輸入電功率，而拖動系統(tǒng)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的電功率完全由拖動系統(tǒng)動能轉(zhuǎn)換而來，即完全消耗系統(tǒng)本身的動能，能耗制動的名稱就是由此而來。這種制動方法的特點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)，簡單；在零速時沒有轉(zhuǎn)矩，可以準(zhǔn)確停車。制動過程中與電源隔離，當(dāng)電源斷電時也可以通過保護(hù)線路換接到制動狀態(tài)進(jìn)行安全停車，所以在不反轉(zhuǎn)以及要求準(zhǔn)確停車的拖動系統(tǒng)中多采用能耗制動。能耗制動方法的缺點(diǎn)是其制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小，因而拖長了制動時間。為了克服這個缺點(diǎn)，在有些生產(chǎn)機(jī)械中采用二級能耗制動的線路。反接制動：反接制動方法在制動過程中要消耗較大的能量，因而從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看不夠經(jīng)濟(jì)。但從技術(shù)的觀點(diǎn)來看，制動效果較好，在整個制動過程中制動轉(zhuǎn)矩都很大，制動時間安較短，并且在轉(zhuǎn)速為零時仍有很大的制動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)不需要停車時，還可以自動反轉(zhuǎn)，再反向起動。因而這種制動方法經(jīng)常用于反轉(zhuǎn)拖動系統(tǒng)，以及作為位能負(fù)載下放重物，以獲得穩(wěn)定的下放速度。回饋(再生發(fā)電)制動：回饋制動時，由于位能負(fù)載的作用，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速，從而使系統(tǒng)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?，其中一部分消耗在電樞回路的電阻上，另一部分電能回饋到電網(wǎng)去。同時，再生發(fā)電制動的名稱也是由此而來?；仞佒苿影涯芰克突仉娋W(wǎng)，是經(jīng)濟(jì)的制動手段，但是由于只能在時才有制動作用，所以應(yīng)用范圍受到限制。本課題重點(diǎn)對電動機(jī)的回饋制動方式進(jìn)行研究。第2章回饋制動2.1、回饋制動條件1.電動機(jī)從高速FH到低速FL減速過程時，頻率可突減，但因電動機(jī)的機(jī)械慣性影響使轉(zhuǎn)差S<0，電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，這時的反電勢E>U（端電壓）。2.從電動機(jī)在某一個fN運(yùn)行,需要停車至fN=0,在這個過程電動機(jī)同樣出現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài),這進(jìn)反動勢E>U端電壓。3.位能(或勢能)負(fù)載,如起重機(jī)吊了重物下降時,出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速n>n0同步轉(zhuǎn)速,這時也出現(xiàn)電動機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)然E>U是必然的。2.2、電動機(jī)回饋制動(如右圖所示)2.2.1、回饋制動的原理2.2.2、回饋制動的機(jī)械特性2.3、回饋制動實(shí)現(xiàn)的條件保持電機(jī)電動狀態(tài)接線不變，由于外界的原因，如電車下坡，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0，電動機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。2.4、位能負(fù)載下放重物時回饋制動回饋制動多用于電力機(jī)車高速下坡或起重類機(jī)械高速下放重物的場合。在調(diào)速的過程中也會出現(xiàn)回饋制動。注意：回饋制動只有在|n|>|n0|時才會出現(xiàn)，故不能用于停車制動中。2.5、直流電動機(jī)回饋制動工作狀態(tài)分析回饋(再生發(fā)電)制動對位能負(fù)載而言，回饋制動狀態(tài)發(fā)生在提升空籠和下放重物兩種情況，下面分別加以介紹。(1)提升空籠。如圖所示，空籠質(zhì)量，系統(tǒng)原來處于正向電動狀態(tài)，T、n、TL各物理量的方向如圖所示。為達(dá)到提升空籠的目的，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T應(yīng)與提升方向(轉(zhuǎn)速n方向)相同，如圖(a)電動機(jī)為正向接線，產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩。正向轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL共同作用使系統(tǒng)正向加速。隨著轉(zhuǎn)速n的增高，反電動勢加大，電樞電流降低，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T亦降低。在圖(c)上沿著第一象限所示的正向電動機(jī)械特性向上變化，到轉(zhuǎn)速時，電勢與外加電源電壓U相平衡，電樞電流，轉(zhuǎn)矩T=0，即圖上所示的B點(diǎn)（0，n0），到B點(diǎn)時雖然電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T為零，但還有負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的作用，仍使系統(tǒng)繼續(xù)加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速n超過時，電動勢大于電網(wǎng)電壓U，電流反向，從而轉(zhuǎn)矩T亦反向，如圖(b)所示，這時轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反，n為正，T為負(fù)，起制動作用。從機(jī)械特性上來看，原來系統(tǒng)工作于電動狀態(tài)時，機(jī)械特性位于第一象限。進(jìn)入回饋制動后，機(jī)械特性位于第二象限，因?yàn)橛呻妱拥交仞佒苿拥倪^程中，電動機(jī)接線未變，參數(shù)也沒改變，所以機(jī)械特性為不過當(dāng)進(jìn)入回饋制動以后，T本身變?yōu)樨?fù)值。所以，如圖(c)所示，BC即為提升空籠時的回饋制動機(jī)械特性。機(jī)械特性斜率仍決定于b值。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)，仍為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其負(fù)載特性位于第二象限，如圖3.15(c)所示。當(dāng)電動機(jī)進(jìn)入回饋制動狀態(tài)后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電動勢增高，反向電流增加，與之對應(yīng)的反向轉(zhuǎn)矩(制動轉(zhuǎn)矩)亦增加。直到負(fù)載特性與電動機(jī)機(jī)械特性交于一點(diǎn)C，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，系統(tǒng)以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速提升空籠。由圖(b)，可以寫出電樞回路的電壓平衡方程式上式兩端同乘以電流，可得其功率平衡方程式式中——電動機(jī)向電網(wǎng)回饋的電功率(W)；——電樞回路電阻上消耗的電功率(W)；——由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率(W)。從以上可以看出，回饋制動時，由于位能負(fù)載的作用，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速，從而使系統(tǒng)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?，其中一部分消耗在電樞回路的電阻上，另一部分電能回饋到電網(wǎng)去。同時，再生發(fā)電制動的名稱也是由此而來。(2)下放重物。如圖3.16(a)所示，貨籠中有重物，重物連同貨籠總質(zhì)量仍為。。因?yàn)橐路胖匚?，轉(zhuǎn)速n為負(fù)；電動機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)與下放方向(轉(zhuǎn)速n方向)相同，該轉(zhuǎn)矩T為負(fù)，所以電動機(jī)要反向接線；負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為正。各物理量的方向如圖(a)所示。當(dāng)下放重物時，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL方向相同，二者的共同作用使系統(tǒng)反向加速，使電動機(jī)工作在反向電動狀態(tài)。同理，隨著轉(zhuǎn)速n的增高，反電動勢加大。電樞電流降低，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦降低。在圖(c)上，機(jī)械特性沿著第三象限所示的反向變化。到時，電動勢E與外加電源電壓U相平衡，電樞電流I=0，轉(zhuǎn)矩T=0，即圖(b)上所示的F點(diǎn)(0，)。到F點(diǎn)時，雖然電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T為零，但還有負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的作用，仍使系統(tǒng)繼續(xù)反向加速。但轉(zhuǎn)矩T亦改變方向，如圖(b)所示。這時轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩起制動作用，機(jī)械特性位于第四象限。因?yàn)橛煞聪螂妱拥交仞佒苿拥倪^程中，電動機(jī)接線未變，參數(shù)也沒變，所以機(jī)械特性方程式為式中為負(fù)，T為正，由上式可見，這時，如圖(c)所示的FG段。電動機(jī)進(jìn)入回饋制動狀態(tài)后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電勢增加。電樞電流增加，與之對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩(制動轉(zhuǎn)矩)增加，負(fù)載特性與機(jī)械特性交于一點(diǎn)G，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，系統(tǒng)以穩(wěn)定速度下放重物。同理，可以寫出這時電樞回路的電壓平衡方程式同式，可得功率平衡方程式同式。因此，下放重物和提升空籠這兩種回饋制動時的能量關(guān)系相同，它們都是系統(tǒng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，其中一部分消耗在電樞回路電阻上，其余部分電能回饋到電網(wǎng)中，而且轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速。(3)電動機(jī)由高速向低速變速。上面的情況都是由于位能負(fù)載的作用，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速，從而使電動機(jī)進(jìn)入回饋(再生發(fā)電)制動狀態(tài)。但是在生產(chǎn)實(shí)際中，當(dāng)電動機(jī)由高速向低速變速的過程中，在新的理想空載轉(zhuǎn)速低于運(yùn)轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)速時也要產(chǎn)生回饋(再生發(fā)電)制動過程?；仞佒苿影涯芰克突仉娋W(wǎng)，是經(jīng)濟(jì)的制動手段，但是由于只能在時才有制動作用，所以應(yīng)用范圍受到限制。2.6、正向回饋制動他勵直流電動機(jī)通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點(diǎn)經(jīng)過第II象限，如圖中的BC段，轉(zhuǎn)速為正而電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電動機(jī)運(yùn)行于制動狀態(tài)。在這一過程中，由于電源電壓下降，使得Ea>U,電流方向改變，電能從電動機(jī)回饋到電源。在電力機(jī)車下坡時，由于重力作用使得電動機(jī)轉(zhuǎn)速高于原來的空載轉(zhuǎn)速，Ea增大，超過U以后，電流也會反向，進(jìn)入正向回饋制動狀態(tài)。2.7、反向回饋制動他勵電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行。反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點(diǎn)將會穩(wěn)定在第iv象限。在D點(diǎn)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，Ea>U，電流流向電源，屬于反向回饋制動。反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了限制高速下放速度，一般在回魁制動時，將電樞回路串聯(lián)的電阻切除。第3章回饋制動的應(yīng)用領(lǐng)域3.1回饋制動的優(yōu)點(diǎn)電動機(jī)直接接到電網(wǎng)時，電機(jī)發(fā)出的電向電網(wǎng)回饋，但是這樣對電網(wǎng)有較大的影響，如果電機(jī)由變頻器拖動時，由于變頻器有中間儲能環(huán)節(jié)，其儲能是有限的，故電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時對變頻器有較大的威脅。變頻器在處理電機(jī)的再生發(fā)電時，有多種制動方法，如能耗制動、儲能制動、回饋制動等。對能耗制動方法，電機(jī)發(fā)出的電會白白的浪費(fèi)，同時能耗電阻會經(jīng)常損壞；儲能制動方法中儲能也是有限的，同樣對變頻器有威脅，能量回饋是處理再生發(fā)電的好方法，又是制動的好方法。它保證了變頻器的安全、節(jié)約了能量、同時增強(qiáng)了電機(jī)的制動功能。3.2回饋制動的缺點(diǎn)只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)電壓波動不大于10%），才可以采用這種回饋制動方式。因?yàn)樵诎l(fā)電制動運(yùn)行時，電網(wǎng)電壓故障時間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。在回饋時，對電網(wǎng)有諧波污染；控制復(fù)雜，成本較高。3.3回饋制動的控制在回饋制動中，合理的控制回饋電流大小也是至關(guān)重要，回饋電流的大小必須滿足能量回饋功率的要求，如果系統(tǒng)回饋功率小于電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時的輸出功率，在變頻器的公共直流母線上電壓就會繼續(xù)升高。由于電網(wǎng)電壓是一定的，系統(tǒng)回饋功率的大小是由回饋電流的大小決定的。另外回饋電流的大小必須控制在所使用的IGBT的額