項(xiàng)目七 任務(wù)4他勵直流電動機(jī)的制動控制

項(xiàng)目七：軋鋼機(jī)電動機(jī)的調(diào)速控制4123直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)他勵直流電動機(jī)的起動與反轉(zhuǎn)他勵直流電動機(jī)的制動控制他勵直流電動機(jī)的調(diào)速控制5直流電動機(jī)的方程式和機(jī)械特性1.制動目的：一、直流電動機(jī)制動的基礎(chǔ)知識1）能耗制動2）反接制動3）發(fā)電回饋制動4.常用的電氣制動方法機(jī)械制動、電氣制動。讓電動機(jī)快速停車或勻速運(yùn)行(安全保護(hù))。3.制動方法：2.制動要求：制動迅速、平滑、可靠，能量損耗少。電氣制動——使電動機(jī)產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速n方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩T，依靠電磁轉(zhuǎn)矩T的阻礙作用讓電動機(jī)減速或者停轉(zhuǎn)。機(jī)械制動——在切斷電樞繞組的電源后，利用機(jī)械裝置迫使電動機(jī)停轉(zhuǎn)。二、他勵直流電動機(jī)能耗制動電動狀態(tài)制動狀態(tài)能耗制動過程中，電動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電樞回路的電阻上，因而得名能耗制動。對正在電動運(yùn)行的他勵直流電動機(jī)，保持其勵磁回路狀態(tài)不變，切除電樞回路的電源，迅速接入一個外加制動電阻Rbk構(gòu)成閉合回路。1.實(shí)現(xiàn)方法RbnIaTEaEa=CeΦnT=CTΦIa★電動狀態(tài)：運(yùn)行點(diǎn)在固有機(jī)械特性1上的a點(diǎn)n=-

Ra＋Rb

CeCTΦ2TUa=0，n0=0；串入Rb，β增大。2.能耗制動過程分析制動狀態(tài)bTLa2n=-

T

=n0-βTUaCeΦ

RaCeCTΦ2★能耗制動狀態(tài)：運(yùn)行點(diǎn)在人為機(jī)械特性2上電動機(jī)處于電氣制動狀態(tài)時，運(yùn)行點(diǎn)一定位于第Ⅱ或者第Ⅳ象限的機(jī)械特性上。因?yàn)橹挥性诘冖蚝偷冖粝笙蓿姶呸D(zhuǎn)矩T與電動機(jī)轉(zhuǎn)速n才是反向的。na=nb，Ea=Eb→Ia反向(Ia＜0)→T反向(T＜0)，制動開始→在T和TL共同作用下→n

→O點(diǎn)。n=0，Ea=0，Ua=0，Ia=0，T=0，TL=0→電動機(jī)停轉(zhuǎn)。在O點(diǎn):

bTLaTL2制動過程一直在減速1）帶反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動能耗制動（Ua=0）瞬間，在機(jī)械慣性作用下，運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)躍變到b點(diǎn)，然后沿人為機(jī)械特性2下行：Ua=Ea+RaIa他勵直流電動機(jī)Ea=CeΦnT=CTΦIa2.能耗制動過程分析2）帶位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動n=0，Ea=0，T=0，TL≠0→電動機(jī)在TL作用下反向起動(n＜0)在O點(diǎn)，與帶反抗性負(fù)載不同：→Ea反向(Ea＜0)→T再次反向(T＞0，制動)→在TL(大)和T

(小)作用下

n

→Ea

→Ia

→T

→到達(dá)c點(diǎn)，T=TL

，電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。a點(diǎn)→b點(diǎn)→O點(diǎn)，與帶反抗性負(fù)載相同：能耗制動時，n不反向(n＞0)，Ia和T都反向(Ia＜0，T＜0)，運(yùn)行點(diǎn)沿人為機(jī)械特性2下行。反向起動制動減速能耗制動運(yùn)行→Ia再次反向(Ia＞0)c點(diǎn)為能耗制動運(yùn)行點(diǎn)：在c點(diǎn)，n和Ea為負(fù)，Ia和T為正，T為制動轉(zhuǎn)矩。結(jié)論：1）直流電動機(jī)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動時，當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降到0時，電動機(jī)就停轉(zhuǎn)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL帶動下，電動機(jī)會反向起動并加速，運(yùn)行點(diǎn)沿著人為機(jī)械特性進(jìn)入第Ⅳ象限，并最終在第Ⅳ象限能耗制動穩(wěn)定運(yùn)行。反向起動制動減速能耗制動運(yùn)行2）直流電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動時，當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降到0時，電動機(jī)不會停轉(zhuǎn)！2）帶位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動制動過程(第Ⅱ象限)電動狀態(tài)(第Ⅰ象限)Tn能耗制動運(yùn)行(反向起動進(jìn)入第Ⅳ象限)＋UfN－RbTLMIaTnTL＋UfN－RbMIaEa對反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：Ea3.能耗制動原理圖對位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：n=0時會停車(在O點(diǎn))＋UfN－RbM直流電動機(jī)單向旋轉(zhuǎn)能耗制動電氣控制原理圖電源接觸器切除起動電阻接觸器制動接觸器電壓繼電器電樞電動勢降至一定值時釋放，讓KM4斷電結(jié)束能耗制動。制動電阻過電流繼電器欠電流繼電器斷電延時型時間繼電器斷電延時型時間繼電器起動電阻4.電樞串電阻起動、能耗制動控制電路三、他勵直流電動機(jī)反接制動1.電樞反接制動（迅速停車或反轉(zhuǎn)）

電動狀態(tài)(第Ⅰ象限)Tn反接制動狀態(tài)(第Ⅱ象限)－Ua＋系統(tǒng)的動能和反接電源的電能，均消耗在反接制動電阻Rb上。TL限制反接制動電流Ia反向T反向＋UfN－MEaIaRb2）能量關(guān)系電動運(yùn)行的他勵直流電動機(jī)，保持其勵磁系統(tǒng)不變，把電樞反接在直流電源上，并在電樞回路串接制動電阻Rb。1）實(shí)現(xiàn)方法電動狀態(tài)：運(yùn)行點(diǎn)在固有機(jī)械特性1上n=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

T制動狀態(tài)：運(yùn)行點(diǎn)在人為機(jī)械特性2上n=-Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

Ta點(diǎn)→b點(diǎn)：na=nb，Ea=Eb→Ua反向，Ia反向(Ia＜0)→T反向(T＜0)

→c點(diǎn)

3）電樞反接制動過程→n↓↓

n=0，T≠0。→T和TL共同作用此時如果立刻斷電，電動機(jī)就能準(zhǔn)確停車。

制動過程

應(yīng)立刻斷電c點(diǎn)：

→制動開始若｜T｜<｜TL｜，電動機(jī)堵轉(zhuǎn)。若｜T｜>｜TL｜，電動機(jī)反向起動，運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入第Ⅲ象限，TL反向，仍為阻力矩，T變?yōu)閯恿?，二者在d點(diǎn)平衡，反向電動運(yùn)行。若所帶負(fù)載為反抗性負(fù)載，且未及時斷電，則：在電磁轉(zhuǎn)矩T和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL共同帶動下，電動機(jī)反向起動，運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入第Ⅲ象限，并不斷加速，進(jìn)入第Ⅳ象限。在第Ⅳ象限，轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0，電動機(jī)開始反向發(fā)電回饋制動，最終穩(wěn)定在e點(diǎn)高速運(yùn)行（下放重物）。

制動過程

應(yīng)立刻斷電n=0，T≠0。c點(diǎn)：若所帶負(fù)載為位能性負(fù)載，且未及時斷電，則：e發(fā)電回饋制動3）電樞反接制動過程2.倒拉反接制動（勻速下放重物）

電動狀態(tài)(第Ⅰ象限)T倒拉反接制動狀態(tài)(第Ⅳ象限)n＋UfN－＋Ua－TLMRbIaEa在提升重物的直流電動機(jī)電樞回路中，串接較大的電阻。n電樞回路串入大電阻之初，電動機(jī)仍然是電動狀態(tài)，電樞電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩T的方向都不改變，但是數(shù)值都減小了，電磁轉(zhuǎn)矩T小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，使電動機(jī)減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速n減到0時，T仍小于TL，電動機(jī)反向起動，就進(jìn)入了倒拉反接制動狀態(tài)。1）實(shí)現(xiàn)方法n=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

Tn=Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

T電動穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)(機(jī)械特性1上a點(diǎn))制動穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)(機(jī)械特性2上d點(diǎn))制動狀態(tài)2cbd電動減速反向起動最終，電動機(jī)在第Ⅳ象限的d點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行（低速下放重物）。在c點(diǎn)電動機(jī)反向起動，進(jìn)入第Ⅳ象限，轉(zhuǎn)速n的方向改變，電磁轉(zhuǎn)矩T的方向不變，屬于倒拉反接制動狀態(tài)。電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入大電阻后，運(yùn)行點(diǎn)就躍變到電樞串電阻人為機(jī)械特性2上，在第Ⅰ象限時，轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T的方向都不變，屬于電動減速狀態(tài)。2）制動過程分析電樞回路接入Rb的瞬間→Ia

→T

→T＜TL

→n(由b到c，電動減速)Ea

→Ia

T,T＜TL→n

在c點(diǎn)，n=0，T＜TL→反向起動，進(jìn)入第Ⅳ象限倒拉反接制動3）制動過程的物理原理制動狀態(tài)2cbd電動減速反向起動Ua=Ea+(Ra+Rb)Ia他勵直流電動機(jī)Ea=CeΦnT=CTΦIa電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程:→

n＜0

，|n|

→Ea<0，|Ea|

→Ia

→T

→到d點(diǎn)，T=TL（勻速下放重物）①轉(zhuǎn)子回路串入的電阻的阻值一定要適當(dāng)。4）倒拉反接制動注意事項(xiàng)3②所串電阻Rb阻值越大，人為機(jī)械特性的斜率越大，穩(wěn)定下放重物的速度就越高，如圖中曲線2’所對應(yīng)的d’點(diǎn)。③當(dāng)所串電阻Rb阻值太小時，人為機(jī)械特性的斜率不夠大，電動機(jī)就不能進(jìn)入倒拉反接制動狀態(tài)，如圖中曲線3所對應(yīng)的e點(diǎn)，處于低速電動提升重物的狀態(tài)。en=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

Tn=Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

T電動穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)(機(jī)械特性1上a點(diǎn))制動穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)(機(jī)械特性2上d點(diǎn))該電路控制他勵直流電動機(jī)按時間原則串電阻兩級起動，帶動設(shè)備自動往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，以反接制動加快換向過程。3.直流電動機(jī)可逆旋轉(zhuǎn)反接制動控制電路由靜止開始正轉(zhuǎn)起動時的電樞電路同時合上Q1、Q2，按下正轉(zhuǎn)起動按鈕SB2，KM1得電動作，電樞繞組接入正轉(zhuǎn)直流電源（左端接正極，右端接負(fù)極）。KM1觸點(diǎn)動作，使得KV1、KT2、KT1得電動作，緊接著KM5得電動作短接電阻R4和KT1線圈，KT1線圈失電延時中，串入起動電阻（R2+R1）正向起動。KT1延時結(jié)束常閉觸頭復(fù)位，KM3得電動作，短接電阻R1和KT2線圈，KT2延時中，保留起動電阻R2繼續(xù)起動。KT2延時結(jié)束常閉觸頭復(fù)位，KM4得電動作，短接電阻R2，起動電阻全部被切除，起動結(jié)束，M額定運(yùn)行，帶動運(yùn)動部件前進(jìn)。前進(jìn)到位，壓下限位開關(guān)SQ1，KM1失電（KV1、KM3、KM4、KM5線圈相繼斷電），切斷M正轉(zhuǎn)電源，接著KM2得電，接通M反轉(zhuǎn)電源（右正極，左負(fù)極），M串兩級電阻反向起動。工作過程分析正轉(zhuǎn)變反轉(zhuǎn)時的反接制動電樞電路正反轉(zhuǎn)電樞電源換接時，由于機(jī)械慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電樞電動勢EM的大小和方向都來不及變化，EM的方向與電樞所串電阻的電壓降方向相反。當(dāng)轉(zhuǎn)速n≈0時，EM≈0，KV2線圈電壓加大使其常開觸點(diǎn)閉合，KM5得電，短接反接制動電阻R4，同時KT1線圈斷電開始延時，電動機(jī)串入電阻R1+R2反向起動。轉(zhuǎn)速n降低，使電樞電動勢EM減小，KV2線圈電壓逐漸增加。加在KV2上的電壓（EM與電阻電壓降之代數(shù)和）很小，KV2不能動作，KM3~KM5線圈都不得電，串入全部電阻（R2+R1+R4）反接制動，轉(zhuǎn)速n迅速下降。KT1延時結(jié)束常閉觸頭復(fù)位，KM3得電動作，短接電阻R1和KT2線圈，KT2延時中，保留起動電阻R2繼續(xù)起動。KT2延時結(jié)束常閉觸頭復(fù)位，KM4得電動作，短接電阻R2(切除全部電阻)，起動結(jié)束，M額定運(yùn)行，帶動運(yùn)動部件后退。工作過程分析四、發(fā)電回饋制動常用的兩種發(fā)電回饋制動：在某條件下，當(dāng)直流電動機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0的情況時，電樞電動勢Ea大于電樞電壓Ua，電樞電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩T都反向，向電源回饋電能，但轉(zhuǎn)速n方向不變，電動機(jī)處于制動狀態(tài)。1.位能性負(fù)載拖動電動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電回饋制動保持直流電動機(jī)電動狀態(tài)的接線不變，拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能使電動機(jī)加速運(yùn)行至發(fā)電回饋制動狀態(tài)。2.降低電樞電壓調(diào)速的發(fā)電回饋制動保持直流電動機(jī)電動狀態(tài)的接線不變，通過降低電樞電壓使轉(zhuǎn)速由高速變?yōu)榈退俚倪^程中，電動機(jī)可能就會經(jīng)歷一段發(fā)電回饋制動狀態(tài)。1）直流電動機(jī)拖動電車在平路上電動運(yùn)行直流電動機(jī)拖動電力機(jī)車在平路上運(yùn)行時，電磁轉(zhuǎn)矩T是動力矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，它屬于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，是阻力矩。此時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n低于理想空載轉(zhuǎn)速n0，電樞電壓Ua大于電樞電動勢Ea，電動機(jī)處于電動狀態(tài)。1.位能性負(fù)載拖動電動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電回饋制動2）直流電動機(jī)拖動電車下坡的發(fā)電回饋制動直流電動機(jī)拖動電力機(jī)車下坡時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是摩擦轉(zhuǎn)矩Tf和機(jī)車的重力轉(zhuǎn)矩TW之和，摩擦轉(zhuǎn)矩Tf仍然是阻力矩，重力轉(zhuǎn)矩TW是動力矩，電磁轉(zhuǎn)矩T變成阻力矩。此時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電動狀態(tài)時方向相同，但數(shù)值高于理想空載轉(zhuǎn)速n0，電樞電壓Ua小于電樞電動勢Ea。電樞電動勢Ea向電網(wǎng)供電，電動機(jī)處于發(fā)電回饋制動狀態(tài)。1.位能性負(fù)載拖動電動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電回饋制動合成負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL2是動力矩，剛下坡時，TL2和電磁轉(zhuǎn)矩T一起使電機(jī)加速→運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入第Ⅱ象限→n＞n0→Ea＞Ua→Ia＜0→T＜0，制動開始，|T|

→到達(dá)b點(diǎn)，TL2=T，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。3）電車下坡的發(fā)電回饋制動過程分析OTn1n0TL12TL23ab電車在平地行駛時，電動機(jī)在a點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，T=TL1=Tf，電動狀態(tài)。電車下坡時對應(yīng)的電動機(jī)機(jī)械特性，是固有機(jī)械特性在第Ⅱ象限的延伸段，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)為b點(diǎn)，回饋制動。

直流電動機(jī)將電車下坡時失去的位能變成電能，小部分消耗在電樞繞組上，大部分回饋給電網(wǎng)，為發(fā)電回饋制動狀態(tài)。TL1=Tf

>0TL2=Tf

-TW<0電動狀態(tài)制動狀態(tài)此時，合成負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL2是拖動轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩T是制動轉(zhuǎn)矩，抑制了轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，使電車穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速nb勻速下坡。電動狀態(tài)(第Ⅰ象限)n

→Ea

→Ia(T)

→n=n0,

Ea=Ua,T=0發(fā)電回饋制動狀態(tài)(第Ⅱ象限)n

→Ea

(＞Ua)→Ia(T)＜0→|T|

nTEa＋Ua－Ia＋UfN－TLM4）發(fā)電回饋制動原理分析n＋UfN－＋Ua－TLMEa＋UfN－＋Ua－TLIanMTEa＋UfN－＋Ua－TLnIaMTEa電動加速(第Ⅰ象限)位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩使n=n0(運(yùn)行點(diǎn)在縱坐標(biāo)軸上)2.降低電樞電壓調(diào)速的發(fā)電回饋制動在額定電樞電壓下，直流電動機(jī)在固有機(jī)械特性曲線上的a點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速na穩(wěn)定運(yùn)行，為電動狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至n01之后，電磁轉(zhuǎn)矩T再次反向，變?yōu)橥蟿愚D(zhuǎn)矩，電動機(jī)恢復(fù)電動狀態(tài)，運(yùn)行點(diǎn)回到第Ⅰ象限。剛進(jìn)入第Ⅰ象限時，T小于TL，電動機(jī)電動減速，T開始增大。T增大到等于TL時，電動機(jī)在a’點(diǎn)以低于na的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速n不能突變，降壓瞬間，運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)躍變到b點(diǎn)，nb=na>n01，Ea>U1，電樞電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩T都反向，T變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，與TL共同作用使轉(zhuǎn)速迅速下降，動能變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，區(qū)間nb至n01為發(fā)電回饋制動狀態(tài)。當(dāng)電樞電壓降為U1時，理想空載轉(zhuǎn)速降為n01，運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)換到U1對應(yīng)的人為機(jī)械特性上。電動減速發(fā)電回饋制動五、三種電氣制動方法的比較制動方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場合能耗制動1）制動線路簡單、制動平穩(wěn)可靠，制動過程不吸收電能，經(jīng)濟(jì)、安全。2）能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。制動效果隨轉(zhuǎn)速下降而成正比地減小。要求平穩(wěn)減速的場合，例如：反抗性負(fù)載準(zhǔn)確停車，也用于下放重物。反接制動1）電樞反接制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化較小，制動轉(zhuǎn)矩較恒定，制動強(qiáng)烈而迅速。2）倒拉反接制動的轉(zhuǎn)速可以很低，安全性好。1）電樞反接制動有自動反轉(zhuǎn)的可能，在轉(zhuǎn)速接近0時，應(yīng)及時切斷電源，能量損失大。2）倒拉反接制動要從電網(wǎng)吸收大量的能量。1）電樞反接制動應(yīng)用于頻繁正、反轉(zhuǎn)切換的電力拖動系統(tǒng)中。2）倒拉反接制動不能用于停車，只能應(yīng)用于起重設(shè)備以較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下放重物的場合。發(fā)電回饋制動1）制動簡單可靠，無需改變電動機(jī)接線。2）能量反饋給電網(wǎng)，比較經(jīng)濟(jì)。1）在轉(zhuǎn)速|(zhì)n|＞|n0|時才能制動，應(yīng)用范圍較窄。2）不能實(shí)現(xiàn)停車。1）應(yīng)用于穩(wěn)定、高速下放位能性負(fù)載的場合。2）在降壓和減弱磁通調(diào)速的過渡過程，都可能