第一篇：直流電動機能耗制動

直流電動機能耗制動仿真

實驗目的：

他勵直流電動機的制動有三種，能耗制動、反接制動和回饋制動。實驗設備及器件：

計算機，一臺（MATLAB）。實驗內容：

建立仿真模型；通過圖形驗證。實驗要求：

能夠正確使用simulink建立仿真模型，并觀察分析圖形。1.直流電動機能耗制動仿真模型圖

圖中的模塊有電路改變連接控制模塊（Vary Connect）和仿真停止控制模塊。仿真停止控制模塊包括邏輯比較模塊（Relation operator）和仿真停止模塊（Stop simulation），仿真停止控制部分實現了當轉速小于零時將仿真停止的功能，無須等到仿真時間結束，這樣使仿真結果符合實際（轉速不為負）設計。其他模塊包括：直流電動機、信號發生器(Timer)、增益、電阻（RLC branch）、示波器（scope）、信號分離模塊（Demux）。

電路改變連接模塊：

對其進行封裝：調用子系統（subsystem），按上述圖連接。然后右鍵點擊edit Mask。如下圖設置：

設置完成后；雙擊子模塊出現

模塊參數設置：

直流電機模塊參數：

直流電源模塊參數：

增益模塊

仿真時間設置10s

第二篇：他勵直流電動機制動課程設計 0430 崔善澤

課程設計報告

設計題目：

他勵直流電動機制動課程設計

學

校：

華東交通大學理工學院 學 生

姓 名：

崔 善 澤

專

業：

電氣工程及其自動化

班

級：

電牽2班

學

號：

20***0

指 導

教 師：

李 房 云

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動，在關鍵點的(電動機的瞬時態)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解 T，TL，To之間的關系。

關鍵詞

制動

能耗制動

反接制動

回饋制動

迅速停機 放下重物

目錄

前言…………………………………………………………………………… 3 第1章 直流電動機的工作原理………………………………………………4 第2章 他勵直流電動機的電路模型…………………………………………5 第3章 他勵直流電動機的機械特性…………………………………………5 3.1 機械特性表達式……………………………………………………… 5

3.2 固有機械特性………………………………………………………… 6 3.3 人為機械特性………………………………………………………… 7 第4章 他勵直流電動機的制動………………………………………………9 4.1 能耗制動……………………………………………………………… 9 4.2 反接制動……………………………………………………………… 13 4.3 回饋制動……………………………………………………………… 17 第5章 他勵直流電動機制動設計……………………………………………21 第6章 總結……………………………………………………………………22 致謝…………………………………………………………………………… 23

前言

電機與拖動是自動化專業的一門重要專業基礎課。它主要是研究電機與電力拖動的基本原理，以及它與科學實驗、生產實際之間的聯系。通過學習使學生掌握常用交、直流電機、變壓器及控制電機的基本結構和工作原理；掌握電力拖動系統的運行性能、分析計算，電動機選擇及實驗方法等。

電機與拖動課程設計是理論教學之后的一個實踐環節，通過完成一定的工程設計任務，學會運用本課程所學的基本理論解決工程技術問題，為學習后續有關課程打好必要的基礎。電動機所驅動的負載，有時候要求從高轉速迅速降為低轉速，甚至停轉、反轉，就需要對電動機采取措施以保證負載的要求，這種措施稱為電動機的制動。制動的基本原理是使電動機轉子上產生一個反力矩，具體有三種方法，即能耗制動、反接制動、回饋制動。

第1章

1.1直流電動機的工作原理

直流的電動機是將輸入的直流電能轉變為機械能的電氣設備，即有直流電能→機械能。

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。

a）b)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，根據左手定理可知導線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為有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。

第2章

2.1 他勵直流電動機的電路模型

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2-1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。

勵磁電流：If?UfRf

電樞電流：Ua?E?RaIa

Ia?Ua?ET?

CT?Ra電動機的轉速：n?UaRa?T 2CE?CECT?第3章 他勵直流電動機的機械特性

3.1機械特性表達式

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

T?CT?Ia

Ea?Ce?n

U?Ea?IaR

可得，他勵電動機的轉速與轉矩之間有如下關系

n?UaRa?T?no??n?no??T 2CE?CECT?其中稱為理想空載轉速

n0?UCe?

β機械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性，其值為：

??Radn

?2dTCECT??n是轉速差，其值為：

?n?no?n??T

機械特性的硬度為：

??dT1? dn?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。

3.2 固有機械特性

由方程式n?UnRa得到他勵電動機的固有特性，如圖3-1所示，?2Ce?nCeCT?n由于電樞電阻Ra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。這是電動機的電壓、電流、功率和轉速都等于額定值。額定狀態說明了電動機的長期運行能力。

nnonNNMnM

OTNTMT

圖3-1 他勵電動機的固有特性

固有特性上的M點對應于電動機的臨界狀態。這時的電樞電流Ia等于換向所允許的最大電樞電流Iamax??1.5~2.0?IaN。對應轉矩TM是電動機所允許的最大轉矩。臨界狀態說明了電動機的短時過載能力。

3.3 人為機械特性

1、增加電樞串接電阻的人為機械特性

在他勵直流電動機的電樞電路中串入外接電阻，根據公式

n?R?RfU?aT 2CE?CECT?這時相當于電路電樞電阻Ra增加，理想空載轉速no不變，?增加，機械特性硬度?減小，機械特性如圖3-2所示，串入電阻越大，人為特性斜率?越大，硬度?越小。

圖3-2 增加電樞電路電阻時的人為特性

2、降低電樞電壓時的人為機械特性

Ua

當降低電樞電壓時，降低時，no減小，?不變，?不變，人為特性如圖3-3所示，機械特性平行下移。

圖3-3 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If，則磁通?減小，no增加，?增加，?減小，人為特性如圖3-4所示。

圖3-4 減弱勵磁電流時的機械特性

第4章 他勵直流電動機的制動

他勵直流電動機的制動方法有：能耗制動，反接制動，回饋制動

4.1 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，電動機的轉速從穩態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，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，串聯一個制動電阻Rb，使電機處于發電狀態，將系統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。

4.1.1 能耗制動過程——迅速停機

制動前后如圖4-1所示，與電動狀態相比，制動時，系統因慣性繼續旋轉，n方向不變，由于磁場方向不變，故E方向也不變。由于電源被切除，電樞通過制動電阻Rb短接，電動勢將產生與電動狀態時方向相反的電樞電流，Ia反向，10 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，Ia=0，制動轉矩T自動消失。

a）電動狀態

IaT +E-M—--Ufnb）制動狀態

圖4-1 能耗制動迅速停機的電路圖

上述制動過程也可以通過機械特性來說明，電動狀態是的機械特性如圖4-2中的特性1，n與T的關系為

n?UnRa?T

2Ce?nCeCT?n能耗制動時，Ua=0，電樞回路中又增加制動電阻Rb，故

n??Ra?RbCeCT?n2T

機械特性如圖4-2中的特性2，它是一條通過原點、位于2、4象限的直線。

圖4-2 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TL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也自動變為零，制動過程結束。

能耗制動過程的效果與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，則Ia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點時的電樞電流Iab不得超過Iamax。由圖3-1（b）可知Iab?EbIamaxEb式中，Eb?Ea，是工作于b

Ra?Rb點和a點時的電動勢。由此可得Ra?-Ra

4.1.2 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4-3所示。制動前，系統工作在機械特性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。在需要穩定下放重物時，讓電動機處于能耗制動狀態。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 12 工作點達到0點時，T=0，但TL＞0，在重物的重力作用下，系統反向啟動，工作點將由0點下移到c點，T=TL，系統重新穩定運行，這時n反向，電動機穩定下放重物。由于下放重物時，電動機是穩定運行在能耗制動狀態。

圖4-3 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Ia和T也隨之反向，兩者的不同如圖4-4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。

能耗制動運行的效果與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，特性2的斜率小，轉速低，下放重物慢。由圖4-4（b）可知，工作在c點時，只取各量的絕對值，而不考慮正、負，則

Ra?Rb?EcCE?nn

??CECT?2TIacTL?T0CT?下放重物時，T0與TL方向相反，與T方向相同，故T=TL-T0。可見，若要以轉速n下放負載轉矩為TL的重物時，制動電阻應為

Rb?CECT?2n?Ra

TL?TO 13 忽略T0，則

Rb?CECT?2EbIamaxn?Ra TLRb的結果應與式Ra?-Ra校驗是否合適。

a）能耗制動過程

（b）能耗制動運行

圖4-4 能耗制動過程與能耗制動運行得比較

4.2 反接制動

4.2.1 電壓反向反接制動——迅速停機

當電動機在電動運轉狀態下以穩定的轉速n運行時候，如圖4-5所示，為了使工作機構迅速停車，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，并同時串入電阻，如圖4-6所示。由于電樞反接這樣操作，制動作用會更加強烈，制動更快。電機反接制動時候，電網供給的能量和生產機械的動能都消耗在電阻Ra+Rb上面。

IaTUan+MEUf-(a)電動狀態 圖4-5 制動前的電路圖

RbIaTUaMn+EUf-(b)制動狀態

圖4-6 制動后的電路圖

同時也可以用機械特性來說明制動過程。電動狀態的機械特性如下圖三的特性1，n與T的關系為

E?CE?nT?CT?IaE?Ua?RaIan?U?RaIaURaE?a?a?TCE?CE?CE?CECT?2

電壓反向反接制動時，n與T的關系為

UaRa?Rbn??(?T)2CE?CECT?

其機械特性如圖4-7中的特性2。設電動機拖動反抗性恒轉矩負載，負載特性如圖4-7中的特性3。

2n no 3a1bTLcoTLT

圖4-7 反接制動迅速停機過程

制動前，系統工作在機械特性1與負載特性3的交點a上，制動瞬間，工作點平移到特性2上的b點，T反向，成為制動轉矩，制動過程開始。在T和TL的共同作用下，轉速n迅速下降，工作點沿特性2由b移至c點，這是n?0，應立即斷開電源，使制動過程結束。否則電動機將反向起動，到d點去反向穩定運行。電壓反向反接制動的效果與制動電阻Rb的大小有關，Rb小，制動過程短，停機快，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點時的電樞電流Iab不得超過Iamax?(1.5?2.0)IaN。由圖4-7可知，只考慮絕對值時

Iab?Ua?Eb

Ra?Rb式中，Eb=Ea。由此求得電壓反接制動的制動電阻為

Rb?Ua?Eb?Ra Iamax4.2.2 電動勢反向反接制動——下方重物

制動前的電路如圖4-8所示，制動后的電路如圖4-9所示。制動時，電樞電壓不反向，只在電樞電路中串聯一個適當的制動電阻Rb。機械特性方程邊變為

n?UaR?Rb?aT CE?CECT?2 16

IaIUan+MEUf-(c)電動狀態

圖4-8制動前的電路圖

RbIaIUaMn-EUf+(d)制動狀態

圖4-9 制動后的電路圖

若電動機拖動若電動機拖動位能性恒轉矩負載，則如圖4-10所示。制動前，系統工作在固有特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，工作點由a平移到人為特性上的b點。由于T?TL錯誤！未找到引用源。，n下降，工作點沿特性2由b點向c點移動。當工作點到達c點時，T?Tc錯誤！未找到引用源。，但TL?Tc錯誤！未找到引用源。，在重物的重力作用下，系統反向起動，工作點由c點下移到d點，T?Tc錯誤！未找到引用源。，系統重新穩定運行。這是n反向，電動機處在制動運行狀態穩定下放重物。

在這種情況下制動運行時，由于n反向，E也隨之反向，由圖可以看出，這時E與Ua的作用方向也變為一致，但錯誤！未找到引用源。和T的方向不變，T與n方向相反，成為制動轉矩，與負載轉矩保持平衡，穩定下放重物。所以這種反接制動稱為電動勢反向的反接制動運行。

電動勢反接制動的效果與制動電阻Rb的大小有關。Rb錯誤！未找到引用源。小，特性2的斜率小，轉速低，下放重物滿。由圖五知，在d點運行時，為簡化 分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則

Ra?Rb?Ua?EdCT??(Ua?CE?n)IadT可見，若要以轉速n下放負載轉矩為TL的重物，制動電阻應為

Rb?忽略To，則

Rb?CT?(Ua?CE?n)?Ra

TL?ToCT?(Ua?CE?n)?Ra TLn3n0abocTCTLTd圖4-10反接制動下放重物過程

4.3 回饋制動

4.3.1 正向回饋制動——電車下坡

電車在平地行駛或上坡時，負載轉矩TL阻礙電車前往行駛。如圖4-11所示：

圖4-11 回饋制動電車下坡過程

系統工作在機械特性與負載特性2的交點a上。電車下坡時，TL反向變成幫助電車往下行駛，負載特性變為特性3。在T和?TL的共同作用下，n加速，工作點由a點沿特性1向上移動。到達n0時，T?0，但?TL?0，即-TL與n方向相同，在?TL作用下，電機繼續加速，工作點越過n0繼續向上移動。這時T反向，成為阻止電車下坡的制動轉矩。但?TL?T，工作點繼續上移，直至機械特性1與負載特性3的交點b為止，T??TL，電車恒速往下行駛。自從工作點越過n0后，n?n0，使得E?Ua，電動機就進入了回饋制動過程，到達b點后，電機便處于回饋制動運行。由于這種回饋制動，電樞電壓方向沒有改變，故稱正向回饋制動。正向回饋制動與電機狀態相比，雖然n、E、Ua的方向都未改變，但因E?Ua，使得Ia以及T反向，兩者的區別如圖4-12所示：

（a）電動狀態（b）制動狀態

圖4-12 正向回饋制動時的電路圖

正向回饋制動在調速過程中也時常出現，當電動機減速時，若減速后的理想空載轉速低于減速前的轉速，電機便會在調速過程的某一階段處于正向回饋制動過程。如圖4-13所示：

（a）改變電樞電壓調速（b）改變勵磁電流調速

圖4-13 調速是出現的正向回饋制動

在改變電樞電壓調速和改變勵磁電流調速時，工作點都要從a點平移到b點，然后經c點到達d點穩定運行。在bc階段，n?n0，電機處于正向回饋制動過程中。它的存在，有利于縮短bc短的時間，加快調速過程。

4.2.2 反向回饋制動——下放重物

制動時，將電樞電壓反向，并在電樞回路中串聯一個制動電阻Rb。制動前后的電路圖如圖4-14所示：

（a）電動狀態（b）制動狀態

圖4-14 反向回饋制動時的電路圖

這時，電動機拖動的是位能性恒轉矩負載。如圖4-15所示：

圖4-15 回饋制動下放重物過程

制動前，系統運行在機械特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，工作點平移到人為特性2上的b點，T反向，n迅速下降。當工作點到達c點時，在T和TL的共同作用下，電動機反向起動，工作點沿特性2繼續下移。到達d點時，轉矩等于理想空載轉矩，T?0，但TL?0，在重物的重力作用下，系統繼續反向加速，工作點繼續下移。當工作點到達e點時，T?TL，系統重新穩定運行。這時的電動機在比理想空載轉速高的轉速下穩定下放重物。

在上述制動過程中，bc段電機處于電壓反向反接制動過程，cd段電機處于反向起動過程，de段電機處于回饋制動過程，在e點電機處于回饋制動運行。由于這種回饋制動是在電樞電壓反向后得到的，故稱反向回饋制動。

反向回饋制動運行時，與圖4-4（a）的電動狀態時相比，如圖4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且E?Ua，Ia方向不變，T方向不變，但與n方向相反，成為制動轉矩。電機處于發電狀態，將系統的動能轉換成電能送回電源。

回饋制動的效果也與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，則特性2的斜率小，轉速低，下放重物慢。

由圖4-14（b）可知，回饋制動運行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則

Ra?Rb?E?UaCE?n?UaCT???（CE?n?Ua）

TIaTCT?可見，若要以轉速n下放負載轉矩TL的重物，制動電阻應為

Ra?CT?（CE?n?Ua）?Ra TL?T0忽略T0，則

Ra?CT?（CE?n?Ua）?Ra TL采用回饋制動下放重物時，轉速很高，超過了理想空載轉矩，要注意轉速不得超過電機允許的最高轉矩（產品目錄或電機手冊中可以查到）。同時還要注意有上式求得的Rb還要滿足Rb?Ua?Eb?Ra的要求。Iamax第5章 他勵直流電動機的制動設計

一臺他勵電動機設PN?22KW,UaN?440V，IaN?65.3?,nN?600r/min，??IaMAX/IaMIN?2，T0忽略不計。拖動TL=0.8TN的反抗性恒轉矩負載，計算電樞電路中應串入的制動電阻值不能小于多少？ 解：由額定數據求得：

UaNRa?P?NIaN22?103440?65.3?1.58??65.3IaNPN22?103E???336.91VIaN65.3CE??CT??E336.91??0.562nN6006060CE???0.562?5.3652?2?3.1460PN6022000TN???N?m?350.32N?m2?nN2?3.14600 迅速停機時：TL?0.8TN?0.8?350.32N?m?280.256N?mIa?TL280.256???52.24?CT?5.365EIamax?Ra?(357.46?1.58)??1.16?2?65.3E?Ua?RaIa?(440?1.58?52.24)V?357.46VRb?即電樞電路中應串入的制動電阻值不能小于1.16?的電阻。

總結

一、能耗制動

制動時在電動機的繞組中串接電阻，電動機相當于發電機，將擁有的的能量轉換成電能消耗在所串聯的電阻上。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，這是電氣的頻率變化的很快，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，這樣就產生反電動勢電動機處于發電狀態，其產生反向電壓轉矩與原電動狀態轉矩相反，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，稱崩升電壓，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，制動電阻流過電源，從而將動能邊熱能消耗電壓隨之下降，待到設定下限時即斷。這種制動方法屬不可控，制動力矩有波動，制動時間是人為設定的。

制動電阻的選取經驗：

<一>電阻值越小，制動力矩越大，流過制動單元的電流越大；

<二>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； <三>制動時間可認為選擇；

<四>小容量變頻器（?7.5Kw）一般是內接制動單元和制動電阻的； <五>當在快速制動出現過電壓時說明電阻值過大來不及放電，應減少電阻值

二、反接制動

直流電動機，將電機的電源正負反接，改變電樞電流的方向，這樣轉矩的方向也改變，使得轉速與轉矩的方向相反交流電機制動采用改變相序的方法產生反向轉矩，原理類似。反接制動力強，制動迅速，控制電路簡單，設備投資少，但制動準確性差，制動過程中沖擊力強烈，易損壞傳動部件。

三、回饋制動

當采用有源逆變技術控制電機時，將制動時再發生 電能逆變為與電網同頻率同相位的交流電回送電網，并將電能消耗在電網上從而實現制動。

致謝

感謝指導老師的指導和解惑，還有同學間的團結協作，密切配合，各抒己見使我的這次課程設計圓滿成功。另外，在設計過程中，也進一步礪練了自己，增強了獨立發現問題、思考并解決問題的能力，相信這些能力對于將來走進就業崗位都會有極大地益處。

通過這次課程設計，使我更進一步了解了直流電動機的工作原理及其起動過程，讓我深刻地了解到前人在科學研究上態度和方法，而且也讓我懂得任何的創新和發現都不是一時一刻可以得到的，必須具有深厚的知識功底，敏銳的洞察力才能告破事情的真相，從根本上理解它，應用它。

參考文獻

[1] 陳勇 羅萍 向敏 電力拖動與控制 北京 人民郵電出版社2011.10 [2] 李嵐 電力拖動與控制 機械工業出版社 2011.1

第三篇：電機與拖動課程設計 他勵直流電動機的回饋制動

遼寧工程技術大學電機與拖動課程設計

第一章

直流電動機工作原理

圖1-1 直流電動機工作原理示意圖

圖1.1是一臺直流電機的最簡單模型。N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導體構成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。

將外部直流電源加于電刷A(正極)和B(負極)上，則線圈abcd中流過電流，在導體ab中，電流由a指向b，在導體cd中，電流由c指向d。導體ab和cd分別處于N、S極磁場中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉矩逆時針方向旋轉，如圖1-1(a)所示。當電樞旋轉180°，導體cd轉到N極下，ab轉到S極下，如圖1-1（b)所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變為由d流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉矩的方向仍是逆時針方同。

由此可見，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。

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第二章

直流電動機的分類

根據勵磁方式的不同，直流電機可以分為他勵、并勵、串勵和復勵四種。

圖2-1 直流電動機按勵磁方式的分類

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第三章

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：

T?CT?Ia

E?CE?n

Ua?E?IaRa

可得，他勵電動機的轉速與轉矩之間有如下關系：

U?IRUIRURaEn??aaa?a?aa?a?T?n0??T

CE?CE?CE?CE?CE?CECT?2當Ua、Ra、?為常數時，n?f?T?為一條向下傾斜的直線，如圖3所示：

圖3-0 他勵直流電動機的固有特性

Ua 稱為理想空載轉速； CE?Ra ?? 稱為機械特性的斜率，大小反映軟特性與硬特性； 2CECT?RaT 稱為負載時的轉速降。

?n??T?CECT?由于電樞電路電阻Ra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。其中： n0? 3

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3.1 固有機械特性

U?UN、???N電樞回路不串電阻時的機械特性。其方程式為：

U?IRUIRURaE n??aaa?a?aa?a?T?n0??T

CE?CE?CE?CE?CE?CECT?2由于Ra較小，特性的斜率?小，所以他勵直流電動機的固有機械特性是一條稍稍向下

傾斜的直線，如3-2所示：

圖3-1 他勵直流電動機的固有特性

固有特性稱為硬特性，其額定轉速變化率為：

?nn0?nNN%?n?100%

N3.2 電樞串接電阻時的人為機械特性

將電樞回路串接電阻，而保持電源電壓和勵磁磁通不變其機械特性如圖3-2所示： 4

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圖3-2 電樞串接電阻時的人為機械特性

與固有機械特性相比，電樞串接電阻時的人為機械特性具有如下一些特點:

1、理想空載轉速與固有特性時相同，且不隨串接電阻Ra的變化而變化；

2、隨著串接電阻的加大，特性的斜率?加大，轉速降落?n加大，特性變軟，穩定性變差；

3、機械特性由與縱坐標軸交于一點?n?n0?但具有不同斜率的射線族所組成；

4、串入的附加電阻越大，電樞電流流過附加電阻所產生的損耗就越大。

3.3 改變電源電壓時的人為機械特性

此時電樞回路附加電阻Rka?0，磁通保持不變。改變電源電壓，一般是由額定電壓向下改變。

由機械特性方程，得出這時的人為機械特性如圖3-3所示。

與固有機械特性相比，當電源電壓降低時，其機械特性的特點為：

1、特性斜率?不變，理想空載轉速n0降低；

2、機械特性曲線平行下移，機械特性由一組平行線所組成；

3、?不變，機械特性的硬度不變。

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圖3-3 改變電源電壓時的人為機械特性

3.4 減小勵磁電流時的人為特性

減小勵磁電流I，則磁通?減小，n0增加，?增加，?減小，人為特性如圖3-4所示：

圖3-4 減小勵磁電流時的人為特性

第四章 他勵直流電機的制動

為了滿足生產和生活的需要，電力拖動系統往往需要使電動機盡快停轉或者由高速運行迅速轉為低速運行，為此需要對電動機進行制動，同時對于位能性負載的工作結構，為

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了獲得穩定的下降速度也需要對電動機進行制動。

制動是電動機一個重要的運行狀態，其運行的特點是電磁轉矩Tm的方向與旋轉方向n相反。

4.1 他勵直流電動機的制動種類

他勵直流電動機的制動方法包括能耗制動、反接制動和回饋制動三種。

4.2 回饋制動

他勵電動機回饋制動的特點是：使電動機的轉速大于理想空載轉速，因而E?Ua，電機處于發電狀態，將系統的動能轉換成電能回饋給電網。

回饋制動又分為以下兩種類型。

4.2.1 正向回饋制動——電車下坡

電車在平地行駛或上坡時，負載轉矩TL阻礙電車前往行駛。如圖4-1所示：

圖4-1 回饋制動電車下坡過程

系統工作在機械特性與負載特性2的交點a上。電車下坡時，TL反向變成幫助電車向下加速行駛，負載特性變為特性3。在T和?TL的共同作用下，n加速，工作點由a點沿特性1向上移動。到達n0時，T?0，但?TL?0，即-TL與n方向相同，在?TL作用下，電機繼續加速，工作點越過n0繼續向上移動。這時T反向，成為阻止電車下坡的制動轉矩。但

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?TL?T，工作點繼續上移，直至機械特性1與負載特性3的交點b為止，T??TL，電車恒速往下行駛。自從工作點越過n0后，n?n0，使得E?Ua，電動機就進入了回饋制動過程，到達b點后，電機便處于回饋制動運行。由于這種回饋制動，電樞電壓方向沒有改變，故稱正向回饋制動。正向回饋制動與電機狀態相比，雖然n、E、Ua的方向都未改變，但因E?Ua，使得Ia以及T反向，兩者的區別如圖4-2所示：

（a）電動狀態（b）制動狀態

圖4-2 正向回饋制動時的電路圖

正向回饋制動在調速過程中也時常出現，當電動機減速時，若減速后的理想空載轉速低于減速前的轉速，電機便會在調速過程的某一階段處于正向回饋制動過程。如圖4-3所示：

（a）改變電樞電壓調速（b）改變勵磁電流調速

圖4-3 調速時出現的正向回饋制動

在改變電樞電壓調速和改變勵磁電流調速時，工作點都要從a點平移到b點，然后經c點到達d點穩定運行。在bc階段，n?n0，電機處于正向回饋制動過程中。它的存在，有利于縮短bc短的時間，加快調速過程。

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4.2.2 反向回饋制動——下放重物

制動時，將電樞電壓反向，并且在電樞回路中串聯一個制動電阻Rb。制動前后的電路圖如圖4-4所示：

（a）電動狀態（b）制動狀態

圖4-4 反向回饋制動時的電路圖

這時，電動機拖動的是位能性恒轉矩負載。如圖4-5所示：

圖4-5 回饋制動下放重物過程

制動前，系統運行在機械特性1與負載特性3的交點a上。制動瞬間，工作點平移到人為特性2上的b點，T反向，n迅速下降。當工作點到達c點時，在T和TL的共同作用下，電動機反向起動，工作點沿特性2繼續下移。到達d點時，轉矩等于理想空載轉矩，T?0，但TL?0，在重物的重力作用下，系統繼續反向加速，工作點繼續下移。當工作點到達e點時，T?TL，系統重新穩定運行。這時的電動機在比理想空載轉速高的轉速下穩定下放重物。

在上述制動過程中，bc段電機處于電壓反向反接制動過程，cd段電機處于反向起動過程，de段電機處于回饋制動過程，在e點電機處于回饋制動運行。由于這種回饋制動是

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在電樞電壓反向后得到的，故稱反向回饋制動。

反向回饋制動運行時，與圖4-4（a）的電動狀態時相比，如圖4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且E?Ua，Ia方向不變，T方向不變，但與n方向相反，成為制動轉矩。電機處于發電狀態，將系統的動能轉換成電能送回電源。

回饋制動的效果也與制動電阻Rb的大小有關。Rb小，則特性2的斜率小，轉速低，下放重物慢。

由圖4-4（b）可知，回饋制動運行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負，則

Ra?Rb?E?UaCE?n?UaCT???（CE?n?Ua）

TIaTCT?可見，若要以轉速n下放負載轉矩TL的重物，制動電阻應為

Ra?CT?（CE?n?Ua）?Ra TL?T0忽略T0，則

Ra?CT?（CE?n?Ua）?Ra TL采用回饋制動下放重物時，轉速很高，超過了理想空載轉矩，要注意轉速不得超過電機允許的最高轉矩（產品目錄或電機手冊中可以查到）。同時還要注意有上式求得的Rb還要滿足Rb?

Ua?Eb?Ra的要求。Iamax

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結論

他勵電動機回饋制動就是使電動機的轉速大于理想空載轉速，因而E?Ua，電機處于發電狀態，將系統的動能轉換成電能回饋給電網。如果直流電源采用電力電子設備,則需要有逆變裝置才能將電能回饋給電網.回饋制動主要分為一下兩種:正向回饋制動—電車下坡.電動機車下坡時，重力加速度將使車速增高，為了安全需要制動限速。當電動機轉速升高而增大的電樞感應電動勢大于電網電壓時，電動機便變為發電機運行，它的電樞電流和電磁轉矩的方向都將倒轉，就限制了轉速進一步增高，起了制動作用。電樞電流方向倒轉，電功率回饋到電網，故稱為回饋制動，回饋的電功率來源于電動機車下坡時所釋放出來的位能。反向回饋制動—下放重物.遼寧工程技術大學電機與拖動課程設計

心得體會

我們通過學習電機與拖動，對他勵直流電動機有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次他勵直流電動機的課程設計，我們才把學到的知識與實踐相結合。從而對我們學的知識有了更進一步的理解，使我們進一步加深了對所學知識的記憶。

在此次的他勵直流電動機的設計過程中，我更進一步地熟悉了電動機的結構及掌握了各組成部分的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題，同時我們也掌握了做設計的基本流程，為我們以后進行更復雜的設計奠定了堅實的基礎。設計本身并不是有很重要的意義，而是同學們對待問題時的態度和處理事情的能力。至于設計的成績無須看的太過于重要，而是設計的過程，設計的思想中的每一個環節，設計中各個部分的功能是如何實現的。各個部分能夠完成什么樣的功能，使用材料時應該注意那些要點。同一個部分可以用哪些材料實現，各種材料實現同一個功能的區別。另外，我們設計要從市場需求出發，既要有強大的功能，又要在價格方面比同等檔次的便宜。

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參考文獻

【1】.唐介

《電機與拖動》

高等教育出版社 【2】.湯蘊

《電機學》

西安交通大學出版社 【3】.劉啟新

《電機與拖動基礎》

中國電力出版社 【4】.唐介

【5】.李曉竹

高等教育出版社

中國礦業大學出版社 13 《控制微電機》

《電機與拖動》

第四篇：選擇是用能耗制動單元？還是能量回饋單元？

選擇是用能耗制動單元？還是能量回饋單元？

制動的概念:指電能從電機側流到變頻器側（或供電電源側）,這時電機的轉速高于同步轉速.負載的能量分為動能和勢能.動能(由速度和重量確定其大小）隨著物體的運動而累積。當動能減為零時，該事物就處在停止狀態。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉速將跟隨頻率同樣降低。這時會產生制動過程.由制動產生的功率將返回到變頻器側。這些功率可以用電阻發熱消耗。在用于提升類負載,在下降時, 能量(勢能)也要返回到變頻器(或電源)側,進行制動.這種操作方法被稱作“再生制動”，而該方法可應用于變頻器制動。在減速期間，產生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側的方法叫做“功率返回再生方法”。在實際中，這種應用需要“能量回饋單元”選件。選擇是用能耗制動單元？還是能量回饋單元？

一.能耗制動和回饋制動就效果而言，是一樣的。都是為電機提供制動電流的通路。二.如何選擇是用能耗制動單元？還是回饋單元？這要通過這兩種制動模式的特點來決定。前者如果100%長期連續工作，制動單元和制動電阻要選擇的功率足夠大，這對于大功率的制動帶來了不方便，比如說電阻的散熱問題和體積問題很突出呀，而后者，就可以連續的100%的工作。體積相對能耗制動而言很小。但是，能耗制動的成本比回饋制動的要小很多。

綜上得到的結論是：，對于短時制動的系統，毫不猶豫地選擇能耗制動單元+電阻，經濟省錢。對于長期100%功率制動的系統，必須要采用能量回饋單元，沒商量。對于15kW以下的系統，推薦使用能耗制動，不論是短時的還是長期的。因為從成本上說是合算的（即便是100%的功率連續制動）。

第五篇：直流電動機 教案一

直流電動機 教案一

直流電動機 教案一

（一）教學目的

1．知道直流電動機的原理和主要構造。

2．知道換向器在直流電動機中的作用。

3.了解直流電動機的優點及其應用。

4．培養學生把物理理論應用于實際的能力。

（二）教具

如課本圖12—10的掛圖和模型，兩個箭頭標志（可用飲料盒鋁片制作），自制直流電動機模型（參見圖12—2），直流電動機原理掛圖一幅，小型直流電動機一臺，學生電源一臺。

（三）教學過程

1．復習

提問：上節課我們做實驗給磁場中的導體通電，發現了什么？（學生回答：通電導體在磁場中受力）。

提問：這個力的方向與哪兩個因素有關？（學生回答之后，教師強調：改變電流方向，或改變磁感線方向，導體受力方向就隨著改變）

提問：出示如課本12—10甲的掛圖和模型，根據上面的結論，通電線圈在磁場中是怎樣受力的？（學生回答：ab邊受力向上，cd邊受力向下）

提問：在這兩個力的作用下，線圈怎樣運動？（學生回答：線圈會轉動）

提問：這個現象中能量是怎樣轉化的？（學生回答：電能轉化為機械能）

2．引入新課

教師陳述：電動機就是利用通電線圈在磁場中受力而轉動的現象制成的，它將電能轉化成機械能。下面我們來研究電動機是如何利用上述現象制成的，當然，我們先討論最簡單的一種電動機—直流電動機。給出直流電動機定義，并板書：

〈第五節直流電動機〉

3．進行新課

(1)使磁場中的通電線圈能連續轉動的辦法

很多同學可能馬上想到通電線圈在磁場中不能連續轉動（轉到平衡位置要停下來），而實際的電動機要連續轉動。怎樣解決這個問題呢？（此處可告訴學生把理論用于實際需要再付出很多勞動，還可簡介各國對理論應用于實際的重視，以培養學生對應用科學的興趣）要解決這個問題，我們還得進行深入研究。

提問：在上節課的演示實驗中，線圈轉到平衡位置時是立即停止嗎？為什么它不立即停止？（學生答：由于慣性線圈會稍轉過平衡位置）

提問：轉過平衡位置后，為什么它又轉回來呢？（利用模型分析：轉過平

衡位置后，ab邊受力仍朝上，cd邊受力仍朝下，正是這一對力使線圈轉回來的）

提問：要使線圈不轉回來，應該在線圈剛轉過平衡位置時就改變線圈的受力方向，即使線圈剛轉過平衡位置就使ab邊受力變為向下，cd邊受力變為向上。怎樣才能使線圈受力方向發生這樣的改變呢？

引導學生回憶影響受力方向的兩個因素，從而得出：應該在此時改變電流方向，或者改變磁感線方向。進一步引導學生分析：改變磁感線方向就是要及時交換磁極，顯然這不容易做到；實際的直流電動機是靠及時改變電流方向來改變受力方向的。

板書：〈1．使磁場中的通電線圈連續轉動，就要每當線圈剛轉過平衡位置，就改變一次電流方向。〉

(2)換向器

提問：怎樣才能使線圈剛轉過平衡位置時就及時改變電流方向呢？

讓學生想辦法并開展討論，教師下

去了解學生的情況并鼓勵和指導。

教師出示：兩個半圓鋁環和電刷，指出：靠這兩樣東西就可以解決問題。待學生思考片刻，教師出示已準備的與課本圖12—12相似的模型，說明鋁環與線圈的連接情況和鋁環與電刷的配合過程。

引出換向器的概念并板書：

〈2．換向器的作用：當線圈剛轉過平衡位置時，換向器能自動改變線圈中電流的方向，從而改變線圈受力方向，使線圈連續轉動。〉

讓學生仔細觀察課本圖12—12，進一步弄清楚線圈轉動過程，重點是甲圖和丙圖，回答教師填空式的提問：

甲圖：電流方向是a→b→c→d，受力方向是ab邊受力向上，cd邊受力向下，轉動方向是順時針。

丙圖：電流方向是d→c→b→a，受力方向是ab邊受力向下，cd邊受力向上，轉動方向是順時針。

(3)直流電動機的構造

出示：直流電動機，介紹主要構造：磁極、線圈、換向器、電刷。

板書：〈3．直流電動機的構造〉

演示：給直流電動機通電轉動，提高學生興趣（若時間不允許，可省些演示）。告訴學生：下節課同學們將自己裝一臺小直流電動機，進一步弄清楚它的有關知識。

讓學生閱讀課文最后兩個自然段，了解直流電動機的優點和應用。

4．小結（略）

5.作業：（不要求筆做）

(1)預習下節內容。

(2)比較直流電動機和交流發電機，從原理、構造和能量轉化等方面說出它們的區別。

（四）說明

1．本節采用程序性的提問和討論，啟發學生弄清線圈受力情況和轉回來的原因，以及解決問題的辦法，可以培養學生的思維和創造能力。

2．換向器是教學的難點，制作放

大的直觀模型很有必要。靠這一節課教學，一部分學生可能還沒有完全弄清楚，下節課學生將進一步認識它。

3．通過前面幾節的學習，學生識圖能力應該有所提高，本節電動機原理圖要盡量讓學生自己看圖理解。