他励直流电动机的反接制动(电机与拖动课程设计)

引言

直流电动机以其结构复杂、价格较贵、体积较大、维护较难而使其应用受到了影响。随着交流电动机变频调速系统的发展，在不少应用领域中已为交流电动机所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、调速性能好、制动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。本课题将讨论他励电动机的基本结构、工作原理以及反接制动的原理及机械制动。

他励直流电动机的反接制动的设计

1 课程设计的目的及内容

电机与拖动是电气专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。

电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。

本设计主要研究他励直流电动机的反接制动。

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2 他励直流电动的基本结构

图2-1 直流电动机结构图

图2 他励直流电动机的基本结构

2.1定子

直流电机的定子由以下几部分组成：

主磁极 换向磁极（简称换向极） 机座 端盖

2.2转子

电枢铁心 电枢绕组 换向器 风扇等

电枢绕组电枢磁扼定子磁扼

换向极绕组换向极

底脚

激磁绕组

极身极掌电枢槽电枢齿

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3 他励直流电动机的工作原理

3.1直流电动机的工作原理图

图3-1 直流电动机的工作原理图

图中N 和S 是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。在N 极S 极之间有一个可以绕轴旋转地绕组。直流电机的这一部分称为电枢。如图3-1所示将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这是便有电流从电源的正极流出，经电刷A 流入电枢绕组，然后经电刷B 流回电源的负极。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f 的作用a BLI f 。

3．2他励直流电动机的运行分析

M

Uf +

-+

-Ua

I a

I f

图3-2 它励电动机

电枢电路中它励电动机的电枢和励磁绕组分别由两个独立的直流电源供电。它励电动机的电路如图三所示。在励磁电压f U 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流f I ，从而产生

N

S

A B a d b c

i +-e

n

U +

-i

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主磁极磁通Φ。在电枢电压a U 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流a I 。电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T ，从而拖动产生机械以某一转速n 运转。电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E 。电动势的方向与电枢电流的方向相反。

在励磁电路中，励磁电流 f

f R U =

f I （3-2-1）

在电枢电路中，根据基尔霍夫定律 a a I R +=E U a （3-2-2） 由此求得电枢电流为 a

a a R E

U I -=

(3-2-3) 根据电枢转矩公式，电枢电流还应满足下式 Φ

=

T a C T

I (3-2-4) 根据上式可得到转速用下式表示 Φ-=Φ=

E a a a

E C I R U C E

n (3-3-5) 转速与转矩之间的关系为 T C C R C U T E a

E a 2

n Φ

-Φ=

(3-3-6)他励电动机在运行时，如果励磁电路断电，0=f I ，主磁极只有很小的剩磁，由于机械惯性，励磁电路断开瞬间，转速尚来不及变化，将立即剧减，a I 立即剧增。仍有一定数值。电动机将发生两种事故：

（1）当a I 增加的比例小于Φ减少的比例时，断电瞬间，T 将减小，L T T <，电动机不断减速而至停转，即“闷车”或“堵转”。这是a I 过大，换向器和点数绕组都有被烧坏的危险。这种情况一般在重载或满载时容易发生。

（2）当a I 增加的比例大于Φ减少的比例时，断电瞬间，T 将增大，L T T >，电动机不断加速直至超过允许值，即“飞车”。这时不仅使换向器和电枢绕组又被烧坏的危险，而且还会使电动机在机械方面遭受严重损伤，甚至危及操作人员的安全。这种情况般在轻载和空载时容易发生。

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4 制动原理及机械特性

4.1电压反向反接制动—迅速停机

当电动机在电动运转状态下以稳定的转速n 运行时候，如图4-1所示，为了使工作机构迅速停车，可在维持励磁电流不变的情况下，突然改变电枢两端外施电压的极性，并同时串入电阻，如图4-2所示。由于电枢反接这样操作，制动作用会更加强烈，制动更快。电机反接制动时候，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rb 上面。

M Ua

E

Ia

T

n

+

-

Uf

( a )电动状态

图4-1 制动前的电路图

M Ua

E

Ia

n

+

-T

Uf

Rb

(b)制动状态

图4-2 制动后的电路图

同时也可以用机械特性来说明制动过程。电动状态的机械特性如下图4-3的特性1，n 与T 的关系为

n C E Φ=E ( 4-1-1) a

T I C T Φ= (4-1-2)

a

a a I R U E -= (4-1-3)

T C C R C U C I R U C E

n T E a E a E a a a E 2Φ-Φ=Φ-=Φ=

(4-1-4)

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电压反向反接制动时，n 与T 的关系为

)

(

2T C C R R C U n T E b

a E a Φ+-Φ-= (4-1-5)

其机械特性如图4-3中的特性2。设电动机拖动反抗性恒转矩负载，负载特性如图4-3中的特性3。

T

T L

n

2

31

b

a

c

o

n o T L

图4-3 反接制动迅速停机过程

制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a 上，制动瞬间，工作点平移到特性2上的b 点，T 反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T 和L T 的共同作用下，转速n 迅速下降，工作点沿特性2由b 移至c 点，这是0=n ，应立即断开电源，使制动过程结束。否则电动机将反向起动，到d 点去反向稳定运行。

电压反向反接制动的效果与制动电阻b R 的大小有关，b R 小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b 点时的电枢电流ab I 不得超过

aN a I I )0.25.1(max -=。由图4-3可知，只考虑绝对值时

b

ab I R R E U a b

a ++=

(4-1-5)

式中，E b =E a 。由此求得电压反接制动的制动电阻为 a a b

a b R I E U R -+≥

max

(4-1-6)

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4.2迅速停机串联电阻的计算

由于m ax a I 取值的不同，导致串入电阻b R 的不同。一般的取值ab I 不得超过max a I =(1.5‐2.0)I aN 。取I amax =1.5 I aN ，设KW P N 22=,V U aN 440=，A =3.65aN I ,m in /600r n N =，T 0忽略不计。拖动T L =0.8T N 的反抗性恒转矩负载，计算电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于多少？

解：由额定数据求得

的电阻。制动电阻值不能于即电枢电路中应串入的迅速停机时

ΩΩ=Ω-?+=-+=

=?-=-=A =A =Φ=

?=??==?=???===??=Φ=

Φ===Φ=?==Ω=?-

=

-=

526.4526.4)58.13

.65246

.357440(E 46.357)24.5258.1440(24.52365

.5256

.280256.280m N 2.3350.80.8T 0T 32.350600

2200014.3260P 260T 65.3562.504.13260C 260562.0600

91

.336n E 91.3363.65102258.13

.653.651022440I R max b N L N N E 3

3

a N a a a a

b a a a T L a N T N E aN N aN

N

aN

R I U R V V I R U E C T I m N m

N m N n C C V

I P E I P U ππ

4.3电动势反向反接制动—下放重物

制动前的电路如图4-4所示，制动后的电路如图4-5所示。制动时，电枢电压不反向，只在电枢电路中串联一个适当的制动电阻b R 。机械特性方程边变为

T C C R R C U n T E b

a E a 2

Φ

+-Φ= (4-3-1)

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M Ua

E

Ia

I

n

+

-

Uf

( c )电动状态

图4-4制动前的电路图

M Ua

E

Ia

n

-+

I

Uf

Rb

(d)制动状态

图4-5 制动后的电路图

若电动机拖动若电动机拖动位能性恒转矩负载，则如图4-6所示。制动前，系统工作在固有特性1与负载特性3的交点a 上。制动瞬间，工作点由a 平移到人为特性上的b 点。由于L T T ?，n 下降，工作点沿特性2由b 点向c 点移动。当工作点到达c 点时，c T T =，但c L T T ?，在重物的重力作用下，系统反向起动，工作点由c 点下移到d 点，c T T =，系统重新稳定运行。这是n 反向，电动机处在制动运行状态稳定下放重物。

在这种情况下制动运行时，由于n 反向，E 也随之反向，由图可以看出，这时E 与U a 的作用方向也变为一致，但和T 的方向不变，T 与n 方向相反，成为制动转矩，与负载转矩保持平衡，稳定下放重物。所以这种反接制动称为电动势反向的反接制动运行。

电动势反接制动的效果与制动电阻b R 的大小有关。b R 小，特性2的斜率小，转速低，下放重物满。由图五知，在d 点运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

)(R b a n C U T

C I E U R E a T ad d a Φ+Φ

=+=

+ (4-3-2)

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可见，若要以转速n 下放负载转矩为L T 的重物，制动电阻应为 a E a o

L T b R n C U T T C R -Φ+-Φ

=)( (4-3-3)

忽略o T ，则

a E a L

T b R n C U T C R -Φ+Φ

=

)( (4-3-4) o

n

n 0

b

a

3

c d

T C

T L

T

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图4-6反接制动下放重物过程

4.4下放重物串联电阻的计算

由于下放速度n 取值的不同，导致串入电阻b R 的不同。取min /300r n =恒速下放重物，设KW P N 22=,V U aN 440=，A =3.65aN I ,m in /600r n N =，T 0忽略不计。拖动N L T T 8.0=的位能性恒转矩负载，计算电枢电路中应串入多大的制动电阻？ 解：根据上一计算的数据，求得

Ω=Ω-?+=-Φ+Φ=

07.10]58.1)300562.0440(256

.280365

.5[)(a E a L T b R n C U T C R

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5 结论

他励电动机反接制动的特点是：使a U 与E 的作用方向变为一致，共同产生电枢电流

a I ，于是由动能转化而来电功率a EI 和电源输入的电功率a a I U 一起消耗在电枢电路中。

在电压反向制动时，强迫电动机朝相反的方向转动而促进电动机立即停转。制动时，在保持励磁电流条件(方向和值的大小)不的情况下，利用倒向开关将电枢两端反接在电源上，此时电枢电流将变成负值，且电流相大b

a a R R E

U I ++-

=，随之产生很大的制动性电磁转

矩使电动机停转。电动势反向反接制动在保持励磁电流条件(方向和值的大小)不的情况下，在电路中串联一个适当的制动电阻，使转速迅速下降至零后再反转，此时方向改变E 和a U 同向，两者共同提供电流b

E a R Ra n

C U I +Φ+=

，并以速度n 下放重物。这里的b R 是制动时

为限制电流太大而串人电枢回路的电阻。

反接制动的优点是:很快能使电动机迅速停转；缺点是:电枢电流可能过大。为此反接时须接人足够的电阻，将电枢电流限制在一定允许值范围内；此外，当转速下降时，必须及切断电源，否则电动机将反转。

注意事项：直流电动机反接制动时由于电源电压U 反向，与反电势E 的方向一致导致电枢电流过大，因此反接制动时，必须在制动回路里串入适当大小的附加电阻以限制电枢电流的大小。