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重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院 课程设计报告 设计题目：
他励直流电动机制动课程设计 学 校：
重庆邮电大学移通学院 学 生 姓 名：
专 业：
电气工程及其自动化 班 级：
学 号：
指 导 教 师：
摘要 本设计先介绍了他励直流电动机的工作方式，是为后面电动机制动作铺垫。对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般有大致可分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。在这次的设计中，我们着重讨论的是他励直流电机能耗制动。主要讨论关于能耗制动一些技术方面问题的分析与设计。
以两种方式讲解：图示法和公式法。在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的(电动机的瞬时态)讲解。在公式法中，我们将严格依据电动的工作特性曲线来讨论不同时态的变动，并且最重要的是在公式法中我们讨论了Rb的电阻要求并讲解了为什么必须要串入电阻Rb。在下放重物的过程中方式同迅速停机一致重点放在反向启动后，电动机的运行情况。并且运用之前所介绍的基础知识来解 T，TL，To之间的关系。
关键词 制动 能耗制动 反接制动 回馈制动 迅速停机 放下重物 目录 前言…………………………………………………………………………… 3 第1章 直流电动机的工作原理………………………………………………4 第2章 他励直流电动机的电路模型…………………………………………5 第3章 他励直流电动机的机械特性…………………………………………5 3.1 机械特性表达式……………………………………………………… 5 3.2 固有机械特性………………………………………………………… 6 3.3 人为机械特性………………………………………………………… 7 第4章 他励直流电动机的制动………………………………………………9 4.1 能耗制动……………………………………………………………… 9 4.2 反接制动……………………………………………………………… 13 4.3 回馈制动……………………………………………………………… 17 第5章 他励直流电动机制动设计……………………………………………21 第6章 总结……………………………………………………………………22 致谢…………………………………………………………………………… 23 前言 电机与拖动是自动化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。
电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。制动的基本原理是使电动机转子上产生一个反力矩，具体有三种方法，即能耗制动、 反接制动、回馈制动 。
第1章 1.1直流电动机的工作原理 直流的电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有直流电能→机械能。
在直流电动机中，为了产生不变的电磁转矩，尽量减小气隙，以达到最强的磁场与最高的效率，就要利用磁场的作用，由通电导体形成绕组，由转子铁心和定子磁极形成磁场，通过换向器使转子的磁极的极性始终保持和定子的极性相反，形成旋转的力矩，从而外部电路中的直流电流通过换向转变成电机内部的交流电流，将电能转化为机械能。
a）
b) 图1-1 直流电动机原理图 如图1-1所示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，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电刷绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N极下面导线电流是由a到b，根据左手定理可知导线ab受力方向向左，而导线cd受力方向向右。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是电流方向已改变为有d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样使得电机一直旋转下去。
第2章 2.1 他励直流电动机的电路模型 他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图2-1所示，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。
励磁电流：
电枢电流：
电动机的转速：
第3章 他励直流电动机的机械特性 3.1机械特性表达式 在他励电动机中，、、保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。
根据公式 可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系 其中称为理想空载转速 β机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性，其值为：
是转速差，其值为：
机械特性的硬度为：
斜率越小，硬度越大，机械特性越强。
当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。
3.2 固有机械特性 由方程式得到他励电动机的固有特性，如图3-1所示，由于电枢电阻很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这是电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。
图3-1 他励电动机的固有特性 固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流等于换向所允许的最大电枢电流。对应转矩是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。
3.3 人为机械特性 1、增加电枢串接电阻的人为机械特性 在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，根据公式 这时相当于电路电枢电阻增加，理想空载转速不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3-2所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。
图3-2 增加电枢电路电阻时的人为特性 2、 降低电枢电压时的人为机械特性 当降低电枢电压时，降低时，减小，不变，不变，人为特性如图3-3所示，机械特性平行下移。
图3-3 降低电枢电压时的机械特性 3、减弱励磁电流时的人为机械特性 减小励磁电流，则磁通减小，增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示。
图3-4 减弱励磁电流时的机械特性 第4章 他励直流电动机的制动 他励直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接制动，回馈制动 4.1 能耗制动 直流电动机的制动方式有多种：能耗制动、反接制动和回馈制动。在此我们选择的研究方向是能耗制动。
直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（下放重物的情况）的过程称为制动过程。对于电动机来讲，我们有时候希望它能迅速制动，停止下来，如在精密仪器的制动过程中，液晶显示屏幕的切割等等，但有的时候我们却希望电机能够慢慢地停下来，利用惯性来工作。于是，直流电动机能耗制动又分为迅速停机和下放重物两种方式。
他励直流电动机能耗制动的特点是：将电枢与电源断开，串联一个制动电阻，使电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。
能耗制动分为两种，分别用于不同场合。
4.1.1 能耗制动过程——迅速停机 制动前后如图4-1所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。由于电源被切除，电枢通过制动电阻短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，反向，使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。当n=0时，E=0，=0，制动转矩T自动消失。
a）电动状态 b）制动状态 图4-1 能耗制动迅速停机的电路图 上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如图4-2中的特性1，n与T的关系为 能耗制动时，=0，电枢回路中又增加制动电阻，故 机械特性如图4-2中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。
图4-2 能耗制动迅速停机过程 设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。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，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a点平移到能耗制动特性2上的b点。这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b点移至0点。这时，n=0，T也自动变为零，制动过程结束。
能耗制动过程的效果与制动电阻的大小有关。小，则大，T大，制动过程短，停机快。但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流不得超过。由图3-1（b）可知式中，，是工作于b点和a点时的电动势。由此可得 4.1.2 能耗制动运行——下放重物 若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-3所示。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，让电动机处于能耗制动状态。工作点由机械特性1上的a点平移到特性2上的b点，并迅速移动到0点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。当工作点达到0点时，T=0，但＞0，在重物的重力作用下，系统反向启动，工作点将由0点下移到c点，T=，系统重新稳定运行，这时n反向，电动机稳定下放重物。由于下放重物时，电动机是稳定运行在能耗制动状态。
图4-3 能耗制动下放重物过程 能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得和T也随之反向，两者的不同如图4-4所示，在能耗制动过程中，n＞0，T＜0；
然而在能耗制动运行时，n＜0，T＞0。
能耗制动运行的效果与制动电阻的大小有关。小，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4-4（b）可知，工作在c点时，只取各量的绝对值，而不考虑正、负，则 下放重物时，与方向相反，与T方向相同，故T=-。可见，若要以转速n下放负载转矩为的重物时，制动电阻应为 忽略，则 的结果应与式校验是否合适。
a）能耗制动过程 （b）能耗制动运行 图4-4 能耗制动过程与能耗制动运行得比较 4.2 反接制动 4.2.1 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4-5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4-6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。
图4-5 制动前的电路图 图4-6 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三的特性1，n与T的关系为 电压反向反接制动时，n与T的关系为 其机械特性如图4-7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4-7中的特性3。
图4-7 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，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的大小有关，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点时的电枢电流不得超过。由图4-7可知，只考虑绝对值时 式中，Eb=Ea。由此求得电压反接制动的制动电阻为 4.2.2 电动势反向反接制动——下方重物 制动前的电路如图4-8所示，制动后的电路如图4-9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。机械特性方程边变为 图4-8制动前的电路图 图4-9 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4-10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，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，，但，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，，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Ua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的大小有关。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 可见，若要以转速n下放负载转矩为的重物，制动电阻应为 忽略，则 图4-10反接制动下放重物过程 4.3 回馈制动 4.3.1 正向回馈制动——电车下坡 电车在平地行驶或上坡时，负载转矩阻碍电车前往行驶。如图4-11所示：
图4-11 回馈制动电车下坡过程 系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，反向变成帮助电车往下行驶，负载特性变为特性3。在和的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达时，，但，即-与n方向相同，在作用下，电机继续加速，工作点越过继续向上移动。这时反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，，电车恒速往下行驶。自从工作点越过后，，使得，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然、、的方向都未改变，但因，使得以及反向，两者的区别如图4-12所示：
（a）电动状态 （b）制动状态 图4-12 正向回馈制动时的电路图 正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-13所示：
（a）改变电枢电压调速 （ b）改变励磁电流调速 图4-13 调速是出现的正向回馈制动 在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在阶段，，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短短的时间，加快调速过程。
4.2.2 反向回馈制动——下放重物 制动时，将电枢电压反向，并在电枢回路中串联一个制动电阻。制动前后的电路图如图4-14所示：
（a）电动状态 （b）制动状态 图4-14 反向回馈制动时的电路图 这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-15所示：
图4-15 回馈制动下放重物过程 制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在和的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，，但，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。
在上述制动过程中，段电机处于电压反向反接制动过程，段电机处于反向起动过程，段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。
反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，反向，且，方向不变，方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。
回馈制动的效果也与制动电阻的大小有关。小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。
由图4-14（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则 可见，若要以转速n下放负载转矩的重物，制动电阻应为 忽略，则 采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的还要满足的要求。
第5章 他励直流电动机的制动设计 一台他励电动机设,，,，，忽略不计。拖动TL=0.8TN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：
总结 一、 能耗制动 制动时在电动机的绕组中串接电阻，电动机相当于发电机，将拥有的的能量转换成电能消耗在所串联的电阻上。这种方法在各种电机制动中广泛应用，变频控制也用到了。从高速到低速，这是电气的频率变化的很快，但电动机的转子带着负载有较大的机械惯性，不可能很快的停止，这样就产生反电动势电动机处于发电状态，其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动力矩，迫使转子较快停下来但由于通常变频器是交→直→交整流电路是不可逆的，因此无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，称崩升电压，当超过设定上限值电压时，制动回路导通，这就是制动单元的工作过程，制动电阻流过电源，从而将动能边热能消耗电压随之下降，待到设定下限时即断。这种制动方法属不可控，制动力矩有波动，制动时间是人为设定的。
制动电阻的选取经验：
<一>电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；
<二>不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件；
<三>制动时间可认为选择；
<四>小容量变频器（7.5Kw）一般是内接制动单元和制动电阻的；
<五>当在快速制动出现过电压时说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值 二、 反接制动 直流电动机，将电机的电源正负反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反交流电机制动采用改变相序的方法产生反向转矩，原理类似。反接制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。
三、 回馈制动 当采用有源逆变技术控制电机时，将制动时再发生 电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，并将电能消耗在电网上从而实现制动。
致谢 感谢指导老师的指导和解惑，还有同学间的团结协作，密切配合，各抒己见使我的这次课程设计圆满成功。另外，在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。 通过这次课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。
参考文献 [1] 陈勇 罗萍 向敏 电力拖动与控制 北京 人民邮电出版社2011.10 [2] 李岚 电力拖动与控制 机械工业出版社 2011.1