电机与拖动课程设计 他励直流电动机的回馈制动

第一章 直流电动机工作原理

图1-1 直流电动机工作原理示意图

图1.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩逆时针方向旋转，如图1-1(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图1-1（b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈

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中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

第二章 直流电动机的分类

根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励、并励、串励和复励四种。

图2-1 直流电动机按励磁方式的分类

第三章 他励直流电动机的机械特性

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在他励电动机中，Ua,Ra,If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：

TCTIa

ECEn

UaEIaRa

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系：

nEUaIaRaUaIaRaURaCCaTn0TEECECECECECT2

当Ua、Ra、为常数时，nfT为一条向下倾斜的直线，如图3所示：

图3-0 他励直流电动机的固有特性

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其中：

n0UaCE 称为理想空载转速；

RaCECT2 称为机械特性的斜率，大小反映软特性与硬特性；

nTRaTCECT 称为负载时的转速降。

由于电枢电路电阻Ra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。

3.1 固有机械特性

UUN、N电枢回路不串电阻时的机械特性。其方程式为：

UIRUIRURaEaaaaaaaTn0TCECECECECECECT2

n由于Ra较小，特性的斜率小，所以他励直流电动机的固有机械特性是一条稍稍向下倾斜的直线，如3-2所示：

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图3-1 他励直流电动机的固有特性

固有特性称为硬特性，其额定转速变化率为：

n0nN

nN%n100%N

3.2 电枢串接电阻时的人为机械特性

将电枢回路串接电阻，而保持电源电压和励磁磁通不变其机械特性如图3-2所示： 5

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图3-2 电枢串接电阻时的人为机械特性

与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点:

1、理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻Ra的变化而变化；

2、随着串接电阻的加大，特性的斜率加大，转速降落n加大，特性变软，稳定性变差； 3、机械特性由与纵坐标轴交于一点nn0但具有不同斜率的射线族所组成；

4、串入的附加电阻越大，电枢电流流过附加电阻所产生的损耗就越大。

3.3 改变电源电压时的人为机械特性

此时电枢回路附加电阻Rka0，磁通保持不变。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。

由机械特性方程，得出这时的人为机械特性如图3-3所示。

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与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为：

1、特性斜率不变，理想空载转速n0降低；

2、机械特性曲线平行下移，机械特性由一组平行线所组成；

3、不变，机械特性的硬度不变。

图3-3 改变电源电压时的人为机械特性

3.4 减小励磁电流时的人为特性

减小励磁电流I，则磁通减小，n0增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示： 7

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图3-4 减小励磁电流时的人为特性

第四章 他励直流电机的制动

为了满足生产和生活的需要，电力拖动系统往往需要使电动机尽快停转或者由高速运行迅速转为低速运行，为此需要对电动机进行制动，同时对于位能性负载的工作结构，为了获得稳定的下降速度也需要对电动机进行制动。

制动是电动机一个重要的运行状态，其运行的特点是电磁转矩Tm的方向与旋转方向n相反。

4.1 他励直流电动机的制动种类

他励直流电动机的制动方法包括能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

4.2 回馈制动

他励电动机回馈制动的特点是：使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。

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回馈制动又分为以下两种类型。

4.2.1 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TL阻碍电车前往行驶。如图4-1所示：

图4-1 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，TL反向变成帮助电车向下加速行驶，负载特性变为特性3。在T和TL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

n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向

上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但TLT，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，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，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n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-2所示：

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（a）电动状态 （b）制动状态

图4-2 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4-3所示：

（a）改变电枢电压调速 （ b）改变励磁电流调速

图4-3 调速时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bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时

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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，并且在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-4所示：

（a）电动状态 （b）制动状态

图4-4 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4-5所示：

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图4-5 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，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL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，T0，但TL0，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，TTL，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，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de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，E反向，且EUa，Ia方向不变，T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Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

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由图4-4（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

EUaCEnUaCT（CEnUa）TIaTCT

RaRb可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

CT（CEnUa）RaTLT0

Ra忽略T0，则

CT（CEnUa）RaTL

Ra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Rb还要满足

RbUaEbRaIamax的要求。

结论

他励电动机回馈制动就是使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。如果直流电源采用电力电子设备,则需要有逆变装置才能将电能回馈给电网.回馈制动主要分为一下两种:正向回馈制动—电车下坡. 电动机车下坡时，重力加速度将使车速增高，为了安全需要制动限速。当电动机转速升高而增大的电枢感应电动势大于电网电压时，电动机便变为发电机运行，它的电枢电流和电磁转矩的方向都将倒转，就了转速进一步增

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高，起了制动作用。电枢电流方向倒转，电功率回馈到电网，故称为回馈制动，回馈的电功率来源于电动机车下坡时所释放出来的位能。反向回馈制动—下放重物.

心得体会

我们通过学习电机与拖动，对他励直流电动机有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次他励直流电动机的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。

在此次的他励直流电动机的设计过程中，我更进一步地熟悉了电动机的结构及掌握了各组成部分的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想中的每一个环节，设计中各个部分的功能是如何实现的。各个部分能够完成什么样的功能，使用材料时应该注意那些要点。同一个部分可以用哪些材料实现，各种材料实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。

参考文献

【1】. 唐介 《电机与拖动》 高等教育出版社

【2】. 汤蕴 《电机学》 西安交通大学出版社

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【3】. 刘启新 《电机与拖动基础》 中国电力出版社

【4】. 唐介 《控制微电机》 高等教育出版社

【5】. 李晓竹 《电机与拖动》 中国矿业大学出版社

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