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电托设计

目录

摘要I

1直流电动机概述1

1.1他励直流电动机的基本原理1

1.2直流电动机机械特性2

2直流电动机的能耗制动设计6

2.1直流电动机的制动概述6

2.2直流电动机的能耗制动6

2.3能耗制动主电路设计8

2.4能耗制动控制电路8

2.5元器件选择9

2.6电路仿真10

总结11

参考文献12

致谢13

摘要

基于电机及拖动基础的他励直流电动机的能耗制动在使电力拖动系统停车或者使拖动系统的转速降低方面已被广泛的应用，因为对于位能负载的工作机构，用制动可以获得稳定的下降速度。

其中制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动。

本论文介绍了他励直流电动机的基本原理及有关的人为机械特性、固有机械特性。

根据任务要求，设计了直流他励电动机能耗制动的主电路和控制电路；并由设计电路选择好元器件后对设计进行了模拟仿真。

关键词：

能耗制动;电力拖动系统;控制电路；主电路；仿真

1直流电动机概述

1.1他励直流电动机的基本原理

图1.1所示为直流电动机的原理模型，电刷A、B 接上直流电源，线圈没有被原动机拖动。

于是在线圈abcd 中有电流流过，电流的方向如图1.1所示。

根据电磁力

定律可知，载流导体ab 、cd 上受到的电磁力f 为

                    f=Bli                            （1.1）

式中B——导体所在处的气隙磁密（Wb/m2）；l——导体ab或cd 的长度 i——导体中的电流（A）。

图1.1 直流电动机的原理模型

导体受力的方向用左手定则确定，导体ab 的受力方向是从右向左，导体cd 的受力方向是从左向右，如图1.1所示。

这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

当电枢转了180°后，导体cd 转到N 极下，导体ab 转到极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A 流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。

这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab 和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在极下时，总是从电刷B 流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。

如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。

这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。

1.2直流电动机机械特性

电动机的机械特性是指电动机的转速n与转矩T的关系n=f（T）。

机械特性是电动机力学性能的主要表现，它与负载的机械特性n=f（TZ），运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。

1.2.1直流电动机固有特性

当他励电动机电压U及磁通

均为额定值

及

，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。

其方程式为:

（1.2）

1.2.2直流电动机人为特性

当改变U或

或电枢回路串电阻时，其机械特性的n0或

将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。

人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，他励直流电动机一般可有以下三种人为机械特性。

（1）电枢串联电阻时的人为机械特性

此时

，

，

=

+

，电枢串联电阻

时，人为机械特性的方程式为

（1.3）

由于电动机的电压及磁通保持额定值不变，人为机械特性具有与固有机械特性相同的理想空在转速，而其斜率的绝对值则随串联电阻的增大而加大，人为机械特性的硬度降低，如图1.2中直线2与3所示。

直线1固有机械特性，2、3电枢串联电阻R1，R2时的人为机械特性。

图1.2他励直流电动机的固有机械特性及电枢串联电阻时的人为机械特性

（2）改变电压时的人为机械特性

此时电枢不串联电阻（

），

，改变电压时的人为机械特性方程式为

（1.4）

改变电压时，理想空载转速随电压的降低而降低，特性的斜率则保持不变。

一般他励电动机的电压向低于额定电压的方向改变，因此人为机械特性是几根平行线，它们低于固有机械特性1，又与固有机械特性平行，如图1.3所示。

由于电枢中没有串电阻，因此其特性较串联电阻时硬。

图1.3他励直流电动机电压不同时的人为机械特性

（3）减弱电动机磁通时的人为机械特性

一般他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。

改变磁通实际上是减弱励磁。

在励磁回路内串联电阻

，并变化其值，即能使磁通

减弱，并在低于额定磁通

时调节

的大小。

此时

，电枢不串联电阻，减弱磁通时人为机械特性的方程式为

（1.5）

特性方程为

（1.6）

由上述两式可见，当

减弱时，理想空载转速

加大，短路电流

常值，而短路转矩

将随

之减弱而降低。

在图1.4上绘出了磁通为不同值时的n=f（Ia）曲线，这些特性曲线都是直线，交横坐标轴于一点，磁通愈小特性愈软。

磁通为不同数值时的人为机械特性n=f（T）绘于图1.5上。

图1.4磁通不同时的n=f（Ia）曲线图1.5磁通不同时的n=f（T）曲线

2直流电动机的能耗制动控制系统的设计

2.1直流电动机的制动概述

电动机制动运转状态的特点是转矩

与转速

的方向相反，此时，电动机变成为发电机吸收机械能并转化为电能。

制动的目的是使电力拖动系统停车，使电力拖动系统的转速降低，对于位能负载的工作机械，用制动可获得稳定的下降速度。

制动的方法：

（1）自由停车法。

断开电枢电源，系统就会慢下来，最后停车。

这种方法一般较慢，停车时间长，特别是空载自由停车，更需要较长时间。

（2）电磁制动器，也叫“抱阀”。

用这种方法制动可以加快制动过程。

（3）电气制动。

它是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，以加强减速，使系统较快地停下来。

其优点是产生制动转矩大，制动强度控制比较容易。

在电力拖动系统中多采用这种方法，或者与电磁制动器配合使用。

在直流他励电动机的运行中，可以用三种方法得到制动运转状态，即：

能耗制动、回馈制动和反接制动。

2.2直流电动机的能耗制动

2.2.1能耗制动分析

直流他励电动机启动后，如果断开电枢电源而保持励磁绕组的电源，同时将电枢通过能耗制动电阻

接成闭合电路。

如图2.1所示。

由于惯性，电动机仍然旋转，电枢仍有一个电动势E，使电流Ia在电枢电路内流通，因为电动式E的方向与电动状态时相同，所以电流Ia的方向与电动状态时相反。

因为电压U=0，故

（2.1）

电枢电流为负值，即其方向与电动状态时的正方向相反。

因磁场的方向没有变，电枢电流的方向改变了，转矩的方向也随着改变，所以转矩与旋转的方向相反，起制动作用。

制动过程中，电动机的作用像一台发电机，将动能转变为电能，并消耗在电枢电路内的电阻上，所以成为能耗制动，也叫动能制动。

图2.1他励直流电动机的能耗制动原理图

能耗制动时，U=0，电枢电路内的电阻为Ra+Rb，所以能耗制动机械特性方程式为

（2.2）

n为正时，T为负；n=0时，T=0，所以机械特性位于第二象限，并通过坐标原点特性斜率为

与电枢串电阻Rb时的人为特性的斜率相同，两条特性线相互平行。

电动状态制动前，运行转数是n，开始制动时，

不变，工作点平移到能耗制动特性上的B点，制动转矩为-Tb，电动机减速，工作点沿特性下降制动转矩逐渐减小，直到零为止，电动机停车。

这是电动机带动反抗性负载时的情况。

如果是位能性负载，在制动到n=0时，重物还将拖着电动机反转，直到运行到特性2与

负载线的交点C时，电动机才以-nc转速稳定运行。

这是电动机的转矩和电动状态时相同，而转速和电动状态时相反，电动机处于制动状态。

所以能耗制动通常应用于拖动系统需要迅速而准确的停车及起重机重物的恒速下放。

改变制动电阻Rb的大小，在一定负载转矩TL作用下，不同值的制动电阻Rb，便有不同的稳定转速。

制动电阻Rb愈小，则机械特性愈平，Tb的绝对值愈大，制动愈快。

但Rb愈小，否则制动转矩和制动电流将超过允许值。

如果按最大制动电流不超过2IN来选择Rb，可近似认为：

（2.3）

（2.4）

2.2.2能耗制动特点

能耗制动有如下特点：

（1）制动减速平稳可靠。

（2）制动电路简单。

（3）便于实现减速停车，转速为零时，制动转矩也为零。

（4）制动过程与电源隔离，当电源断电时，可通过保护电路换接到制动状态进行安全停车。

（5）制动转矩随转速下降而减小，制动效果比反接制动差，为克服这个缺点，可采用二级能耗制动电路。

开始制动时，将Rb1和Rb2全串入电路中，由B点进行制动降速，随之制动转矩减小，直到C点时制动转矩为Tc，这时制动效果已经很小，为此将电阻Rb1切除，令接触器KM1触头闭合这时制动电流加大，其对应制动转矩加大到D点，系统再以较大的制动转矩进行制动，直到停车。

2.3能耗制动主电路设计

如图2.1所示，为能耗制动原理图。

制动前接触器KM的常开触头闭合，常闭触头断开，电动机有励磁将处于正向电动稳定运行状态，即电动机电磁转矩Tem与转速n的方向相同（均为顺时针方向），Tem为拖动性转矩。

在电动运行中保持励磁，断开常开触头KM使电枢电源断开，闭合常闭触头KM用电阻RH,将电枢回路闭合，则进入能耗制动。

图2.2能耗制动主电路图

2.4能耗制动控制电路

图2.2为用速度原则控制直流他励电动机的能耗制动电路图。

图中电动机的起动采用速度原则，用一级启动电阻R，靠接触器KML、KMA控制，当操作起动按钮SBT后，电路接触器KML线圈通电，电动机电枢电路串入电阻Ra起动，电动机转速上升、因电枢两端电压

，故Ua随着增加，当电压达到加速接触器KMA的吸合电压时，KMA吸合，切除电阻Ra，起动完毕，电动机制动时，按停止按钮SBP，KML断电，将电枢与电源断开，KLM的常闭辅助触头使电压继电器KV接通，KV的常开触头闭合，使制动接触器KMB的线圈通电，它的常开触头闭合，把制动电阻Rb接到电动机电枢两端，开始进行能耗制动。

当电动机转速降到较低值时，电枢两端电压不足以使KV继续保持吸合位置，KV常开触头断开，KMB线圈断电，将制动电阻和电枢断开，制动完毕。

图2.3能耗制动控制电路图

2.5元器件选择

设计所需原件如表2.1所示

表2.1元件清单

序号

名称

备注

1

他励直流电动机

2

电压继电器

3

电感

4

电阻

起动电阻、制动电阻

5

接触器

电路接触器、加速接触器、制动接触器

6

按钮

操作起动按钮、停止按钮

2.6电路仿真

电路仿真图如2.3所示

总结

图2.3电路仿真图

总结

这次设计我们在读书馆收集了很多关于课程设计的资料，最终完成了设计，过程中我们遇到了许多没料想的困难，这给我们增加了一定的难度。

这次这个关于电机拖动的课程设计我们完成的不太理想，在后来的制作过程中遇到了很多困难。

通过这次的课程设计作品的制作让我对电动机的理论知识有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现，书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方面的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至差别很大。

通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加注重实际。

课程设计从电路到调试结束我们失败很多次也修改很多次，可谓是屡败屡战，可我们并未气馁，我们坚持到了最后。

经过本次课程设计使我学到了很多以前没有接触到的东西，同时也让我很好的复习了以前学过的东西，还有如何独立地分析问题、解决问题和不怕苦，不怕累的毅力，脚踏实地的精神。

此外，通过本次课程设计还锻炼我的动手能力。

同时为以后走入工作岗位打下基础。

参考文献

[1]范祖尧.现代机械设备设计手册[M].北京：

机械工业出版社.2000

[2]顾绳谷.电机及拖动基础.北京：

机械工业出版社.2007

[3]李发海.电机与拖动基础（第3版）.北京：

清华大学出版社.2005

[4]许晓峰.电机及拖动学习指导.北京：

高等教育出版社.2001

[5]王艳秋.电机及电力拖动.北京：

化学工业出版社.2003

[6]赵承荻.电机及应用.北京：

高等教育出版社.1999

致谢

这是我的第一次课程设计，其中遇到很多的麻烦，但在同学与老师的帮助下，问题一一解决了，在这仅此来感谢那些帮助我的人。

首先我要感谢的是我的指导老师，在选题及进行过程中得到王老师的悉心指导。

在设计过程中，王老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。

王老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。

再多华丽的言语也显苍白。

在此，谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此也要感谢我的同学，他们问我提供了很多参考资料，在画图和排版时也得到了他们的帮助，有时想放弃时，他们热情的和我讨论，共同讨论解决的方案。