他勵直流電動機的能耗制動

1、課程設(shè)計名稱：電機與拖動課程設(shè)計題目：他勵直流電動機的能耗制動學(xué)專班姓學(xué)期：2013-2014學(xué)年第2學(xué)期業(yè)：級：名：口號：指導(dǎo)教師：課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目他勵直流電動機的能耗制動二、設(shè)計任務(wù)對一臺已知額定參數(shù)的他勵直流電動機進行能耗制動，設(shè)計求出合適的制動電阻R，b并設(shè)計求出在已知制動電阻R采用穩(wěn)定下放重物時的轉(zhuǎn)速n。b已知一臺他勵直流電動機P=22kW,U=220V，I=115A,n=1500r/min.I=230A,TNaNaNNamax0忽略不計。（1）拖動TL=120Nm的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，采用能耗制動迅速停機，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動電阻R？b（2）拖動TL=120N

2、m的位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，采用能耗制動以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動電阻R？b三、設(shè)計計劃第一天，熟悉題目，查閱有關(guān)資料，并進行初步的規(guī)劃。第二天，進行設(shè)計，并記錄有關(guān)的數(shù)據(jù)和過程。第三天，繼續(xù)完善設(shè)計。第四天，完成課程設(shè)計任務(wù)書。第五天，進行答辯。課程設(shè)計成績評定表學(xué)期第四學(xué)期專業(yè)電氣技術(shù)班級課題名稱電機與拖動課程設(shè)計論文題目他勵直流電動機的能耗制動評定標(biāo)準(zhǔn)評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20容難易性15綜合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)性10工作量10總成績100評語：任課教師王巍時間年月曰備注目錄1. 直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理111

3、直流電動機的基本結(jié)構(gòu)112直流電動機的工作原理32. 他勵直流電動機的制動方法和制動過程42.1直流電動機之他勵直流電動機42.1.1電流52.1.2轉(zhuǎn)速52.2他勵直流電動機的制動方法和制動過程62.2.1他勵直流電動機能耗制動過程之迅速停機62.2.2他勵直流電動機能耗制動過程之下放重物83、參數(shù)的設(shè)定與計算103.1中間參數(shù)的計算113.2迅速停機時的制動電阻Rb113.3下放重物時的制動電阻Rb113.4迅速停機過程參數(shù)與穩(wěn)定下放重物過程參數(shù)的對比124結(jié)論13參考文獻14摘要直流電動機的能耗制動具有制動平穩(wěn)、準(zhǔn)確、能量消耗小等優(yōu)點，被廣泛用于電動絞盤。電動絞盤需要用電，依靠車輛自身的

4、電力系統(tǒng)即電機驅(qū)動絞盤，而根據(jù)直流電動機能耗制動的平穩(wěn)性等優(yōu)點，所以研究直流電動機的能耗制動有很大的實際意義。本設(shè)計主要設(shè)計他勵直流電動機的能耗制動過程，（包括迅速停機過程和下放重物過程），采用圖解法和公式法兩種方法結(jié)合既直觀又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋鏊麆钪绷麟妱訖C的能耗制動過程。其中包括對制動電阻的選擇等，以便能耗制動更順利的進行，讓我們更加了解能耗制動的全過程。關(guān)鍵詞：他勵直流電動機；能耗；制動1. 直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理11直流電動機的基本結(jié)構(gòu)直流電動機可分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。其中定子包括：主磁極，換向磁極，機座，端蓋等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，風(fēng)扇等。如圖1.1所示：圖1.1

5、1、定子直流電機的定子由以下幾部分組成：（1）主磁極即原理圖中的N和S級。它由勵磁繞組和主磁極鐵芯兩部分組成，如圖1.2（左）所示。主磁極鐵芯通常用11.5mm厚的鋼板疊壓而成。（2）換向磁極簡稱換向極。他是位于主磁極之間的比較小的磁極圖1.2（右），也由鐵芯和繞組兩部分組成。鐵芯一般用整塊鋼和鋼板加工而成。換向極繞組和電樞繞組串聯(lián)。換向極的作用是用來改善換向。（3）機座用鑄鋼或厚鋼板制成，外形如圖1.2（右）所示。主磁極與換向極都用螺栓固定在機座的壁上。機座是構(gòu)成直流電機磁路的一部分。(4) 端蓋等機座的兩邊各有一個端蓋。端蓋的中心處裝有軸承，用來支撐轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸。電刷插在電刷架的刷握中，頂上

6、有一個彈簧壓板，使電刷在換向器上保持一定的接觸壓力。電刷架固定在端蓋上。令©®主亞飪示總in的中伺軼一個損向M的展彈牯枸圖1.22、轉(zhuǎn)子直流電機的轉(zhuǎn)子主體如圖1.3(左)所示，它包括以下幾部分：(1) 電樞鐵心由圖1.3(右)所示的硅鋼片疊成，表面有許多均勻分布的槽。直濟電機的轉(zhuǎn)子和電.樞鐵心沖片圖1.3(2) 電樞繞組實際的電樞繞組并不像原理圖那樣只有一個線圈，而是由很多線圈按一定規(guī)則連接起來的。繞組嵌放在電樞鐵心槽。(3) 換向器由很多換向片組成，外表呈圓柱形，片與片之間用云母絕緣。(4)風(fēng)扇等。圖1.4是直流電機組裝后的結(jié)構(gòu)圖。丄一軸承；軸：3電樞繞紐j4-換抽極繞組

7、；葺一屯樞鐵心；6后端蓋;7刷桿座；&換向器：9屯刷：1主癥阪11«座；12Sjffi繞紐;和一風(fēng)扇：】4前端語圖1.412直流電動機的工作原理電動機定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的安培力方向不變，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生保持方向不變的轉(zhuǎn)矩。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電機拖動生產(chǎn)機械沿著與電磁轉(zhuǎn)矩相同的方向旋轉(zhuǎn)時，電機向負(fù)載輸

8、出機械功率。與此同時，電源卻向電機輸出電功率?？梢?，直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)動裝置。2. 他勵直流電動機的制動方法和制動過程2.1 直流電動機之他勵直流電動機他勵直流電動機的電路圖如圖2.1所示。勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電。在勵磁電壓U的作用下，勵磁繞組過勵磁電流I,從而產(chǎn)生主磁通。ff在電樞電壓U作用下，電樞繞組過電樞電流I。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁a轉(zhuǎn)矩T，從而拖動生產(chǎn)機械以某一轉(zhuǎn)速n運轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時，切割磁感線產(chǎn)生電動勢E，電動勢的方向與電樞電流的方向相反。a圖2.12.1.1電流在勵磁電路中，勵磁電流RR式中，f是勵磁繞組的電阻，f一般來說比較大

9、。在電樞回路中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律U=E+RIaaa由此求得電樞電流U-EI=aaRR。fa式中R為電樞電路的電阻，它的數(shù)值一般遠(yuǎn)小于勵磁繞組的電阻a根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式，電樞電流I還滿足下式a2.1.2轉(zhuǎn)速他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速可以用下式表示URn二一alCeCC62EET由此可以得到他勵直流電動機的固有機械特性如圖2.1.2所示2.2 他勵直流電動機的制動方法和制動過程一般來說，他勵直流電動機的制動方式有3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。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(lián)一個制動電阻R，使電b機處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電

10、樞回路的電阻上。他勵直流電動機開始制動后，電動機的轉(zhuǎn)速從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零（迅速停機的情況）或反向一個轉(zhuǎn)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。2.2.1他勵直流電動機能耗制動過程之迅速停機1）狀態(tài)分析制動前后的電路如圖2.2.1所示。電動狀態(tài)如圖2.2.1（a）所示，n與T的關(guān)系UaC6ERaCC62ET制動時，如圖2.2.1(b)所示，U=0，電樞回路中又增加制動電阻Rn與T的

11、關(guān)系abR+RTn=abTCC62ET(a)電動狀態(tài)(b)制動狀態(tài)圖2.2.12)機械特性迅速停機的機械特性如圖2.2.2中的特性2所示，它是一條通過原點、位于2、4象設(shè)電動機拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。制動前，系統(tǒng)工作在機械特性1與負(fù)載特性3的交點a上。制動瞬間，因機械慣性，轉(zhuǎn)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。這時T反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在T和TL的共同作用下，轉(zhuǎn)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?yōu)榱?，制動過程結(jié)束。能耗制動過程的效果與制動電阻R的大小有關(guān)。R小，則I大，T大，制動過程短，bba停機快。但制動過程的最大電樞電流

12、，即工作于b點的電樞電流I不得超過I。由圖abamax2.2.1(b)可知EI=b<Iabamaxab式中，E=E，是工作于b點和a點時的電動勢。由此求得baE>-RbIaamax2.2.2他勵直流電動機能耗制動過程之下放重物1)狀態(tài)分析能耗制動過程如圖2.2.3(a)所示，n與T的關(guān)系R+RTn=abTCC62ET平衡時，即能耗制動運行如圖2.2.3(b)所示，n與T的關(guān)系R+RTn=abTCC62LET（a）能耗制動過程（b）能耗制動運行圖2.2.3（2）機械特性下放重物的機械特性如圖2.2.4中的特性2所示，它也是一條通過原點、位于2、4象限的直線。設(shè)電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)

13、載，制動前，系統(tǒng)工作在機械特性1與負(fù)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(wěn)定下放重物時，讓電動機處于能耗制動狀態(tài)。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O點，這一階段，電動機處于能耗制動過程中。當(dāng)工作點到達0點時，T=0，但是TL>0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動，工作點將由0點下移到c點,T=TL，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行，這時n反向，電動機穩(wěn)定下放重物，即能耗制動運行狀態(tài)。同樣，能耗制動運行的效果與制動電阻R的大小有關(guān)，R小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)bb速低，下放重物慢（R在滿足要求）。那么在c點時：bER+R=二abIacL0下放重物時，T和T方向相反

14、，與T方向相同，故T=0LT-T.可見，若要以轉(zhuǎn)速下放L0負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T的重物時，制動電阻應(yīng)為:LRbCC62nRT-TL0忽略T0則:R=-RaCC62nETTL3、參數(shù)的設(shè)定與計算對一臺已知額定參數(shù)的他勵直流電動機進行能耗制動，設(shè)計求出合適的制動電阻R，b并設(shè)計求出在已知制動電阻R采用穩(wěn)定下放重物時的轉(zhuǎn)速n。b已知一臺他勵直流電動機P=22kW,U=220V，I=115A,n=1500r/min.I=230A,TNaNaNNamax0忽略不計。（1）拖動TL=120Nm的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，采用能耗制動迅速停機，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動電阻R？b（2）拖動TL=120Nm的位能性恒轉(zhuǎn)

15、矩負(fù)載運行，采用能耗制動以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動電阻R？b3.1中間參數(shù)的計算忽略T0,則E=22x103115V二191.3VaN60CCaN220-191.3aN115191.3150060x3.14Q=0.25Q二0.1275x0.1275=1.2182I3.2 迅速停機時的制動電阻RbT120I二-二1A二98.51AaCe1.2182TE二E二U-RI二(220-0.25x98.51)V二195.3/VbaaaaE195.37RnR=(0.25)Q=0.6QbIa230amax由此可知，該他勵直流電動機在采用能耗制動的迅速停機時電樞電路應(yīng)

16、串聯(lián)的制動電阻Rb至少為0.6q。3.3 下放重物時的制動電阻RbR+RabacCenETCjTCCe2n=ETTL°1275X】2182X1000Q=1.2943Q120CCe2nETTLR二(1.29430.25)Q二1.0443QaE195.37R>i-R=(-0.25)Q二0.6QbIa230amax由于1.0443>0.6,滿足要求，所以該他勵直流電動機采用能耗制動以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物時，在電樞電路中應(yīng)串聯(lián)1.0443Q的制動電阻。3.4迅速停機過程參數(shù)與穩(wěn)定下放重物過程參數(shù)的對比表3-1迅速停機參數(shù)表3-2穩(wěn)定下放重物參數(shù)電機給定參數(shù)中間參數(shù)

17、下放重物PUInInTREC6C6IRNaNaNNamaxLaETab(kW)(V)(A)(r/m(r/m(N(Q)(V)(A)(Q)in)(A)in)m)22220115150023010001200.25191.0.12751.218298.51.0443314結(jié)論直流電動機的制動方式有多種，包括能耗制動、反接制動、回饋制動?？紤]到能耗制動被廣泛應(yīng)用到汽車的電動絞盤，所以本課程設(shè)計的研究方向是能耗制動，根據(jù)制動要求和條件的不同能耗制動又分為迅速停機和下放重物，并以他勵直流電動機為例進行分析。首先，本設(shè)計先介紹了直流電動機的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，文字說明的同時也附加了圖像，使描述更具體容易理解

18、。其次，是制動的詳細(xì)過程，包括迅速停機和下放重物，迅速停機和下放重物又同時用狀態(tài)分析和機械特性兩種角度進行描述和分析，并附有圖像說明和公式分析。最后，參考相關(guān)資料本設(shè)計給出了一組合理的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上公式計算出兩種情況下的制動時所需電阻Rb的大小要求，并以表格的形式給出對比。b短短的一周課程設(shè)計，讓我收獲很多，通過查閱資料，仔細(xì)安排課程設(shè)計的全過程，讓我對直流電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理有了更為清楚的認(rèn)識，同時通過對他勵直流電動機能耗制動的研究與學(xué)習(xí)，更加深刻的了解了他勵直流電動機的工作特點及能耗制動的工作過程。但是，在這幾天的課程設(shè)計中，遇到了不少困難，認(rèn)識到自己知識面的狹窄，動手動腦能力的缺乏，做事的細(xì)