第二章 直流電動機的電力拖動3 - 下載本文

第二章 直流電動機的電力拖動

第五節 他勵直流電動機的制動

一、 教學目的:

1、掌握他勵直流電動機的電氣制動方法。 2、能耗制動。 3、反饋制動。 4、回饋制動。 二、 教學設想:

教學重點掌握直流電動機電氣制動狀態的獲得。 教學難點

制動過程及穩定狀態。

教學方法:講授→實例練習→小結。 教具:PC、投影機 三.教學過程

導入新課:他勵直流電動機的電氣制動。 講授新課

電動機的制動可分為機械制動和電氣制動兩種, 這里只討論電氣制動。所謂電氣制動,就是指使電動機產生一個與轉速方向相反的電磁轉矩Tem,Tem起到阻礙運動的作用。

電動機的制動有兩方面的意義:一是使拖動系統迅速減速停車,這時的制動是指電動機從某一轉速迅速減速到零的過程(包括只降低一段轉速的過程),在制動過程中電動機的電磁轉矩Tem起著制動的作用,從而縮短停車時間,以提高生產率;二是限制位能性負載的下降速度。這時的制動是指電動機處于某一穩定的制動運行狀態,此時電動機的電磁轉矩Tem起到與負載轉矩相平衡的作用。

例如起重機下放重物時,若不采取措施,由于重力作用,重物下降速度將越來越快,直到超過允許的安全下放速度。為防止這種情況發生,就可以采用電氣機制動的方法,使電動機的電磁轉矩與重物產生的負載轉矩相平衡,從而使下放速度穩定在某一安全下放速度上。

上述兩種情況中,前者屬于過渡過程,故稱為“制動過程”,后者屬于穩定運行,則稱為“制動運行”。

他勵直流電動機的電氣制動方法有:能耗制動、反接制動和回饋制動等,下面分別討論。 2.5.1 能耗制動

如圖2.20所示,為能耗制動原理圖。制動前接觸器KM的常開觸頭閉合,常閉觸頭斷開,電動機將處于正向電動穩定運行狀態,即電動機電磁轉矩Tem與轉速n的方向相同(均為順時針方向),Tem為拖動性轉矩。在電動機運行中保持勵磁,斷開常開觸頭KM使電樞電

源斷開, KM常閉觸頭閉合,用電阻將電樞回路閉合,電動機則進入能耗制。

圖2.20,電動機能耗制動原理圖

1.制動原理

能耗制動時,電動機勵磁不變,電樞電源電 壓U=0 ,由于機械慣性,制動始瞬間轉速n不能突變,仍保持原來的方向和大小,電樞感應電動勢Ea也保持原來的大小和方向,而電樞電流Ia為;

Ia?UN?EaEa??Ra?RHRa?RH(2-14)

從式(2-14)可見,電流Ia變為負,說明其Tem方向與原來電動運行時相反,因此電磁轉矩 Tem也變負,表明此時的方向與轉速的方向相反,起制動作用,稱為制動性轉矩。 由于Tem﹤TL,拖動系統減速。在減速過程中,Ea逐漸減小,Ia、Tem隨之變小,動態轉矩

Tem-TL小于 0 ,拖動系統繼續減速,直至n=0 ,此時 Ea、Ia、Tem都為0,如果電動機拖

動的是反抗性恒轉矩負載,系統就在n=0時停車。從能耗制動開始到拖動系統迅速減速及停

車的過渡過程就叫做“能耗制動過程”。在能耗制動過程中,電動機靠慣性旋轉,電樞通過切割磁場將機械能轉變成電能,再消耗在電樞回路電阻 a H (Ra?RH)上,因而稱能耗制動。 3.能耗制動的機械特性 能耗制動的機械特性方程為;

R?RHn??aT???HTem(2-15) 2emCeCT?N R?RH?H?a2式中 為能耗制動機械特性的 CeCT?N斜率,與電樞回路串接電阻時的人為機械特性的斜 率相同。從式(2-15)可知, 當時T= 0,n=0 , 說明能耗制動的機械特性是一條通過坐標原點并與

電樞回路串接電阻RH的人為機械特性平行的直線, 圖2.21 能耗制動機械特性 如圖2.21所示。

從圖2.21可以看出,能耗制動開始,電動機的運行點從A瞬間過渡到B點,然后沿機械特性2 轉速逐漸下降。如果電動機拖動的是反抗性恒轉矩負載,當n=0時,Tem=0,拖動系統停車,從B 點到坐標原點;

如果電動機拖動的是位能性恒轉矩負載,當n=0時,動態轉矩Tem?TL﹤0 ,系統在負載帶

動下將開始反向旋轉,電動機繼續沿機械特性2運行直到C點(Tem?TL = 0)穩定運行,在C點 上滿足穩定運行的充分必要條件,因此C點是穩定工作點。在C點上n為負、 Ea 為負、Ia為正、Tem為正,所以Tem 是制動性轉矩,電動機在C點上 的穩定運行就叫做“能耗制動運行”。在能耗制動穩定運行狀態下,電動機靠位能性恒轉矩負載帶動旋轉,電樞通過切割磁場將機械能轉變成電能并消耗在電樞回路電阻 上,其功率轉換關系和能耗制動停車過程相同,不同的是能量轉換功率EaIa大小在能耗制動穩定運行時是固定的,而在能耗制動停車過程中是變化的。 2.5.2

反接制動

反接制動分為電樞電壓反向反接制動和倒拉反接制動。 1.電樞電壓反向反接制動 (1)實現方法

如圖2.22所示,制動前,接觸器的常開觸頭KM1閉合, 另一個接觸器的常開觸頭KM2斷開,假設此時電動機處于正 向電動運行狀態,如圖2.22所示,電磁轉矩Tem與轉速n的 方向相同,即電動機U ,Ia,Ea,Tem ,n的值均為正值。 N a a em

圖2.22 電樞反向反接

制動原理圖

在電動運行中,斷開KM1,閉合KM2,使電樞電壓反向并串入電阻RF,則電動機進入制動。 反接制動時電動機的電磁轉矩與轉速的方向變化情況;

+T+MUn---T+MUfRaIaIf-+Un-+RaIaIf-EaEaUf+n,T同方向:電動U反接:反接制動-Ia反向-T反向n,T反方向:制動2. 制動原理

反接制動時,加到電樞兩端電源電壓的極性方向相反,端電壓為反向電壓?U,同時接入反接制動電阻RF,系統減速,在減速過程中,反接制動初始瞬間,由于機械慣性,轉速不能突變,仍保持原來的方向和大小,電樞感應電動勢也保持原來的大小和方向。

反接制動后電樞電流變為;

Ia?-UN-EaRa?RF?-UN?EaRa?RF( 2-16 )

從式 ( 2-16 )可知,電樞電流 Ia 變負,電磁轉矩Tem也隨之變負,說明反接制動

時Tem與n的方向相反,電磁轉矩Tem為制動性轉矩,拖動系統減速,在減速過程中,而 Ea

逐漸減小,Ia 和Tem 也隨之變小,動態轉矩仍小于0,系統繼續減速,直至n=0 ,應立即將接觸器觸頭KM1, KM2都斷開,使電動機脫開電源,系統制動停車過程結束。

在反接制動過程中,電動機電樞電壓反接,電樞電流反向,電功率Pem= Ea Ia < 0,表明機械功率被轉換成電功率,從電源輸入的功率和機械轉換的電功率都消耗在電樞回路電阻(R + RF)上。

(3)電樞電壓反向反接制動的機械 特性 電樞電壓反 向反接制動的機械 特性方程式為;

?UNR?RFn??aT??n0??FTem2emCe?NCeCT?N (2-17)

Ra?RF??式中機械特性斜率 FCC?2eTN

由式(2-17)可知,電樞電壓反向反接制動機 械特性是一條 過(-n0)點并與電樞回路串入電阻 RF的人為機械特性相平行的直線,如圖 2.23所示。

圖2.23 電樞電壓反向 反接制動機械特性

從圖2.23可以看出,反接制動開始,電動機的運行點從A 瞬間過渡到B點,然后沿機械特性曲線2轉速下降,當到C點即 n=0時,電動機立即斷開電源,拖動系統制動停車過程結束。 從B點到C點,就是反接制動過程。

如果電動機拖動的是反抗性恒轉矩負載,當反接制動過程到達C點時,n=0, Tem≠0,此時,若電動機不立即斷開電源,當-Tem的絕對值小于-TL 的絕對值時,,拖動系統將處于堵轉狀態;當-Tem的絕對值大于-TL 的絕對值時,拖動系統將就會反向起動,直到在D點穩定運行,這時-Tem=-TL。 反接制動適合于要求頻繁正、反轉的電力拖動系統,先用反接制動達到迅速停車,然后接著反向啟動并進入反向穩態運行,反之亦然。若只要求準確停車的系統,反接制動不如能耗制動方便。如果電動機拖動的是位能性負載,將在后面會提到的回饋制動狀態 。功率平衡關系和制動電阻的計算;

功率平衡:軸上機械功率通過電機轉換為電磁功率后,連同電網輸入功率全部消耗于電阻 。 Ra?RFUaIa?EaIa?(Ra?RF)Ia→ P1?Pem?Pcu

同樣反接制動的機械特性曲線的斜率也取決于制動電阻的大小為了保證制動電流不超過

IN。制動電阻RF的求值; (2~2.5)

?2UNRF??RaIbk (2-18)

Ibk<0),其大小與瞬間制動轉矩有關。 Ibk——電樞反接制動瞬間的電樞電流( 式中

UN,代入(2-18)式進行計算。 Ea≈ 在額定運行下制動,可以認為

2.倒拉反接制動 (1)實現方法

RF?-UN?Ea?RaIbk如圖2.24(a)所示,電動機提升重物時,將接觸器KM常開觸頭斷開,串入較大電阻 RF ,使提升的電磁轉矩小于下降的位能轉矩,拖動系統將進入倒拉反轉反接制動。

圖2.24 倒拉反接制

(2)制動原理

進入倒拉反轉反接制動時,轉速 n 反向為負值,使反電勢 Ea 也反向為負值,電樞電流Ia是正值,所以電磁轉矩也應為正值(保持原方向),與轉速n方向相反,電動機運行在制動狀態。此運行狀態是由于位能負載轉矩拖動電動機反轉而形成的,所以稱為倒拉反接制動。

在倒拉反轉制動運行狀態下,UN 、Ia 為正,電源輸入功率P1=UN×Ia >0,而電磁功率Pem=EaIa <0,表明從電源輸入的電功率和機械轉換的電功率都消耗在電樞回路電阻(Ra+RF)上,其功率關系與電樞電壓反向反接制動時相似。

(3)倒拉反接制動的機械特性

倒拉反接制動的機械特性就是電樞回路串電阻的人為機械特性,如圖2.24(b)所示,即

UNR?RFn??aT?n0??FTem2emCe?NCeCT?N

(2-19)

Ra?RF2式中機械特性斜率 CeCT?N在由提升重物轉為下放重物時,將KM觸頭斷開,電樞電路內串接較大電阻RF ,這時電動機轉速不能突變,工作點從a點瞬間跳至對應的人為機械特性b點上,由于Tem

?F?減速,沿曲線下降至c點。在c點,n=0,此時仍有Tem

顯而易見,下放重物的穩定運行速度可以因串入電阻RF的大小而不同,制動電阻RF越大,下放速度越快。電動機進入倒拉反接制動狀態必須有位能負載反拖電動機,同時電樞回路要串入較大的電阻。在此狀態中,位能負載轉矩是拖動轉矩,而電動機的電磁轉矩是制動轉矩,它抑制重物下放的速度,使之限制在安全范圍之內,這種制動方式不能用于停車,只

可以用于下放重物。

作業 課本P53 2-12 2-13





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