【導(dǎo)讀】機能耗制動方式的仿真、反接制動方式的仿真和回饋制動方式的仿真。論文分3大部分。第一部分在介紹直流電動機的應(yīng)用范圍、分類、結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)。了相關(guān)介紹，更是對simulink模塊和相關(guān)元件有了具體的認(rèn)識。流電動機5種啟動方式的原理并通過仿真得出相應(yīng)波形。第三部分包括了他勵直流電動機

　　

【正文】 學(xué)院畢業(yè)論文 25 圖 13 降壓啟動的原理圖 他勵直流電動機的啟動與制動的仿真 26 第 3 章：他勵直流電動機制動方式的仿真與分析 能耗制動 直流電動機的制動方式有多種：能耗制動、反接制動和回饋制動。在此先討論能耗制動。 直流電動機開始制動后 [8]，電動機的轉(zhuǎn)速從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零或反向一個轉(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。 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 bR ，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電樞回路的電阻上。 能耗制動分為兩種，分別用于不同場合。 能耗制動過程 —— 迅速停機 制動前后如圖 1 所示 [8]，與電動狀態(tài)相比，制動時，系統(tǒng)因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) 速 n 方向不變，由于磁場方向不變，故電動勢 E 方向也不變。由于電源被切除，電樞通過制動電阻 bR 短接，電動勢將產(chǎn)生與電動狀態(tài)時方向相反的電樞電流， aI 反向，使得 T 反向而成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機 的旋轉(zhuǎn)速度下降至零。當(dāng) n =0 時， E =0， aI =0，制動轉(zhuǎn)矩 T 自動消失。 上述制動過程也可以通過機械特性來說明，電動狀態(tài)是的機械特性如圖 2 中的特性 1，n 與 T 的關(guān)系為： TCC RCUnnTeanen 2?? ?? （ 31） 能耗制動時， aU =0，電樞回路中又增加制動電阻 bR ，故 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 27TCC RRnnTea 2b???? （ 32） 機械特性如圖 2 中的特性 2，它是一條通過原點、位于 4 象限的直線。 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。這是 T 反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在 T 和 LT 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 bR 的大小有關(guān)。 bR 小，則 aI 大， T 大，制動過程短，停機快。但制動過程中的最大電樞電流，即工作于 b 點時的電樞電流 abI 不得超過 amaxI 。由圖 1(2)可知 babab RR EI ?? （ 33） ab EE ? ，是工作于 b 點和 a 點時的電動勢。由此可得 aamaxba RIER ? M— EaI+ TnfU （ 1）電動狀態(tài) （ 2） 制動狀態(tài) 圖 1 能耗制動迅速停機的電路圖 他勵直流電動機的啟動與制動的仿真 28 能耗制動運行 —— 下放重物 若電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如圖 3 所示。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0 點，這一階段，電動機處于能耗制動過程中。當(dāng)工作點達到 0 點時， T =0，但 LT ＞ 0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向啟動，工作點將由 0 點下移到 c 點， T = LT ，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。由于下放重物時，電動機是穩(wěn)定運行在能耗制動狀態(tài)。 能耗 制動運行與能耗制動過程相比，由于 n 反向，引起 E 反向，使得 aI 和 T 也隨之反向，兩者的不同如圖 4 所示，在能耗制動過程中， n ＞ 0， T ＜ 0；然而在能耗 制動運行時， n ＜0， T ＞ 0。 能耗制動運行的效果與制動電阻 bR 的大小有關(guān)。 bR 小，特性 2 的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物慢。由圖 4（ 2）可知，工作在 c 點時，只取各量的絕對值，而不考慮正、負(fù)，則 圖 2 能耗制動迅速停機過程 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 2902accbannTTCCCTCIERRLTETE????? ??? (34) 下放重物時， 0T 與 LT 方向相反，與 T 方向相同，故 T= LT 0T ?？梢?，若要以轉(zhuǎn)速 n 下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 LT 的重物時，制動電阻應(yīng)為 a2bn RTTCCROLTE ??? ? (35) 忽略 0T ，則 a2bn RTCCRLTE ?? ? (36) bR 的結(jié)果應(yīng)與式 aamaxba RIER ? 校驗是否合適。 圖 3 能耗制動下放重物過程 （ 1） 能耗制動過程 （ 2） 能耗制動運行 圖 4 能耗制動過程與能耗制動運行得比較 他勵直流電動機的啟動與制動的仿真 30 反接制動 電壓反向反接制動 —— 迅速停機 當(dāng)電動機在電動運轉(zhuǎn)狀態(tài) 下以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 n 運行時候，如圖 5 所示，為了使工作機構(gòu)迅速停車，可在維持勵磁電流不變的情況下，突然改變電樞兩端外施電壓的極性，并同時串入電阻，如圖 6 所示。由于電樞反接這樣操作，制動作用會更加強烈，制動更快。電機反接制動時候，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機械的動能都消耗在電阻 ba RR? 上面。 同時也可以用機械特性來說明制動過程。電動狀態(tài)的機械特性如圖 7 的特性 1， n 與 T 的關(guān)系為： TCCRCUCIRUCEnIRUEICTnCTEaEaEaaaEaaaaTE2E??????????????? (37) 電壓反向反接制動時， n 與 T 的關(guān)系為： (38) 其機械特性如圖 7 中的特性 2。設(shè)電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載特性如圖 7 中的特性 3。 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，工作點平移到特性 2 上的 b 點， T 反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在 T 和 LT 的共同作用下，轉(zhuǎn)速 n迅速下降，工作點沿特性 2 由 b 移至 c 點，這是 0?n ，應(yīng)立即斷開電源，使制動過程結(jié)束。否則電動機將反向起動，到 d 點去反向穩(wěn)定運行。 電壓反向反接制動的效果與制動電阻 bR 的大小有關(guān) , bR 小 ,制動過程短 ,停機快 ,但制動過程中的但制動過程中的最大電樞電流，即工作于 b 點時的電樞電流 abI 不得超過)( 2 TCC RRCUnTEbaEa ??????中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 31aNa II )(m ax ?? 。由圖 47 可知，只考慮絕對值時 babI RREUaba ??? (39) 式中， Eb=Ea。由此求得電壓反接制動的制動電阻為 aa bab RI EUR ??? ma x (310) MU aEI aTn+U f( a ) 電 動 狀 態(tài) MU aEI an+TU fR b( b ) 制 動 狀 態(tài) 圖 5 制動前的電路圖 圖 6 制動后的電路圖 TTLn 231bac o noTL 圖 7 反接制動迅速停機過程 他勵直流電動機的啟動與制動的仿真 32 電動勢反向反接制動 —— 下方重物 制動前的電路如圖 8 所示，制動后的電路如圖 9 所示。制動時，電樞電壓不反向，只在電樞電路中串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)闹苿与娮?bR 。機械特性方程邊變?yōu)? TCC RRCUn TE baE a 2????? (311) 若電動機拖動 若電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則如圖 10 所示。制動前，系統(tǒng)工作在 固有特性 1 與負(fù)載特性 3 的交點 a 上。制動瞬間，工作點由 a 平移到人為特性上的 b 點。由于 LTT? 錯誤 !未找到引用源。 ， n 下降，工作點沿特性 2 由 b 點向 c 點移動。當(dāng)工作點到達 c 點時， cTT? 錯誤 !未找到引用源。 ，但 cLTT? 錯誤 !未找到引用源。 ，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動，工作點由 c 點下移到 d 點， cTT? 錯誤 !未找到引用源。 ，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行。這是 n 反向，電動機處在制動運行狀態(tài)穩(wěn)定下放重物。 在這種情況下制動運行時，由于 n 反向， E 也隨之反向，由圖可以看出，這時 E 與 aU的作用方向也變?yōu)橐恢拢?錯誤 !未找到引用源。 和 T 的方向不變， T 與 n 方向相反，成 為制動轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡，穩(wěn)定下放重物。所以這種反接制動稱為電動勢反向的反接制動運行。 電動勢反接制動的效果與制動電阻 bR 的大小有關(guān)。 bR 錯誤 !未找到引用源。 小，特性 2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物滿。由圖五知，在 d 點運行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負(fù)，則 )(R ba nCUTCI EUR EaTad da ??????? (312) 可見，若要以轉(zhuǎn)速 n 下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 LT 的重物，制動電阻應(yīng)為 aEaoL Tb RnCUTT CR ?????? )( (313) 忽略 oT ，則 aEaLTb RnCUTCR ????? )( (314) 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 33MU aEI aIn+U f( c ) 電 動 狀 態(tài) MU aEI an+IU fR b( d ) 制 動 狀 態(tài) 圖 8 制動前的電路圖 圖 9 制動后的電路圖 回饋制動 正向回饋制動 電車在平地行駛或上坡時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT 阻礙電車前往行駛。如圖 11所示。 系統(tǒng)工作在機械特性與負(fù)載特性 2的交點 a 上。電車下坡時， LT 反向變成幫助電車往下行駛，負(fù)載特性變?yōu)樘匦?3。在 T 和 LT? 的共同作用下， n 加速，工作點由 a 點沿特性 1向上移動。到達 0n 時， 0?T ，但 0?? LT ，即 LT 與 n 方向相同，在 LT? 作用下，電機繼續(xù)加速，工作點越過 0n 繼續(xù)向上移動。這時 T 反向，成為阻止電車下坡的制動轉(zhuǎn)矩。但TTL ?? ，工作點繼續(xù)上移，直至機械特性 1與負(fù)載特性 3的交點 b 為止， LTT ?? ，onn0ba3cdTCTLT2 圖 10 反接制動下放重物過程 他勵直流電動機的啟動與制動的仿真 34 電車恒速往下行駛。自從工作點越過 0n 后， 0nn? ，使得 aUE? ，電動機就進入了回饋制動過程，到達 b 點后，電機便處于回饋制動運行。由于這種回