【導(dǎo)讀】機(jī)能耗制動(dòng)方式的仿真、反接制動(dòng)方式的仿真和回饋制動(dòng)方式的仿真。論文分3大部分。第一部分在介紹直流電動(dòng)機(jī)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(duì)simulink模塊和相關(guān)元件有了具體的認(rèn)識(shí)。流電動(dòng)機(jī)5種啟動(dòng)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)

　　

【正文】 望它能迅速制動(dòng)，停止下來，如在精密儀器的制動(dòng)過程中，液晶顯示屏幕的切割等等，但有的時(shí)候我們卻希望電機(jī)能夠 慢慢地停下來，利用慣性來工作。于是，直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)又分為迅速停機(jī)和下放重物兩種方式。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)是：將電樞與電源斷開，串聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻 bR ，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電樞回路的電阻上。 能耗制動(dòng)分為兩種，分別用于不同場(chǎng)合。 能耗制動(dòng)過程 —— 迅速停機(jī) 制動(dòng)前后如圖 1 所示 [8]，與電動(dòng)狀態(tài)相比，制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速 n 方向 不變，由于磁場(chǎng)方向不變，故電動(dòng)勢(shì) E 方向也不變。由于電源被切除，電樞通過制動(dòng)電阻 bR 短接，電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)方向相反的電樞電流， aI 反向，使得 T 反向而成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度下降至零。當(dāng) n =0 時(shí)， E =0， aI =0，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T 自動(dòng)消失。 上述制動(dòng)過程也可以通過機(jī)械特性來說明，電動(dòng)狀態(tài)是的機(jī)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(dòng)時(shí)， aU =0，電樞回路中又增加制動(dòng)電阻 bR ，故 27TCC RRnnTea 2b???? （ 32） 機(jī)械特性如圖 2 中的特性 2，它是一條通過原點(diǎn)、位于 4 象限的直線。 設(shè)電 動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。制動(dòng)前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性 1 與負(fù)載特性 3的交點(diǎn) a 上。制動(dòng)瞬間，因機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，工作點(diǎn)由 a 點(diǎn)平移到能耗制動(dòng)特性 2 上的 b 點(diǎn)。這是 T 反向，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)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(diǎn)沿特性 2 由 b 點(diǎn)移至 0 點(diǎn)。這時(shí)， n =0， T 也自動(dòng)變?yōu)榱悖苿?dòng)過程結(jié)束。 能耗制動(dòng)過程的效果與制動(dòng)電阻 bR 的大小有關(guān)。 bR 小，則 aI 大， T 大，制動(dòng)過程短，停機(jī)快。但制動(dòng)過程中的最大電樞電流，即工作于 b 點(diǎn) 時(shí)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(diǎn)和 a 點(diǎn)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。由此可得 aam axba RIER ? M— EaI+ TnfU （ 1）電動(dòng)狀態(tài) （ 2） 制動(dòng)狀態(tài) 圖 1 能耗制動(dòng)迅速停 機(jī)的電路圖 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 28 能耗制動(dòng)運(yùn)行 —— 下放重物 若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如圖 3 所示。制動(dòng)前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性 1 與負(fù)載特性 3 的交點(diǎn) a 上，電動(dòng)機(jī)以一定的速度提升重物。在需要穩(wěn)定下放重物時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。工作點(diǎn)由機(jī)械特性 1 上的 a 點(diǎn)平移到特性 2 上的 b 點(diǎn)，并迅速移動(dòng)到0 點(diǎn)，這一階段，電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)過程中。當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到 0 點(diǎn)時(shí)， T =0，但 LT ＞ 0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向啟動(dòng)，工作點(diǎn)將由 0 點(diǎn)下移到 c 點(diǎn)， T = LT ，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí) n 反向，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定下放重物。由于下放重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)是穩(wěn)定運(yùn)行在能耗制動(dòng)狀態(tài)。 能耗制動(dòng)運(yùn)行與能耗制動(dòng)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(dòng)過程中， n ＞ 0， T ＜ 0；然而在能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)， n ＜0， T ＞ 0。 能耗制動(dòng)運(yùn)行的效果與制動(dòng)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(diǎn)時(shí)，只取各量的絕對(duì)值，而不考慮正、負(fù)，則 圖 2 能耗制動(dòng)迅速停機(jī)過程 2902accbannTTCCCTCIERRLTETE????? ??? (34) 下放重物時(shí)， 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(shí)，制動(dòng)電阻應(yīng)為 a2bn RTTCCROLTE ??? ? (35) 忽略 0T ，則 a2bn RTCCRLTE ?? ? (36) bR 的結(jié)果應(yīng)與式 aam axba RIER ? 校驗(yàn)是否合適。 圖 3 能耗制動(dòng)下放重物過程 （ 1） 能耗制動(dòng)過程 （ 2） 能耗制動(dòng)運(yùn)行 圖 4 能耗制動(dòng)過程與能耗制動(dòng)運(yùn)行得比較 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 30 反接制動(dòng) 電壓反向反接制動(dòng) —— 迅速停機(jī) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 n 運(yùn)行時(shí)候，如圖 5 所示，為了使工作機(jī)構(gòu)迅速停車，可在維持勵(lì)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(shí)串入電阻，如圖 6 所示。由于電樞反接這樣操作，制動(dòng)作用會(huì)更加強(qiáng)烈，制動(dòng)更快。電機(jī)反接制動(dòng)時(shí)候，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)能都消耗在電阻 ba RR? 上面。 同時(shí)也可以用機(jī)械特性來說明制動(dòng)過程。電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)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(dòng)時(shí)， n 與 T 的關(guān)系為： (38) 其機(jī)械特性如圖 7 中的特性 2。設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性 1 與負(fù)載特性 3 的交點(diǎn) a 上，制動(dòng)瞬間，工作點(diǎn)平移到特性 2 上的 b 點(diǎn)， T 反向，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)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(diǎn)沿特性 2 由 b 移至 c 點(diǎn)，這是 0?n ，應(yīng)立即斷開電源，使制動(dòng)過程結(jié)束。否則電動(dòng)機(jī)將反向起動(dòng)，到 d 點(diǎn)去反向穩(wěn)定運(yùn)行。 電壓反向反接制動(dòng)的效果與制動(dòng)電阻 bR 的大小有關(guān) , bR 小 ,制動(dòng)過程短 ,停機(jī)快 ,但制動(dòng)過程中的但制動(dòng)過程中的最大電樞電流，即工作于 b 點(diǎn)時(shí)的電樞電流 abI 不得超過)( 2 TCC RRCUnTEbaEa ?????? 31aNa II )(m a x ?? 。由圖 47可知，只考慮絕對(duì)值時(shí) babI RREUaba ??? (39) 式中， Eb=Ea。由此求得電壓反接制動(dòng)的制動(dòng)電阻為 aa bab RI EUR ??? m a x (310) MU aEI aTn+U f( a ) 電 動(dòng) 狀 態(tài) MU aEI an+TU fR b( b ) 制 動(dòng) 狀 態(tài) 圖 5 制動(dòng)前的電路圖 圖 6 制動(dòng)后的電路圖 TTLn 231bac o noTL 圖 7 反接制動(dòng)迅速停機(jī)過程 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 32 電動(dòng)勢(shì)反向反接制動(dòng) —— 下方重物 制動(dòng)前的電路如圖 8 所示，制動(dòng)后的電路如圖 9 所示。制動(dòng)時(shí)，電樞電壓不反向，只在電樞電路中串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電阻 bR 。機(jī)械特性方程邊變?yōu)? TCC RRCUn TE baE a 2????? (311) 若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則如圖 10 所示。制動(dòng)前，系統(tǒng)工作在固有特性 1 與負(fù)載特性 3 的交點(diǎn) a 上。制動(dòng)瞬間，工作點(diǎn)由 a 平移到人為特性上的 b 點(diǎn)。由于 LTT? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， n 下降，工作點(diǎn)沿特性 2 由 b 點(diǎn)向 c 點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá) c 點(diǎn)時(shí)， cTT? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，但 cLTT? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動(dòng)，工作點(diǎn)由 c 點(diǎn)下移到 d 點(diǎn)， cTT? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行。這是 n 反向，電動(dòng)機(jī)處在制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定下放重物。 在這種情況下制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由于 n 反向， E 也隨之反向，由圖可以看出，這時(shí) E 與 aU的作用方向也變?yōu)橐恢?，?錯(cuò)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(dòng)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(dòng)稱為電動(dòng)勢(shì)反向的反接制動(dòng)運(yùn)行 。 電動(dòng)勢(shì)反接制動(dòng)的效果與制動(dòng)電阻 bR 的大小有關(guān)。 bR 錯(cuò)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(diǎn)運(yùn)行時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，只取各量的絕對(duì)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(dòng)電阻應(yīng)為 aEaoL Tb RnCUTTCR ?????? )( (313) 忽略 oT ，則 aEaLTb RnCUTCR ????? )( (314) 33MU aEI aIn+U f( c ) 電 動(dòng) 狀 態(tài) MU aEI an+IU fR b( d ) 制 動(dòng) 狀 態(tài) 圖 8 制動(dòng)前的電路圖 圖 9 制動(dòng)后的電路圖 回饋制動(dòng) 正向回饋制動(dòng) 電車在平地行駛或上坡時(shí)，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(jī)械特性與負(fù)載特性 2的交點(diǎn) a 上。電車下坡時(shí)， 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(diǎn)由 a 點(diǎn)沿特性 1向上移動(dòng)。到達(dá) 0n 時(shí)， 0?T ，但 0?? LT ，即 LT 與 n 方向相同，在 LT? 作用下，電機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)越過 0n 繼續(xù)向上移動(dòng)。這時(shí) T 反向，成為阻止電車下坡的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但TTL ?? ，工作點(diǎn)繼續(xù)上移，直至機(jī)械特性 1與負(fù)載特性 3的交點(diǎn) b 為止， LTT ?? ，onn0ba3cdTCTLT2 圖 10 反接制 動(dòng)下放重物過程 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的仿真 34 電車恒速往下行駛。自從工作點(diǎn)越過 0n 后， 0nn? ，使得 aUE? ，電動(dòng)機(jī)就進(jìn)入了回饋制動(dòng)過程 ，到達(dá) b 點(diǎn)后，電機(jī)便處于回饋制動(dòng)運(yùn)行。由于這種回饋制動(dòng)，電樞電壓方向沒有改變，故稱正向回饋制動(dòng)。正向回饋制動(dòng)與電機(jī)狀態(tài)相比，雖然 n 、 E 、 aU 的方向都未改變，但因 aUE? ，使得 aI 以及 T 反向，兩者的區(qū)別如圖 12所示。 圖 11 回饋制動(dòng)電車下坡過程 反向回饋制動(dòng) —— 下放重物 制動(dòng)時(shí)，將電樞電壓反向，并在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻 bR 。制動(dòng)前后的 電路圖如圖 14所示 [10]。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如圖 15所示。 （ 1）電動(dòng)狀態(tài) （ 2）制動(dòng)狀態(tài) 圖 12 正向回饋制動(dòng)時(shí)的電路圖