1、运动控制基础 电机与拖动 主讲教师 刘玫 山东大学控制学院 一 电力拖动的动力学方程式及相关问题 二 各类典型机械的负载转矩特性 三 电力拖动系统的稳定运行条件 四 电力拖动系统动态过程的一般分析方法 五 电力拖动系统的起动方法及分析 六 电力拖动系统的调速方法及分析 七 电力拖动系统的制动方法及分析 内容提要 第3章直流电机的电力拖动 3 7他励直流电动机的制动 电动状态 和方向相同 电网向电机输入电能 转换成机械能带动负载 制动状态 和方向相反 电动机吸收机械能转换成电能 消耗在电枢回路电阻上或回馈电网 制动的目的 使系统停车或减速 使位能性负载稳定下放 1 能耗制动 A 能耗制动过程 能
2、耗制动状态 电动状态 原状态 电动机以稳定运行 小车以匀速向前 能耗制动时 去掉 同时接 不变 由于机械惯性 和不能突变 反向 反向为制动转矩 电动机进入制动状态 在和的共同作用下使 直至停车 在能耗制动过程中 电机变成了一台与电网无关的直流发电机 把系统的动能转换成电能 消耗在电枢回路的电阻上 系统的动能消耗完了 电动机就停止不动了 所以把这种运转状态叫做能耗制动 B 能耗制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算 能耗制动的机械特性可表示为 3 61 制动电阻的求取 由机械特性可知 特性平 大 制动快 但若过小 使过大 不允许 一般取 即 若 则 近似取 式中 为反接制动的起始电流 为反接制动
3、的起始电势 1 是反抗性负载 目的是准确停车 C 能耗制动时他励直流电动机的过渡过程分析 制动过程 象限 A点稳定运行 象限 进行能耗 反向 为制动转矩 在的共同作用下 直至 工作点 过渡过程 起始点 B点虚稳态点 C 3 68 2 是位能性负载 目的是重物稳速下放 制动过程 象限 A点稳定运行 稳速提升 象限 进行能耗 反向 在的共同作用下 重物减速上升 直至 在的作用下 重物产生 使n反转 重物下放 象限 n反向反向反向反向 制动转矩 直至 稳速下放 起始点 B点稳态点 C点 过渡过程 2 反接制动 A 电枢反接的反接制动 电压反接制动 1 电枢反接制动过程 电枢反接的反接制动转速反向的反
4、接制动 D 能耗制动特点 优点 简单 安全 制动时电机与电源脱离 减速平稳 反抗性负载能准确停车 缺点 下降快 制动转矩小 制动慢 电压反接制动 电动状态 电枢反接制动状态 原状态 电机稳定运行 小车稳速前进 进行电枢反接制动 将电压反接 同时串入大电阻 开始时 由于惯性及不变 反向反向 为制动状态 在与的共同作用下 使 直至 时 当反向起动 小车后退若要停车 须切断电源 当时 停车 无论何种情况 要准确停车 切断电源 反抗性负载 2 反接制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算 机械特性为 3 72 反接制动时的制动电阻决定了制动开始时制动电流 的大小 为防止制动电流过大 一般按照下列规则选择
5、制动电阻 即 式中 为反接制动的起始电流 为反接制动的起始电势 电机从电网吸收电能 又从轴上吸收机械能 变成电能消耗在电枢回路的总电阻上 电阻上消耗电能 变成热量散发出去 所以 反接制动能量损耗比较大 3 能量关系 电网输入的电能 轴上输入的机械能 电阻上消耗的电能 电压反接制动状态 忽略p0 and9 4 电压反接制动时的过渡过程分析 a 对于反抗性负载 若希望系统在反接制动过程中最后停车 则电机的机械特性对应于BC段 起始点 B点虚稳态点 E点 起始点 C点稳态点 D点 3 76 3 79 曲线在时刻C有折点 在C时刻用两个方程式描述 只是在C时刻两条曲线的值相等 但变化率不同 3 75
6、图3 33反接制动时的机械特性 若反接制动在C点不停车 则电机将反转 系统最终稳定运行在D点 CD段过渡过程为 3 81 3 82 工作点 起始点 B点稳态点 E点 优点 制动强烈 制动时间短 与能耗制动相比较 制动过程较大 缺点 消耗能量大 b 对于位能性负载 B 转速反向的反接制动 倒拉反接制动 电动机原以稳定运行 提升 进行转速反向的反接制动 串入足够大的 机械特性 电动状态 由于惯性及不变 串入 此时 直到 重物减速上升至停止 电动状态 转速反向的反接制动状态 时 若 只要足够大 反向反向 这时与反向 为制动转矩 随着 直到 稳定运行 稳速下放重物 在此阶段 由于反向使为制动转矩 所以
7、称为转速反向的反接制动 能量关系同电压反接制动时 转速反向的反接制动状态 转速反向的反接制动状态 3 回馈制动 定义 回馈制动是电机的实际转速超过理想空载转速 的运行状态 在这种运行状态下 电机处于发电制动状态 故回馈制动又称为再生制动 A 当电机正向运行时 他励直流电机的机械特性为 3 88 优点 制动设备简单 操作方便 缺点 消耗能量大 适用于低速匀速下放重物 B 当电机反向运行时 他励直流电机的机械特性为 3 90 根据式 3 88 和 3 90 绘出回馈制动时直流电机的机械特性如图3 36所示 图3 36直流电机回馈制动时的机械特性 由图3 36可以看出 正 反转回馈制动时的机械特性分
8、别位于第II IV象限 它们分别是正 反转电动机运行时的机械特性 分别位于第I III象限 的延伸 C 回馈制动通常发生在下列三种情况下 1 重物下放过程中 进行电压反接制动操作 1 电动状态 第一象限中A点 电机原带动重物稳定上升 工作于电动状态 见图a 工作点 2 电压反接制动 第二象限 进行电压反接制动操作 将反接 同时串入 工作点 在与的共同作用下 使得n下降 的绝对值减小 直至C点 电机工作于电压反接制动状态 重物减速上升 见图b 3 反向电动 第三象限中段 n 0时 在与的共同作用下使得n反向上升 随着n的反向上升 的值减小 直至D点 在这个期间n及均为负值 电机工作于反向电动状态
9、 重物加速下放 见图c 4 回馈制动 第四象限 时 在的作用下使得n继续反向上升 这时 使得反向 反向为制动转矩 电机工作于反向回馈制动状态 随着转速n的反向上升 感应电势增加 电磁转矩增加 直至重物稳定下放 见图d 2 降压过程中 图3 38电压降低过程中的回馈制动特性 3 增磁减速过程中 图3 39弱磁升速过程中的回馈制动特性 原状态 a点 调速 不能突变 工作点 直至 稳定运行 可见 在段 电机处于回馈制动状态 原状态 a点 弱磁调速 忽略电磁惯性 不能突变 工作点 直至 稳定运行 可见 在段 电机处于回馈制动状态 若考虑电磁惯性 也有一段机械特性处于第二象限 电机处于回馈制动状态 能量
10、关系 分析方法一 电动状态 回馈制动状态 回馈制动时 电动机将轴上的机械能转变为电能 一部分消耗在电枢回路的电阻上 大部分回馈电网 比较经济 制动状态小结 机械特性 能耗制动第 象限 电压反接制动第 象限 转速反向的反接制动第 象限 正向回馈制动第 象限 反向回馈制动第 象限 应用场合 反抗性负载停车 能耗 慢 准确 电压反接 快 需要切断电源 位能性负载下放 回馈经济 能耗 次之 转速反向的反接制动 不经济 能耗大 能量损耗 回馈能耗反接能耗大的方向 本节要求 重点掌握他励直流电动机的制动方法种类 重点掌握他励直流电动机的制动操作 机械特性和电压方程式 制动电阻的计算 能量关系 过渡过程 正确进行电阻值及转速等参数计算 思考题 3 1 3 3 3 5 3 8 习题 3 5 3 6下周第一次课交作业 and10
