他励直流电机制动过程的MATLAB分析

第一篇：他励直流电机制动过程的MATLAB分析

一、题目

基于MATLAB/SIMULINK的他励直流电动机的回馈制动仿真

二、摘要

电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相反，电动机吸收机械能并转化为电能。其中自由停车是指断开电动机的电源，拖动系统自己停车。但生产中常需要加快电动机的停车过程，以提高生产效率。故必须对电动机采取一定的制动措施，而回馈制动是将机械能转化的电能回馈给电网。为了便于生产应用，本仿真模型研究了电机制动过程中的电枢电流、转速、转矩的变化，以及转矩和转速之间的关系。

三、内容 ㈠.提出问题：

他励直流电动机的制动措施主要有三种：

1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。

2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。

3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。而三种制动中，回馈制动在现代电动汽车上应用的最多，但它制动时的特性却少有人研究，故本仿真模型只研究电动机回馈制动过程，该过程可细分为两种类型。

①位能负载拖动电动机

在反向制动状态时：

当电机在负载拖动下的转速高于理想空载转速时：电流Ia由电源的正端流出，即向电机外发电，向电网回馈电能，同时电机转矩与转动反向相反，是制动状态，故称为回馈制动。②他励电动机改变电枢电压

若电动机在带负载运行过程中，突然降低电枢电压，由于转速来不及变化。则电枢电流也会发生改向，也是从电源正端流出，即出现回馈制动。

㈡.系统工作原理说明

运用MATLAB技术，调用电动机、电压源、示波器、运算放大器、接地系统等模块，由此构成一个可以观察转速、转矩、电枢电流的直流电动机系统，将初始转速n0设置为2000r/min，让系统运行，即可观察电动机回馈制动全过程中参数的变化。㈢.系统建模过程

假设他励直流电动机的参数如下：UN=240V，IN=16.2A,PN=3731W,Ra=1.5Ω，nN=1220r/min，电枢电感La=0.012H，励磁电阻Rf=240Ω,励磁电感Lf=120H，转动惯量J=1Kg.m，粘滞摩擦系数Bm=0，空载转矩T0=0，由于初始转速高于理想转速，因此相当于电动机在第二象限下进行回馈制动。2

直流电压源及直流电动机参数设置如下：

㈣.系统仿真分析

点击仿真开始按钮后，仿真结果如下四幅图所示：

他励直流电动机的转速从2000r/min开始进入回馈制动过程，在0-2s过程中，转速n从2000r/min急剧下降，2s后转速缓慢下降由100r/min逐渐减至0；转矩Te和电枢电流Ia的变化规律基本相同，都是由反方向的值不断减小，在2.5s时，值减小为零后便不再变化，说明最大电流及最大转矩均出现在转速最大时。转速与转矩之间的关系：当转速下降到1800r/min时，转矩的大小达到最大值-3800N，之后转矩随着转速的下降而逐渐减小到零。㈤.结论

根据上面仿真的图形结果，他励电动机回馈制动的特点是：电动机的转速大于理想空载转速1220r/min时，EUa电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。

掌握了直流电动机回馈制动的规律以后，我们就可以把制动过程中的电动机暂时用作发电机，将由动能转换来的电能不是消耗在电阻上，而把它反馈至电网。借助MATLAB软件对整个过程各控制量与时间的相互关系进行了模拟仿真，为制动的过程设计提供了可靠的依据，对更清楚地了解和设计他励直流电机制动的特点具有重要意义

作者： 学号： 联系电话： 专业：

第二篇：他励直流电动机制动课程设计 0430 崔善泽

课程设计报告

设计题目：

他励直流电动机制动课程设计

学

校：

华东交通大学理工学院 学 生

姓 名：

崔 善 泽

专

业：

电气工程及其自动化

班

级：

电牵2班

学

号：

20***0

指 导

教 师：

李 房 云

摘要

本设计先介绍了他励直流电动机的工作方式，是为后面电动机制动作铺垫。对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般有大致可分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。在这次的设计中，我们着重讨论的是他励直流电机能耗制动。主要讨论关于能耗制动一些技术方面问题的分析与设计。以两种方式讲解：图示法和公式法。在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的(电动机的瞬时态)讲解。在公式法中，我们将严格依据电动的工作特性曲线来讨论不同时态的变动，并且最重要的是在公式法中我们讨论了Rb的电阻要求并讲解了为什么必须要串入电阻Rb。在下放重物的过程中方式同迅速停机一致重点放在反向启动后，电动机的运行情况。并且运用之前所介绍的基础知识来解 T，TL，To之间的关系。

关键词

制动

能耗制动

反接制动

回馈制动

迅速停机 放下重物

目录

前言…………………………………………………………………………… 3 第1章 直流电动机的工作原理………………………………………………4 第2章 他励直流电动机的电路模型…………………………………………5 第3章 他励直流电动机的机械特性…………………………………………5 3.1 机械特性表达式……………………………………………………… 5

3.2 固有机械特性………………………………………………………… 6 3.3 人为机械特性………………………………………………………… 7 第4章 他励直流电动机的制动………………………………………………9 4.1 能耗制动……………………………………………………………… 9 4.2 反接制动……………………………………………………………… 13 4.3 回馈制动……………………………………………………………… 17 第5章 他励直流电动机制动设计……………………………………………21 第6章 总结……………………………………………………………………22 致谢…………………………………………………………………………… 23

前言

电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。

电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。制动的基本原理是使电动机转子上产生一个反力矩，具体有三种方法，即能耗制动、反接制动、回馈制动。

第1章

1.1直流电动机的工作原理

直流的电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有直流电能→机械能。

在直流电动机中，为了产生不变的电磁转矩，尽量减小气隙，以达到最强的磁场与最高的效率，就要利用磁场的作用，由通电导体形成绕组，由转子铁心和定子磁极形成磁场，通过换向器使转子的磁极的极性始终保持和定子的极性相反，形成旋转的力矩，从而外部电路中的直流电流通过换向转变成电机内部的交 流电流，将电能转化为机械能。

a）b)图1-1 直流电动机原理图

如图1-1所示电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电刷绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N极下面导线电流是由a到b，根据左手定理可知导线ab受力方向向左，而导线cd受力方向向右。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是电流方向已改变为有d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样使得电机一直旋转下去。

第2章

2.1 他励直流电动机的电路模型

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图2-1所示，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

励磁电流：IfUfRf

电枢电流：UaERaIa

IaUaET

CTRa电动机的转速：nUaRaT 2CECECT第3章 他励直流电动机的机械特性

3.1机械特性表达式

在他励电动机中，Ua、Ra、If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。

根据公式

TCTIa

EaCen

UEaIaR

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系

nUaRaTnonnoT 2CECECT其中称为理想空载转速

n0UCe

β机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性，其值为：

Radn

2dTCECTn是转速差，其值为：

nnonT

机械特性的硬度为：

dT1 dn斜率越小，硬度越大，机械特性越强。

当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。

3.2 固有机械特性

由方程式nUnRa得到他励电动机的固有特性，如图3-1所示，2CenCeCTn由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这是电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。

nnonNNMnM

OTNTMT

图3-1 他励电动机的固有特性

固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax1.5~2.0IaN。对应转矩TM是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。

3.3 人为机械特性

1、增加电枢串接电阻的人为机械特性

在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，根据公式

nRRfUaT 2CECECT这时相当于电路电枢电阻Ra增加，理想空载转速no不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3-2所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。

图3-2 增加电枢电路电阻时的人为特性

2、降低电枢电压时的人为机械特性

Ua

当降低电枢电压时，降低时，no减小，不变，不变，人为特性如图3-3所示，机械特性平行下移。

图3-3 降低电枢电压时的机械特性

3、减弱励磁电流时的人为机械特性

减小励磁电流If，则磁通减小，no增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示。

图3-4 减弱励磁电流时的机械特性

第4章 他励直流电动机的制动

他励直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接制动，回馈制动

4.1 能耗制动

直流电动机的制动方式有多种：能耗制动、反接制动和回馈制动。在此我们选择的研究方向是能耗制动。

直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（下放重物的情况）的过程称为制动过程。对于电动机来讲，我们有时候希望它能迅速制动，停止下来，如在精密仪器的制动过程中，液晶显示屏幕的切割等等，但有的时候我们却希望电机能够慢慢地停下来，利用惯性来工作。于是，直流电动机能耗制动又分为迅速停机和下放重物两种方式。

他励直流电动机能耗制动的特点是：将电枢与电源断开，串联一个制动电阻Rb，使电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。

能耗制动分为两种，分别用于不同场合。

4.1.1 能耗制动过程——迅速停机

制动前后如图4-1所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。由于电源被切除，电枢通过制动电阻Rb短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，Ia反向，10 使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。当n=0时，E=0，Ia=0，制动转矩T自动消失。

a）电动状态

IaT +E-M—--Ufnb）制动状态

图4-1 能耗制动迅速停机的电路图

上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如图4-2中的特性1，n与T的关系为

nUnRaT

2CenCeCTn能耗制动时，Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb，故

nRaRbCeCTn2T

机械特性如图4-2中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。

图4-2 能耗制动迅速停机过程

设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a点平移到能耗制动特性2上的b点。这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b点移至0点。这时，n=0，T也自动变为零，制动过程结束。

能耗制动过程的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则Ia大，T大，制动过程短，停机快。但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax。由图3-1（b）可知IabEbIamaxEb式中，EbEa，是工作于b

RaRb点和a点时的电动势。由此可得Ra-Ra

4.1.2 能耗制动运行——下放重物

若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-3所示。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，让电动机处于能耗制动状态。工作点由机械特性1上的a点平移到特性2上的b点，并迅速移动到0点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。当 12 工作点达到0点时，T=0，但TL＞0，在重物的重力作用下，系统反向启动，工作点将由0点下移到c点，T=TL，系统重新稳定运行，这时n反向，电动机稳定下放重物。由于下放重物时，电动机是稳定运行在能耗制动状态。

图4-3 能耗制动下放重物过程

能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得Ia和T也随之反向，两者的不同如图4-4所示，在能耗制动过程中，n＞0，T＜0；然而在能耗制动运行时，n＜0，T＞0。

能耗制动运行的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4-4（b）可知，工作在c点时，只取各量的绝对值，而不考虑正、负，则

RaRbEcCEnn

CECT2TIacTLT0CT下放重物时，T0与TL方向相反，与T方向相同，故T=TL-T0。可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物时，制动电阻应为

RbCECT2nRa

TLTO 13 忽略T0，则

RbCECT2EbIamaxnRa TLRb的结果应与式Ra-Ra校验是否合适。

a）能耗制动过程

（b）能耗制动运行

图4-4 能耗制动过程与能耗制动运行得比较

4.2 反接制动

4.2.1 电压反向反接制动——迅速停机

当电动机在电动运转状态下以稳定的转速n运行时候，如图4-5所示，为了使工作机构迅速停车，可在维持励磁电流不变的情况下，突然改变电枢两端外施电压的极性，并同时串入电阻，如图4-6所示。由于电枢反接这样操作，制动作用会更加强烈，制动更快。电机反接制动时候，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rb上面。

IaTUan+MEUf-(a)电动状态 图4-5 制动前的电路图

RbIaTUaMn+EUf-(b)制动状态

图4-6 制动后的电路图

同时也可以用机械特性来说明制动过程。电动状态的机械特性如下图三的特性1，n与T的关系为

ECEnTCTIaEUaRaIanURaIaURaEaaTCECECECECT2

电压反向反接制动时，n与T的关系为

UaRaRbn(T)2CECECT

其机械特性如图4-7中的特性2。设电动机拖动反抗性恒转矩负载，负载特性如图4-7中的特性3。

2n no 3a1bTLcoTLT

图4-7 反接制动迅速停机过程

制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，制动瞬间，工作点平移到特性2上的b点，T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b移至c点，这是n0，应立即断开电源，使制动过程结束。否则电动机将反向起动，到d点去反向稳定运行。电压反向反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关，Rb小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax(1.52.0)IaN。由图4-7可知，只考虑绝对值时

IabUaEb

RaRb式中，Eb=Ea。由此求得电压反接制动的制动电阻为

RbUaEbRa Iamax4.2.2 电动势反向反接制动——下方重物

制动前的电路如图4-8所示，制动后的电路如图4-9所示。制动时，电枢电压不反向，只在电枢电路中串联一个适当的制动电阻Rb。机械特性方程边变为

nUaRRbaT CECECT2 16

IaIUan+MEUf-(c)电动状态

图4-8制动前的电路图

RbIaIUaMn-EUf+(d)制动状态

图4-9 制动后的电路图

若电动机拖动若电动机拖动位能性恒转矩负载，则如图4-10所示。制动前，系统工作在固有特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于TTL错误！未找到引用源。，n下降，工作点沿特性2由b点向c点移动。当工作点到达c点时，TTc错误！未找到引用源。，但TLTc错误！未找到引用源。，在重物的重力作用下，系统反向起动，工作点由c点下移到d点，TTc错误！未找到引用源。，系统重新稳定运行。这是n反向，电动机处在制动运行状态稳定下放重物。

在这种情况下制动运行时，由于n反向，E也随之反向，由图可以看出，这时E与Ua的作用方向也变为一致，但错误！未找到引用源。和T的方向不变，T与n方向相反，成为制动转矩，与负载转矩保持平衡，稳定下放重物。所以这种反接制动称为电动势反向的反接制动运行。

电动势反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb错误！未找到引用源。小，特性2的斜率小，转速低，下放重物满。由图五知，在d点运行时，为简化 分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbUaEdCT(UaCEn)IadT可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物，制动电阻应为

Rb忽略To，则

RbCT(UaCEn)Ra

TLToCT(UaCEn)Ra TLn3n0abocTCTLTd图4-10反接制动下放重物过程

4.3 回馈制动

4.3.1 正向回馈制动——电车下坡

电车在平地行驶或上坡时，负载转矩TL阻碍电车前往行驶。如图4-11所示：

图4-11 回馈制动电车下坡过程

系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，TL反向变成帮助电车往下行驶，负载特性变为特性3。在T和TL的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但TLT，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-12所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-12 正向回馈制动时的电路图

正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-13所示：

（a）改变电枢电压调速（b）改变励磁电流调速

图4-13 调速是出现的正向回馈制动

在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时间，加快调速过程。

4.2.2 反向回馈制动——下放重物

制动时，将电枢电压反向，并在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-14所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-14 反向回馈制动时的电路图

这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-15所示：

图4-15 回馈制动下放重物过程

制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，T0，但TL0，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，TTL，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。

在上述制动过程中，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。

反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且EUa，Ia方向不变，T方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。

回馈制动的效果也与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

由图4-14（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbEUaCEnUaCT（CEnUa）

TIaTCT可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

RaCT（CEnUa）Ra TLT0忽略T0，则

RaCT（CEnUa）Ra TL采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的Rb还要满足RbUaEbRa的要求。Iamax第5章 他励直流电动机的制动设计

一台他励电动机设PN22KW,UaN440V，IaN65.3,nN600r/min，IaMAX/IaMIN2，T0忽略不计。拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，计算电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于多少？ 解：由额定数据求得：

UaNRaPNIaN2210344065.31.5865.3IaNPN22103E336.91VIaN65.3CECTE336.910.562nN6006060CE0.5625.365223.1460PN6022000TNNm350.32Nm2nN23.14600 迅速停机时：TL0.8TN0.8350.32Nm280.256NmIaTL280.25652.24CT5.365EIamaxRa(357.461.58)1.16265.3EUaRaIa(4401.5852.24)V357.46VRb即电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于1.16的电阻。

总结

一、能耗制动

制动时在电动机的绕组中串接电阻，电动机相当于发电机，将拥有的的能量转换成电能消耗在所串联的电阻上。这种方法在各种电机制动中广泛应用，变频控制也用到了。从高速到低速，这是电气的频率变化的很快，但电动机的转子带着负载有较大的机械惯性，不可能很快的停止，这样就产生反电动势电动机处于发电状态，其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动力矩，迫使转子较快停下来但由于通常变频器是交→直→交整流电路是不可逆的，因此无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，称崩升电压，当超过设定上限值电压时，制动回路导通，这就是制动单元的工作过程，制动电阻流过电源，从而将动能边热能消耗电压随之下降，待到设定下限时即断。这种制动方法属不可控，制动力矩有波动，制动时间是人为设定的。

制动电阻的选取经验：

<一>电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；

<二>不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件； <三>制动时间可认为选择；

<四>小容量变频器（7.5Kw）一般是内接制动单元和制动电阻的； <五>当在快速制动出现过电压时说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值

二、反接制动

直流电动机，将电机的电源正负反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反交流电机制动采用改变相序的方法产生反向转矩，原理类似。反接制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。

三、回馈制动

当采用有源逆变技术控制电机时，将制动时再发生 电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，并将电能消耗在电网上从而实现制动。

致谢

感谢指导老师的指导和解惑，还有同学间的团结协作，密切配合，各抒己见使我的这次课程设计圆满成功。另外，在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。

通过这次课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。

参考文献

[1] 陈勇 罗萍 向敏 电力拖动与控制 北京 人民邮电出版社2011.10 [2] 李岚 电力拖动与控制 机械工业出版社 2011.1

第三篇：电机与拖动课程设计 他励直流电动机的回馈制动

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第一章

直流电动机工作原理

图1-1 直流电动机工作原理示意图

图1.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩逆时针方向旋转，如图1-1(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图1-1（b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

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第二章

直流电动机的分类

根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励、并励、串励和复励四种。

图2-1 直流电动机按励磁方式的分类

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第三章

他励直流电动机的机械特性

在他励电动机中，Ua,Ra,If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。根据公式：

TCTIa

ECEn

UaEIaRa

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系：

UIRUIRURaEnaaaaaaaTn0T

CECECECECECECT2当Ua、Ra、为常数时，nfT为一条向下倾斜的直线，如图3所示：

图3-0 他励直流电动机的固有特性

Ua 称为理想空载转速； CERa  称为机械特性的斜率，大小反映软特性与硬特性； 2CECTRaT 称为负载时的转速降。

nTCECT由于电枢电路电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大,固有特性为硬特性。其中： n0 3

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3.1 固有机械特性

UUN、N电枢回路不串电阻时的机械特性。其方程式为：

UIRUIRURaE naaaaaaaTn0T

CECECECECECECT2由于Ra较小，特性的斜率小，所以他励直流电动机的固有机械特性是一条稍稍向下

倾斜的直线，如3-2所示：

图3-1 他励直流电动机的固有特性

固有特性称为硬特性，其额定转速变化率为：

nn0nNN%n100%

N3.2 电枢串接电阻时的人为机械特性

将电枢回路串接电阻，而保持电源电压和励磁磁通不变其机械特性如图3-2所示： 4

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图3-2 电枢串接电阻时的人为机械特性

与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点:

1、理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻Ra的变化而变化；

2、随着串接电阻的加大，特性的斜率加大，转速降落n加大，特性变软，稳定性变差；

3、机械特性由与纵坐标轴交于一点nn0但具有不同斜率的射线族所组成；

4、串入的附加电阻越大，电枢电流流过附加电阻所产生的损耗就越大。

3.3 改变电源电压时的人为机械特性

此时电枢回路附加电阻Rka0，磁通保持不变。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。

由机械特性方程，得出这时的人为机械特性如图3-3所示。

与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为：

1、特性斜率不变，理想空载转速n0降低；

2、机械特性曲线平行下移，机械特性由一组平行线所组成；

3、不变，机械特性的硬度不变。

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图3-3 改变电源电压时的人为机械特性

3.4 减小励磁电流时的人为特性

减小励磁电流I，则磁通减小，n0增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示：

图3-4 减小励磁电流时的人为特性

第四章 他励直流电机的制动

为了满足生产和生活的需要，电力拖动系统往往需要使电动机尽快停转或者由高速运行迅速转为低速运行，为此需要对电动机进行制动，同时对于位能性负载的工作结构，为

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了获得稳定的下降速度也需要对电动机进行制动。

制动是电动机一个重要的运行状态，其运行的特点是电磁转矩Tm的方向与旋转方向n相反。

4.1 他励直流电动机的制动种类

他励直流电动机的制动方法包括能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

4.2 回馈制动

他励电动机回馈制动的特点是：使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。

回馈制动又分为以下两种类型。

4.2.1 正向回馈制动——电车下坡

电车在平地行驶或上坡时，负载转矩TL阻碍电车前往行驶。如图4-1所示：

图4-1 回馈制动电车下坡过程

系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，TL反向变成帮助电车向下加速行驶，负载特性变为特性3。在T和TL的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但

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TLT，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-2所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-2 正向回馈制动时的电路图

正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-3所示：

（a）改变电枢电压调速（b）改变励磁电流调速

图4-3 调速时出现的正向回馈制动

在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时间，加快调速过程。

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4.2.2 反向回馈制动——下放重物

制动时，将电枢电压反向，并且在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-4所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-4 反向回馈制动时的电路图

这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-5所示：

图4-5 回馈制动下放重物过程

制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，T0，但TL0，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，TTL，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。

在上述制动过程中，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是

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在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。

反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且EUa，Ia方向不变，T方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。

回馈制动的效果也与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

由图4-4（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbEUaCEnUaCT（CEnUa）

TIaTCT可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

RaCT（CEnUa）Ra TLT0忽略T0，则

RaCT（CEnUa）Ra TL采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的Rb还要满足Rb

UaEbRa的要求。Iamax

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结论

他励电动机回馈制动就是使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。如果直流电源采用电力电子设备,则需要有逆变装置才能将电能回馈给电网.回馈制动主要分为一下两种:正向回馈制动—电车下坡.电动机车下坡时，重力加速度将使车速增高，为了安全需要制动限速。当电动机转速升高而增大的电枢感应电动势大于电网电压时，电动机便变为发电机运行，它的电枢电流和电磁转矩的方向都将倒转，就限制了转速进一步增高，起了制动作用。电枢电流方向倒转，电功率回馈到电网，故称为回馈制动，回馈的电功率来源于电动机车下坡时所释放出来的位能。反向回馈制动—下放重物.辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计

心得体会

我们通过学习电机与拖动，对他励直流电动机有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次他励直流电动机的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。

在此次的他励直流电动机的设计过程中，我更进一步地熟悉了电动机的结构及掌握了各组成部分的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想中的每一个环节，设计中各个部分的功能是如何实现的。各个部分能够完成什么样的功能，使用材料时应该注意那些要点。同一个部分可以用哪些材料实现，各种材料实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。

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参考文献

【1】.唐介

《电机与拖动》

高等教育出版社 【2】.汤蕴

《电机学》

西安交通大学出版社 【3】.刘启新

《电机与拖动基础》

中国电力出版社 【4】.唐介

【5】.李晓竹

高等教育出版社

中国矿业大学出版社 13 《控制微电机》

《电机与拖动》

第四篇：H桥驱动直流电机分析

H桥驱动直流电机分析

1.Ｈ桥ＰＷＭ变换器驱动电机运行过程

如图1所示，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的变化而变化，这里分析双极式控制的可逆PWM变换器。四个驱动电压波形如图2所示，它们的关系是Ug1Ug4Ug2Ug3.在一个开关周期内，当0tton时，VT1和VT4导通，VT2和VT3UAB关断，Us，电枢电流id沿tT时，VT1图1 H桥可逆PWM变换器

回路1流动；当tonVT2和VT3由于VD2和和VT4关断，VD3的钳制作用不能马上导通，id沿回路2流经二极管续流，UABUs.当电机需要降速制动时，先改变控制脉冲的占空比，使驱动电压的平均值Ud减小，但是由于机械惯性，转速和反电势还来不及变化，因而造成E图2 驱动电压

Ud，很快使电流反向，在0tton时，反向电流沿回路4向电源充电，tT时，VT2和VT3被打开，负向实现再生制动，而VT1和VT4被钳制不能导通；在ton电流通过VT2和VT3，实现能耗制动。

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当电机反向转动时，各器件的导通情况与上述情形相反。图3绘出了双极式控制时电机正转时的输出电压和电流波形。电动机的正反转则体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，tonT，2则UAB的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正负脉冲相等，tonT，平均电压为零，则电动机2图3 输出电压和电流

停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的，平均值为零，不产生转矩，电动机损耗陡然增大，但是此时消除了正反向时的静摩擦死区，起“动态润滑”的作用。另外，图3所示的id2为轻载状态下的输出电流变化情况。

2.直流电机启动和降速过程

电动机在未启动之前，转速n0，反电势E机加上额定电压时，启动电流Ist0，而电枢电阻Ra很小，所以将电动

Un/Ra将很大，可能烧坏整流子。所以在电机启动时都采用限制电流的方法，下面讨论常用的电枢回路串接电阻的方法。

图4 串接电阻启动

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如图4所示，当在电枢回路串接电阻Rst时，电动机启动电流将变成IstUN

RaRst随着电动机转速的提高，反电动势E增大，再逐步切除外加电阻直到电机达到所要求的转速。图4（b）所示为外接1级电阻启动特性。当外接电阻被切除后，工作点将从曲线1变到曲线2，由于在切除外接电阻瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间转速n维持不变，即工作点从点a切换到点b，此时冲击电流仍然很大，为了避免这种情况，通常采用多级外接电阻启动方法（如图5所示）。

图5 外接多级电阻启动

当电动机采用降压调速减速时，运行原理如图6所示。假设电动机以UN运行在g点，电压突然降到U1，此时由于机械惯性作用，电动机转速n保持不变，故电动机反电势也保持不变，所以电枢电流将从IgUNEbUEb变到IL，电RaRa图6 降压调速 机转矩也随之减小，电动机运行于点b，此时电机转矩小于负载转矩，电动机将沿着U1曲线减速，直到电机转矩等于负载转矩。

3.泵升电压

图7所示为桥式可逆直流脉宽调制系统主电路的原理图，PWM变换器的直流电源通常

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由交变电网经过不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的电压。处滤波作用外，电容C还有在电动机制动时吸收系统动能的作用。由于是二极管整流电路供电，所以不能回馈电能，电动机制动时只能对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量不可能很小，在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时采用图7中的镇流电阻Rb来消耗部分电能。对于更大容量的系统，为了提高效率，可以再二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网，当然这增加了系统的复杂性。

图7 桥式可逆直流脉宽调制系统主电路原理图

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第五篇：变频器制动电阻分析

一例变频器制动单元电路及图解

一、《CDBR-4030C制动单元》主电路图

《CDBR-4030C制动单元》主电路图说

因惯性或某种原因，导致负载电机的转速大于变频器的输出转速时，此时电机由“电动”状态进入“动电”状态，使电动机暂时变成了发电机。负载电机的反发电能量，又称为再生能量。

一些特殊机械，如矿用提升机、卷扬机、高速电梯等，当电动机减速、制动或者下放负载重物时（普通大惯性负荷，减速停车过程），因机械系统的位能和势能作用，会使变频器的实际转速有可能超过变频器的给定转速，电机绕组中的感生电流的相位超前于感生电压，出现了容性电流，而变频器逆变回路IGBT两端并联的二极管和直流回路的储能电容器，恰恰提供了这一容性电流的通路。电动机因有了容性励磁电流，进而产生励磁磁动势，电动机自励发电，向供电电源回馈能量。这是一个电动机将机械势能转变为电能回馈回电网的过程。

此再生能量由变频器的逆变电路所并联的二极管整流，馈入变频器的直流回路，使直流回路的电压由530V左右上升到六、七百伏，甚至更高。尤其在大惯性负载需减速停车的过程中，更是频繁发生。这种急剧上升的电压，有可能对变频器主电路的储能电容和逆变模块，造成较大的电压和电流冲击甚至损坏。因而制动单元与制动电阻（又称刹车单元和刹车电阻）常成为变频器的必备件或首选辅助件。在小功率变频器中，制动单元往往集成于功率模块内，制动电阻也安装于机体内。但较大功率的变频器，则根据负载运行情况选配制动单元和制动电阻，CDBR-4030C制动单元，即是变频器的辅助配置之一。

先不管具体电路，我们可先从控制原理设想一下。所谓制动单元，就是一个电子开关（IGBT模块），接通时将制动电阻（RB）接入变频器的直流回路，对电机的反发电能量进行快速消耗（转化为热量耗散于环境空气中），以维持直流回路的电压在容许值以内。有一个直流电压检测电路，输出一个制动动作信号，来控制电子开关的通和断。从性能上讲，变频器直流回路电压上升到某值（如660V或680V）后，开关接通将制动电阻RB接入电路，一直至电压降至620V（或620V）以下，开关再断开，也是可行的。反正制动单元有RB的限流作用，并无烧毁的危险。若将其性能再优化一点的话，则由电压检测电路控制一个压/频（或电压/脉冲宽度）转换电路，进而控制制动单元中IGBT模块的通断。直流回路的电压较高时，制动单元工作频率高或导通周期长，电压低时，则相反。此种脉冲式制动比起直接通断式制动，性能上要优良多了。再加上对IGBT模块的过流保护和散热处理，那么这应是一款性能较为优良的制动单元电路了。

CDBR-4030C制动单元，从结构和性能上不是很优化，但实际应用的效果也还可以。内部电子开关是一只双管IGBT模块，上管的栅、射极短接未用，只用了下管，当然有些浪费，用单管的IGBT模块就可以的呀。保护电路是电子电路和机械脱扣电路的复合，厂家将空气断路器QF0内部结构进行了改造，由漏电动作脱扣改为了模块过热时的动作脱扣。温度检测和动作控制由温度继电器、Q4和KA1构成，在模块温升达75ºC时，KA1动作引发脱扣跳闸，QF1跳脱，将制动单元的电源关断，从而在一定程度上保护了IGBT模块不因过流或过热烧毁。检测电路（见下图）的供电，是由功率电阻降压、稳压管稳压和电容滤波来取得的，为15V直流供电。

该制动单元的故障主要多发于控制供电电路，表现为降压电阻开路，稳压管击穿等；另外，因引入了变频器直流回路的530V直流高压，线路板因受潮造成绝缘下降而导致的高压放电，使大片线路的铜箔条烧毁，控制电路的集成块短路等。又因线路板全部涂覆有黑色防护漆，看不清铜箔条的连接和走向，也为检修带来了一定的不便。

电路由LM393集成运算放大器、CD4081BE四2输入与门电路和7555（NE555）时基电路等构成。控制原理简述如下：

由P、N端子引入的变频器直流回路电压，经R1至R7电阻网络的分压处理，输入到LM339的2脚，LM339的3脚接入了经由15V控制供电进一步稳压、RP1调整后的整定电压，此电压值为制动动作点整定电压。LED1兼作电源指示灯。因LM393为开路集电极输出式运放电路，故两路放大器的输出端接有R13、R14的上拉电阻，以提供制动动作时的高电平输出。第一级放大电路为一个迟滞电压比较器（有时又称滞回比较器），D1、R10接成正反馈电路，提供一定的回差电压，以使整定点电压随输出而浮动，避免了在一个点上比较而使输出频繁波动。第二级放大器为典型的电压比较器的接法。实质上，运算放大器在这里是作为开关电路来使用的，中间不存在线性放大环节，而为开关量输出。两级放大电路对信号形成了倒相之倒相处理，使输出电压在高于整定电压时，电路有高电平输出。

LM393静态时为高电平输出，此高电平经D1和R10叠加到LM393的3脚上，“垫高”了制动动作整定点电压值。当2脚输入电压（如P、N间直流回路电压为660V）高于3脚电压时，1脚由高电平变为低电平；经第二级倒相处理，输出一个高电平信号给CD4081BE的1脚。同时，由于LM393的1脚变为低电平，3脚也由“垫高”了的电压值跌落为整定值。如此一来，当制动单元动作，将制动电阻接入了P、N间，从而使P、N电压由660V开始回落，一直回落到2脚电压（P、N间电压为580V）低于3脚整定电压值，电路翻转，制动信号停止输出，避免了在660V电压时，电路频繁动作导致的不稳定输出。

时基电路7555接成一个典型的多谐振荡器，输出一个固定占空比的脉冲频率电压。在LM393电压采样电路输出制动动作信号——CD4081BE的1脚为高电平时，时基电路7555输出矩形脉冲电压的高电平成分与LM393的高电平信号相与，使CD4081BE的3脚产生一个正电压的脉冲输出。此脉冲再经主/从转换开关、第二级与门开关电路相与处理后，由Q1、Q2互补式电压跟随器做功率放大后，驱动电子开关IGBT模块。

当主/从控制开关拨到上端时，本机器作为主机，实施制动动作，并将制动命令经端子OUT+、OUT-传送给其它从机；当主/从控制开关拨至下端时，本机器即做为从机，从端子IN+、IN-接受主机来的制动信号，经光电耦合器U5将信号输入CD4081BE的6脚，据主机来的信号进行制动动作。

我在图纸上标为“此电路意欲何为”的这部分电路，让我们从电路本身出发，来揣摩一下设计者的本意，如我分析的不对，希望读者朋友能为之指正。正常状态下，当实施制动动作时，可以看出，U2输出的制动信号为矩形脉冲序列信号（此信号加到U4的1脚），与PB端子经降压电阻加到U4的2脚的信号恰为互为倒相的矩形脉冲序列信号，在任一时刻，U4的1、2脚总有一脚为高电平，对或非门的“有高出低特性”来说，U4的3脚总是输出低电平，Q3处于截止状态，电路实施正常的制动动作；假定输出模块一直在接通中或已经击穿，则经PB端子到U4的2脚的信号为直流低电平，与1脚的脉冲信号相或非，使有了“两低出高”的输出。经U8驱动Q3，将U2的3脚的输出信号短接到地，进而使U2的8脚也为低电平，直到将U4的1、2脚彻底锁定为地（低）电平，则Q3持续进入饱合导通状态，将U2输出的制动信号彻底封锁。须断电才能解除这种封锁。但这种保护性封锁，对模块本身瞬态过流状态或Q1、Q2驱动电路本身的故障，似乎是无能为力和鞭长莫及的。