直流电动机的反接制动课程设计报告

1 综述

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其优良的起动、调速和制动性能而在电力拖动中得到广泛应用。

直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。

直流电动机有三种制动状态：能耗制动、反接制动(电压反向反接和电动势反向反接)和回馈制动。

本文在直流电动机的结构与工作原理的基础上，给出了电机制动的定义，对电机制动的方法进行了简单介绍，并着重介绍了他励直流电动机反接制动的工作原理、特点及使用条件。

2 直流电动机的制动

2.1 制动的定义

制动，就是让电动机产生一个与转子转向相反的电磁转矩，以使电力拖动系统迅速停机或稳定放下重物。这时电机所处的状态称为制动状态，这时的电磁转矩为制动转矩。

2.2 制动的目的

在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。

2.3 制动的分类

实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。

电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。

现代通用电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。

2.4 各种制动的特点

1）反接制动：设备简单，制动迅速，准确性差，制动冲击力强。

2）能耗制动：制动准确度高，需直流电源，设备投入费用高。

3）回馈制动：经济性好，将负载的机械能转换为电能反送电网，但应用范围不广。电容制动对高速、低速运转的电动机均能迅速制动，能量损耗小设备简单，一般用语10KW以下的小容量电动机，可适用于制动频繁的场合。

3 直流电动机反接制动的工作原理

以他励直流电动机为例。

他励电动机反接制动的特点是使U

a

与E的作用方向变为一致，共同产生电枢电

流I

a ，于是由动能转换而来的电功率EI

a

和由电源输入的电功率U

a

I

a

一起消耗在

电枢电路中。

具体实现的方法有两种，分别用于不同的场合。

3.1 电压反向反接制动——迅速停机

3.1.1 制动原理

制动前后的电路如图3-1所示。与电动状态相比，电压反向反接制动时，将电枢

电压反向，并在电枢电路内串联一制动电阻R

b

。当系统因惯性继续沿原来方向旋转

时，因磁场方向不变，E的方向不变，但因U

a 反向，U

a

与E的作用方向变成一致，

一起使U

a

反向，使得T也反向成为制动转矩，转速迅速下降至零。当转速降至零时，E=0，应立即将电枢与电源断开，否则电机将反向起动。

(a)电动状态

(b)制动状态

图3-1 反接制动迅速停机时的电路图

3.1.2 机械特性

上述制动过程也可以通过机械特性来说明。

电动状态时的机械特性如图3-2的特性1，n 与T 的关系为

n=

ΦE a

C U -2

ΦT E a C C R T

电压反向反接制动时，n 与T 的关系为

n=-(

ΦE a C U -2

ΦT E a

C C R T)

机械特性如图3-2中特性2。设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，负载特性如图3.2中的特性3

制动前，系统工作在机械特性1与负载转矩3的交点a 上面。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的b 点。这时T 反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T 和T L 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O 点。这时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。

图3-2 反接制动迅速停机过程

3.1.3 特性分析

电压反向反接制动的过程效果与制动电阻R b 大小有关。R b 小，则制动瞬间I a 大，T 大，制动过程短暂，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I ab 不得超过I m ax =（1.5~2.0）I aN 。

由图3-1(b)可知，只考虑绝对值时b a b z ab R R E U I ++= 式中，E b =E a 。由此求得电压反向反接制动的制动电阻为

R b m ax

I E U b

a +≥

-R a

3.1.4 适用场合

设备简单，操作方便，制动转矩平均值较大，制动强烈，但能量损耗大，适用于要求快速停车的拖动系统，对于要求快速并立即反转的系统更为理想。

3.2 电动势反向反接制动——下放重物

3.2.1 制动原理

制动前后的电路如图4-1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R

b

(a)电动状态

(b)制动状态

图4-1 反接制动下放重物的电路图

3.2.2 机械特性

上述制动过程也可以通过机械特性来说明。

反接制动时，U=U

a ，R=R

a

+R

b

，机械特性方程变为

n=

Φ

E

a

C

U

-

2

Φ

T

E

b

a

C

C

R

R

T

若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-2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< T

L

,n

下降，工作点沿人为特性2由b点向c点移动。当工作点到达c点时，T= T

L

，系统重新稳定运行。这时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4-1(b)可以看出，这时

E与U

a 的作用方向也变成一致，但I

a

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。

图4-2 反接制动下放重物过程

3.2.3 特性分析

电动势反向反接制动的效果与制动电阻R b 的大小有关。R b 大，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4.1(b)可知，在d 点运行时，只取各量的绝对值，而不考虑其正、负，则

R a + R b =

)(n C U T

C I E U E a T ad d a Φ+Φ

=

+ 可见，若要以转速n 下放负载转矩为T L 的重物时，制动电阻应为

R b =

)(n C U T T C E a L T Φ+-Φ

-R a

忽略0T ,则

R

b = )

(n

C

U

T

C

E

a

L

TΦ

+

Φ

-R a

3.2.4 适用场合

设备简单，操作方便，电枢回路串联电阻较大，机械特性较软，转速稳定性差，能量损耗大，适用于低速匀速下放重物。

4 反接制动制动电阻的计算

一台Z

4系列的他励电动机，P

N

=11KW，U

aN

=440V，I

aN

=31A，n

N

=1480r/min，I

m ax

=62A，

T

L =120N·M，T

忽略不计。

4.1 电枢电阻的计算

R a =aN

aN

N aN

I I P U -=2.74Ω；

4.2 相关参数的计算

E=

aN

N

I P =354V ； C E Φ=

N

n E

=0.239； C T Φ=

π

260

C E Φ=2.28 T N =π260N

N

n P =71N ·M

4.3 迅速停机

T L =120N ·m I a =

φ

T L

C T =52.63A E=U a -R a I a =295.79V R b =m ax

I E U b

a +-R a =9.13Ω

4.4 下放重物（以800r/min 下放重物）

R b =

)(n C U T C E a L

T Φ+Φ

-R a =12.34Ω 该电阻值大于0.89Ω，满足要求。

5 结论

电动机被停止后还有一定的旋转惯性，在要求停止准确的设备就要采用制动方式使电机停止后迅速静止。较常用的有：1）能耗制动。2）反接制动。3）回馈制动。每种制动

之间都有其优点和缺点。利用每种方法之间的差别选择一种最优方法进行那个制动，对工作效率，工厂经济效益都有着相当了影响。

本文仅对他励直流电动机的反接制动进行分析解释。反接制动设备简单，制动迅速，准确性差，制动冲击力强。利用其工作原理可以延伸到现实生活中的工作、工程当中去。了解直流电动机的反接制动原理，会在一些方面使工作具有更有利的一面，在工程经济效益上有更有利的位置。

6 心得体会

本设计不仅是会前面所学的指示的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面是对课程设计的过程做一个简单的总结。

第一，题目确定之后，资料是最重要的，查资料是做课程设计的前期准备工作，好的开端相当成功了一半。到图书馆，资料室，上网寻找自己所需要的资料。要一一记录下来以备后用。

第二，通过上面的过程，积累了不少的有用资源，对题目有了大概的了解，然后对题目进行更透彻的分析。

第三，有了明确的研究方向，就该动手实现了。

通过本次设计，对原先学的知识又有了一定的新认识，温习了所学过的知识，温故而知新。但在设计过程中，遇到了很多的问题，但最后通过和同学的交流一一得到解决。在这次设计中使我们的同学关系很进一步了，同学之间互相帮助，有上面不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们对知识的了解有进一步的提高。

在这个课程设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我鼓励工作的能力，树立了自己对工作能力的信心，相信会对今后的学习工作有非常重要的影响。而且大大提高了自己的动手能力，是我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个课题还不是很完善，但在设过程中所学到的东西是这次设计的最大收益和财富，使我终身受益。

参考文献

[1] 唐介主编.电机与拖动. 北京：高等教育出版社，2007

[2] 李忠文主编.实用电机控制电路. 北京：化学工程出版社，2003

[3] 张明达主编.电力拖动控制系统. 北京：冶金工业出版社，1983

[4] 杨兴姚主编.电动机调速的原理及系统. 北京：水利电力出版社，1979

[5] 陈伯时主编.电力拖动控制系统. 北京：机械工业出版社，1984