毕业设计（论文）-直流电动机回馈制动原理及应用.doc

淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 1 毕毕 业业 设设 计计 课题名称课题名称 直流电动机回馈制动原理及应用 姓 名 000 学 号 000000000 所 在 系 电子电气工程系 专业年级 P08 电气 10 班 指导教师 000 职 称 教授 二 O 一一年四月二 000 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 2 目录目录 摘要摘要 .3 ABSTRACTABSTRACT .4 第第 1 1 章章 绪论绪论 .5 1.11.1、电动机的工作状态、电动机的工作状态.5 1.2、制动与电动的本质区别、制动与电动的本质区别6 1.3、制动的概括、制动的概括6 1.4、制动的分类比较、制动的分类比较7 第第 2 章章 回馈制动回馈制动 .8 2 2. .1 1、回回馈馈制制动动条条件件 8 2.2、电动机回馈制动、电动机回馈制动9 2.2.1、回馈制动的原理、回馈制动的原理.9 2.2.2、回馈制动的机械特性、回馈制动的机械特性.9 2.32.3、回馈制动实现的条件、回馈制动实现的条件.10 2.42.4、位能负载下放重物时回馈制动、位能负载下放重物时回馈制动.10 2 2. .5 5、直直流流电电动动机机回回馈馈制制动动工工作作状状态态分分析析 10 2.62.6、正向回馈制动、正向回馈制动.12 2.72.7、反向回馈制动、反向回馈制动.13 第第 3 3 章章 回馈制动的应用领域回馈制动的应用领域 .14 3 3. .1 1 回回馈馈制制动动的的优优点点 .14 3 3. .2 2 回回馈馈制制动动的的缺缺点点 .14 3 3. .3 3 回回馈馈制制动动的的控控制制 .15 3 3. .4 4 回回馈馈制制动动的的适适用用场场合合 .15 结束语结束语 .15 参考文献参考文献 .16 致致 谢谢 .17 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 3 摘要摘要 回馈制动是变频器制动方式的一种，也是非常有效的节能方法。回馈制动采用的 是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网， 从而实现制动。要实现回馈制动，就必须要将回馈电能进行同频同相控制、回 馈电流控制等条件，才能将回馈电能安全送达电网上。并且避免了制动时对 环境及设备的破坏。在电力机车等行业中取得了令人满意的效果。在新型电力电 子器件不断出现,性价比不断提高的情况下有着广阔的应用前景。 关键字：直流电机关键字：直流电机 回馈制动回馈制动 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 4 ABSTRACTABSTRACT Regenerative braking is one of the frequency converter braking mode, is also a very effective method of energy saving. Regenerative braking is active inverter technology, regeneration of power inverse to AC grid frequency and phase echo power, to achieve the braking. To achieve the regenerative braking, it is necessary to contribute to the power the same frequency with phase control, contribute to the current control conditions, served to contribute to energy security on the network. And avoid braking on the environment and equipment damage. In sectors such as electric locomotives has achieved satisfactory results. In the emerging new power electronic devices, cost-effective case has broad application prospects of continuous improvement. Keywords: direct-current motor Regenerative braking 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 5 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1、电动机的工作状态、电动机的工作状态 电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机械 能，或将机械能转换为直流电能。将直流电能转换为机械能的叫做直流电动机，将机械能转 换为直流电能的叫做直流发电机。 直流电动机的主要优点是起动性能和调速性能好，过载能力大。因此，应用于对起动和 调速性能要求较高的生产机械，例如大型机床，电力机车，轧钢机，矿井卷扬机，船舶机械， 造纸机和纺织机等都广泛采用直流电动机作为原动机。 直流发电机主要用作直流电源，供给直流电动机，电解，电镀等所需的直流电能。 直流电动机的主要缺点是结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行 可靠性差。随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展，在很多领域内，直流电动机将逐步 为交流调速电动机所取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。不过在今后 一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用。 电动机的工作状态按拖动性能可分为电动及制动两大类 当电动机在外加电源的作用下，产生与系统运动方向一致的转矩，并通过传动机构拖动 生产机械工作时，即为电动工作状态。在电动工作状态下，电动机的电磁转矩 T 方向与转速 n 的方向相同，为拖动性质的转矩，电动机把由电网取得的电能变成机械能输出。通常情况 下，电动机都是工作在电动状态下。 在某些情况下，也需要电动机工作在制动状态下。制动是指电动机从某一稳定的转速开 始减速到停止或限制位能负载的下降速度时的一种运转过程。在制动工作状态下，电动机的 电磁转矩 T 方向与转速 n 的方向相反，为制动性质的转矩，电动机把系统的机械能变成为电 能输出。由此可见，制动工作状态的实质是，电动机成为发电动机，消耗机械能。 电力拖动系统之所以需要工作在制动状态，是生产机械提出的要求，主要有以下 3 种情 况： (1) 生产机械为加快起动和制动过程，提高生产效率； (2) 当生产机械在高速工作过程中时，根据需要迅速降为低速或者迅速由正转变为反转； (3) 有些位能负载为获得稳定的下放速度。 因此，制动工作状态在生产实际中有着很重要的意义 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 6 1.21.2、制动与电动的本质区别、制动与电动的本质区别 制动与电动的本质区别是，T与n方向相同， 为电动机运行，机械特性位于一、三象限； T与n方向相反，为制动状态， 机械特性位于二、四象限 1.31.3、制动的概括、制动的概括 制动是指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。 它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下 坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车。当电动机功率较大（100KW 以上），设备转动 惯性 GD2 较大，且是反复短时连续工作制从高速到低速的降速幅度较大，且制动时间亦较短， 在这样使用过程中，为减少制动过程的能量损耗，将动能变为电能回馈到电网去，以达到节 能功效，只要使用能量回馈装置就可。 直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下： (1)要求停车：切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。 (2)降速过程中：在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。 (3)提升机构下放重物：提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。 (4)反转：电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见， 制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 7 1.41.4、制动的分类比较、制动的分类比较 常用的制动方法有 3 种：能耗制动、电源电压反接制动和回馈制动。 能耗制动：能耗制动过程中电动机与电网隔开，所以不需要从电网输入电功率，而拖动 系统产生制动转矩的电功率完全由拖动系统动能转换而来，即完全消耗系统本身的动能，能 耗制动的名称就是由此而来。这种制动方法的特点是比较经济，简单；在零速时没有转矩， 可以准确停车。制动过程中与电源隔离，当电源断电时也可以通过保护线路换接到制动状态 进行安全停车，所以在不反转以及要求准确停车的拖动系统中多采用能耗制动。 能耗制动 方法的缺点是其制动转矩随转速降低而减小，因而拖长了制动时间。为了克服这个缺点，在 有些生产机械中采用二级能耗制动的线路。 反接制动：反接制动方法在制动过程中要消耗较大的能量，因而从经济的观点来看不够 经济。但从技术的观点来看，制动效果较好，在整个制动过程中制动转矩都很大，制动时间 安较短，并且在转速为零时仍有很大的制动转矩，当不需要停车时，还可以自动反转，再反 向起动。因而这种制动方法经常用于反转拖动系统，以及作为位能负载下放重物，以获得稳 定的下放速度。 回馈(再生发电)制动：回馈制动时，由于位能负载的作用，使电动机的转速超过理想空 载转速，从而使系统把机械能变为电能，其中一部分消耗在电枢回路的电阻上，另一部分电 能回馈到电网去。同时，再生发电制动的名称也是由此而来。回馈制动把能量送回电网，是 经济的制动手段，但是由于只能在 时才有制动作用，所以应用范围受到限制。 本课题重点对电动机的回馈制动方式进行研究。 0 nn 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 8 第第 2 2 章章 回馈制动回馈制动 2 2. .1 1、回回馈馈制制动动条条件件 1.电动机从高速 FH 到低速 FL 减速过程时，频率可突减，但因电动机的机械惯性影响使转差 SU（端电压）。 2.从电动机在某一个 fN 运行,需要停车至 fN=0,在这个过程电动机同样出现发电运行状态,这 进反动势 EU 端电压。 3.位能(或势能)负载,如起重机吊了重物下降时,出现实际转速 nn0 同步转速,这时也出现电 动机发电运行状态,当然 EU 是必然的。 2.22.2、电动机回馈制动、电动机回馈制动 (如右图所示) 2.2.12.2.1、回馈制动的原理、回馈制动的原理 n n02 T 0 n01 n1 n2 TTbL n n 0 回馈 T反号 制动 制动初转矩-Tb-TL 降压调速时的回馈制动 （最终稳定运行在电动状态） 0 ca Na a RR UE I 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 9 2.2.22.2.2、回馈制动的机械特性、回馈制动的机械特性 2.32.3、回馈制动实现的条件、回馈制动实现的条件 保持电机电动状态接线不变，由于外界的原因，如电车下坡，使 电动机的转速n高于理想空载转速n0，电动机处于回馈制动状态。 2.42.4、位能负载下放重物时回馈制、位能负载下放重物时回馈制 动动 回馈制动多用于电力机车高速下坡或起重类机 械高速下放重物的场合。在调速的过 程中也会出 现回馈制动。 注意：回馈制动只有在 |n|n0| 时才会出现， 故不能用于停车制动中。 n n0 A B 0TBCTLT -n0 位能性负载时电机回馈制动机械特性 D E F n n0 回馈 电动 T 0 TnT CC R C U n Te a e N 0 2 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 10 2 2. .5 5、直直流流电电动动机机回回馈馈制制动动工工作作状状态态分分析析 回馈(再生发电)制动 对位能负载而言，回馈制动状态发生在提升空笼和下放重物两种情况，下面分别加以介绍。 (1) 提升空笼。如图所示，空笼质量，系统原来处于正向电动状态，T、n、TL 各物理量的方 向如图所示。 为达到提升空笼的目的，电动机转矩 T 应与提升方向(转速 n 方向)相同，如图 (a)电动 机为正向接线，产生正向转矩。正向转矩与负载转矩 TL 共同作用使系统正向加速。随着转 速n的增高，反电动势 加大，电枢电流 降低，电动机的转矩 T 亦降低。在图 (c) 上沿着第一象限所示的正向电动机械特性向上变化，到转速 时，电势 与 外加电源电压 U 相平衡，电枢电流 ，转矩 T=0，即图上所示的 B 点 （0，n0） ，到 B 点时虽然电动机转矩 T 为零，但还有负载转矩 TL 的作用，仍使系统继续加速。当转 速 n 超过 时，电动势 大于电网电压 U，电流反向，从而转矩 T 亦反向，如图 (b) 所示，这时转矩 T 与转速 n 方向相反，n 为正，T 为负，起制动作用。 从机械特性上来看，原来系统工作于电动状态时，机械特性位于第一象限。进入回馈制 动后，机械特性位于第二象限，因为由电动到回馈制动的过程中，电动机接线未变，参数也 没改变，所以机械特性为 不过当进入回馈制动以后，T 本身变为负值。所以 ，如图 (c)所示，BC 即 为提升空笼时的回馈制动机械特性。机械特性斜率仍决定于 b 值。 负载转矩 TL 为负，仍为恒转矩负载，其负载特性位于第二象限，如图 3.15(c)所示。当 电动机进入回馈制动状态后，随着转速的升高，电动势 增高，反向电流增加，与之对 应的反向转矩(制动转矩)亦增加。直到负载特性与电动机机械特性交于一点 C，电动机转矩 与负载转矩平衡，系统以稳定转速 提升空笼。 由图(b)，可以写出电枢回路的电压平衡方程式 上式两端同乘以电流 ，可得其功率平衡方程式 a E a I 0 nn a 0I 0 n a E 0 nnT 0 nn a E a aa UI rE a I 2 aaaaa UII rE I 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 11 式中 电动机向电网回馈的电功率(W)； 电枢回路电阻上消耗的电功率(W)； 由机械功率转换成的电磁功率(W)。 从以上可以看出，回馈制动时，由于位能负载的作用，使电动机的转速超过理想空载 转速，从而使系统把机械能变为电能，其中一部分消耗在电枢回路的电阻上，另一部分电能 回馈到电网去。同时，再生发电制动的名称也是由此而来。 (2) 下放重物。如图 3.16(a)所示，货笼中有重物，重物连同货笼总质量仍为 。 。 因为要下放重物，转速 n 为负；电动机转矩应与下放方向(转速 n 方向)相同，该转矩 T 为负，所以电动机要反向接线；负载转矩 TL 为正。各物理量的方向如图 (a) 所示。 当下放重物时，由于电动机转矩 T 与负载转矩 TL 方向相同，二者的共同作用使系统反 向加速，使电动机工作在反向电动状态。同理，随着转速 n 的增高，反电动势 加大。 电枢电流降低，电动机的转矩亦降低。在图(c)上，机械特性沿着第三象限所示的反向变化。 到 时，电动势 E 与外加电源电压 U 相平衡，电枢电流 I=0，转矩 T=0，即图 (b)上所示的 F 点(0， )。到 F 点时，虽然电动机转矩 T 为零，但还有负载转矩 TL 的作 用，仍使系统继续反向加速。但转矩 T 亦改变方向，如图 (b)所示。这时转矩 T 与转速 n 方 向相反，电动机转矩起制动作用，机械特性位于第四象限。因为由反向电动到回馈制动的过 程中，电动机接线未变，参数也没变，所以机械特性方程式为 式中 为负，T 为正，由上式可见，这时 ，如图 (c)所示的 FG 段。 电动机进入回馈制动状态后，随着转速的升高，电势 增加。电枢电流增加，与之对应 的电动机转矩(制动转矩)增加，负载特性与机械特性交于一点 G，电动机转矩与负载转矩相 平衡，系统以稳定速度 下放重物。 同理，可以写出这时电枢回路的电压平衡方程式同式，可得功率平衡方程式同式。因此， 下放重物和提升空笼这两种回馈制动时的能量关系相同，它们都是系统把机械能转换为电能， 其中一部分消耗在电枢回路电阻上，其余部分电能回馈到电网中，而且转速 n 高于理想空载 转速 。 (3) 电动机由高速向低速变速。上面的情况都是由于位能负载的作用，使电动机的转 速超过理想空载转速，从而使电动机进入回馈(再生发电)制动状态。但是在生产实际中，当 电动机由高速向低速变速的过程中，在新的理想空载转速低于运转着的转速时也要产生回馈 (再生发电)制动过程。 a UI 2 aa I r aa E I 0 ,m mm a E 0 n 0 nnT 0 nn a E G n 0 n 0 n 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 12 回馈制动把能量送回电网，是经济的制动手段，但是由于只能在 时才有 制动作用，所以应用范围受到限制。 2.62.6、正向回馈制动、正向回馈制动 他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第 II 象 限，如图中的 BC 段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。在这一过程中， 由于电源电压下降，使得 EaU,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。 在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea 增大，超过 U 以 后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。 0 nn 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 13 2.72.7、反向回馈制动、反向回馈制动 他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。 反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第 iv 象限。在 D 点， 电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于反向回馈制动。 反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。 为了限制高速下放速度，一般在回魁制动时，将电枢回路串联的电阻切除。 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 14 第第 3 3 章章 回馈制动的应用领域回馈制动的应用领域 3 3. .1 1 回回馈馈制制动动的的优优点点 电动机直接接到电网时，电机发出的电向电网回馈，但是这样对电网有较大的影响，如 果电机由变频器拖动时，由于变频器有中间储能环节，其储能是有限的，故电机发电状态时 对变频器有较大的威胁。变频器在处理电机的再生发电时，有多种制动方法，如能耗制动、 储能制动、回馈制动等。对能耗制动方法，电机发出的电会白白的浪费，同时能耗电阻会经 常损坏；储能制动方法中储能也是有限的，同样对变频器有威胁，能量回馈是处理再生发电 的好方法，又是制动的好方法。它保证了变频器的安全、节约了能量、同时增强了电机的制 动功能。 3 3. .2 2 回回馈馈制制动动的的缺缺点点 只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于 10%） ，才可以采用这种 回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于 2ms，则可能发生换相失败， 损坏器件。 在回馈时，对电网有谐波污染；控制复杂，成本较高。 3 3. .3 3 回回馈馈制制动动的的控控制制 在回馈制动中，合理的控制回馈电流大小也是至关重要，回馈电流的大小必须满足能量 回馈功率的要求，如果系统回馈功率小于电机在发电状态时的输出功率，在变频器的公共直 流母线上电压就会继续升高。由于电网电压是一定的，系统回馈功率的大小是由回馈电流的 大小决定的。 另外回馈电流的大小必须控制在所使用的 IGBT 的额定范围内。 回馈制动时，回馈电流变化速度较快，就需要采用有效的控制方式，一般采用滞环电流 比较法控制。 3 3. .4 4 回回馈馈制制动动的的适适用用场场合合 回馈制动特别适用于电动机功率较大，如大于等于 100kw，设备的转动惯量较大，且反 复短时连续工作，从高速到低速的减速降幅较大，制动时间又短，需要强力制动的场合，如 电力机车、采油等行业。 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 15 结束语结束语 经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了直流电动机回馈制动原理及应用 的论文。从开始接到论文题目到章节的选材，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都 是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。 感谢老师长期以来对我们孜孜不倦的教诲，对我们成长的关心爱护。感谢我的朋友 们，三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆 。 在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的 付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚 养与培育。 虽然我的论文作品不是很成熟，也许还会有很多不足之处，但它同样使我受益匪浅 ，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，没有最好但求更好的道理，这次的 经历一定能让我在以后学习中激励我继续进步。 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 16 参考文献参考文献 1丁志刚无刷直流电动机的研究和发展进展J 微电机，2000 2电机设计 西安交通大学 陈世坤主编 3 许蓼 . 电机与电气控制技术 . 北京：机械工业出版社，2002 4 张勇主编. 电机拖动与控制. 北京. 机械工业出版社，2000 5 张华龙 . 电机与电气控制技术 . 北京：人民邮局出版社，2008 6 赵承荻 . 电机与电气控制技术. 北京：高等教育出版社，2003 7 何巨兰.电机与电气控制 . 北京：机械工业出版社，2003 8丁志刚无刷直流电动机的研究和发展进展J 微电机，2000 9 唐介主编.电机与拖动. 北京：高等教育出版社，2008 10葛永国.电机及其应用.机械工业出版社，2009 11 戴文进 等编著.电机设计.清华大学出版社，2010 12汤蕴. 电机学.西安:西安交通大学出版社 1993 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 17 致致 谢谢 踉踉跄跄地忙碌了两个月，我的毕业设计课题也终将告一段落。三年的大学生活就 快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对 我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。 我要特别感谢李贤温老师。是他在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励,使 我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激。李老师认真负责的工作态度，严谨的治 学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大 的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐 心的辅导。正是有了他的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向李贤 温老师表示由衷的谢意。 淄 博 职 业 学 院 毕 业 设 计 1