第2章直流电机(8)

1、4.7 4.7 直流电动机的制动直流电动机的制动 制动问题：制动问题：在生产过程中，经常需要采取在生产过程中，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，这就是电动机的在某一转速下稳定运转，这就是电动机的 制动问题。制动问题。 实现制动有两种方法，实现制动有两种方法，机械制动机械制动和和电磁制动电磁制动。 电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋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转方向相反的电磁转矩, ,其特点是制动转矩大其特点

2、是制动转矩大, , 操作控制方便。操作控制方便。直流电机的电磁制动类型有直流电机的电磁制动类型有能耗制动能耗制动、反接反接 制动制动和和回馈制动回馈制动。一、能耗制动一、能耗制动1.1.接线图接线图图图4.7.1 4.7.1 并励电动机能耗制动接线图并励电动机能耗制动接线图2.2.能耗制动过程能耗制动过程B-OB-O0RRnCRRERREUIaeaaanRRCCICTa2TeaTememem2TeaTKTCCRRn 可见，是一条通过原点的直线，如图可见，是一条通过原点的直线，如图4.7.24.7.2所示。所示。图图4.7.2 4.7.2 能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性0ICTaBTe

3、mB0IaBzemBTTnEemaT，I（绝对值逐渐减小）（绝对值逐渐减小）0n ，即电动机停转。，即电动机停转。3.3.特点：特点： Tem0，两者相反方向（发电机状态），两者相反方向（发电机状态） P1=0，Pem0，P20 与一般发电机的区别：与一般发电机的区别：没有原动机输入机没有原动机输入机械功率，其机械能靠的是系统转速从高到低，械功率，其机械能靠的是系统转速从高到低，制动时所释放出来的动能；电功率没有输出，制动时所释放出来的动能；电功率没有输出，而消耗在而消耗在Ra+RRa+R上。上。 制动电阻越小，制动开始时产生的制动制动电阻越小，制动开始时产生的制动 转矩就越大。转矩就越大。

4、高速时能耗制动作用较大，低速时应配高速时能耗制动作用较大，低速时应配 合机械制动装置使系统停掉。合机械制动装置使系统停掉。注意事项：注意事项：4.4.能耗制动运行能耗制动运行O-CO-C 采用能耗制动时，工作点从采用能耗制动时，工作点从ABO,BOABO,BO是是能耗制动过程，到了能耗制动过程，到了O O点后，如不采取其他制动点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达点沿着能耗制动曲线到达C C后才稳定运行。在后才稳定运行。在C C点，点，电磁转矩为负，与转速方向相反是制动转矩。在电磁转矩为负，与转速方向相反

5、是制动转矩。在C C点的运行方式称为点的运行方式称为能耗制动运行能耗制动运行。如图。如图4.7.34.7.3所所示。示。图图4.7.3 4.7.3 能耗制动运行状态能耗制动运行状态1.1.正转反接正转反接 接线图接线图图图4.7.4 4.7.4 正转反接制动接线图正转反接制动接线图二、反接制动二、反接制动 直流电动机的反接制动可分为正转反接和直流电动机的反接制动可分为正转反接和正接反转两种。正接反转两种。 制动分析制动分析LaaRREUIaTemICTnCEeem2TeLaeTCCRRCUn 可见，它为一条处于可见，它为一条处于、象限的直线，象限的直线，如图如图4.7.54.7.5所示。所示。

6、图图4.7.5 4.7.5 正转反接制动时的机械特性正转反接制动时的机械特性当当n=0n=0时，时， , ,0Tem则此时应及时把电则此时应及时把电源关断，否则电动源关断，否则电动机会反转起来。机会反转起来。 特点：特点：1） Tem02） P1 0，Pem0，P200，轴上输出轴上输出P P2 20n0，此时，此时nn0的情的情况，这时况，这时EU，电动机变为发电机运行。，电动机变为发电机运行。Ia=(U-E)/Ra为负值，为负值，Tem（0变为变为nn0101) )2.2.机械特性机械特性 回馈制动实际上是将接在电网上的电机从回馈制动实际上是将接在电网上的电机从电动机工作状态变成发电机工作

7、状态，其机械电动机工作状态变成发电机工作状态，其机械特性方程为：特性方程为：em0KTnn 制动期间，制动期间，Temn0，电机在，电机在高于理想空载转速下作发电机运行，由于电高于理想空载转速下作发电机运行，由于电磁转矩起制动作用，使电机转速不致过高或磁转矩起制动作用，使电机转速不致过高或作减速运行。作减速运行。3.3.特点特点 Tem0； P10，Pem0，P2UEaU，电流流向，电流流向 电源，属于反向回馈制动。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反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电 机转速。机转速。图图4.7.9 4.7.9 反向回馈制动时的机械特性反向回馈

8、制动时的机械特性4.8 4.8 直流电机的换向直流电机的换向 就一个具体的电枢元件就一个具体的电枢元件( (线圈线圈) )来说，其来说，其电流总是不断变化的。或者说电枢旋转时，电流总是不断变化的。或者说电枢旋转时，每个具体的电枢元件总是不断地从一个支路每个具体的电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支路。元件中电流方向改变的转进另外一个支路。元件中电流方向改变的过渡过程称为过渡过程称为换向过程换向过程。 换向是所有直流电机的共同问题，它对换向是所有直流电机的共同问题，它对电机的正常运行有重要影响。电机的正常运行有重要影响。一、换向过程分析一、换向过程分析 (a) 换向开始换向开始(b) 正在

9、换向正在换向(c) 换向结束换向结束图图4.8.1 4.8.1 换向元件的换向过程换向元件的换向过程 电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片 1/21/2上的电枢元件。上的电枢元件。 换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电 流为流为+i+ia a（右（右左）；左）； 处于换向中时，元件被电刷短路，电流大小处于换向中时，元件被电刷短路，电流大小 和方向处于变化的过程中；和方向处于变化的过程中； 换向结束时，元件进入左边支路，其电流已换向结束时，元件进入左边支路，其电流已 经由变为经由变为-i-ia a（左（左右）。右

10、）。 一个元件换向过程所需的时间称为换向周期一个元件换向过程所需的时间称为换向周期T Th h， 即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元 件的电流从件的电流从+i+ia a变到变到-i-ia a所用的时间即为一个换所用的时间即为一个换 向周期（向周期（T Th h=0.0005=0.0005 0.020.02秒）。秒）。图图4.8.2 4.8.2 换向周期换向周期 换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换 向片之间产生火化。当火花大到一定程度时向片之间产生火化。当火花大到一定程度时 可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常

11、可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常 工作。工作。 产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外，产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外， 还有电化学、电热等因素，至今尚无完整的还有电化学、电热等因素，至今尚无完整的 理论。理论。 为了分析方便假定换向片的宽为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。度等于电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时条支路时, ,元件里的电流方向改变，即换向。元件里的电流方向改变，即换向。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2接触时，接触时，元件元件1被短路，电流被分流。如图所示。被短路，

12、电流被分流。如图所示。 电刷与换向片电刷与换向片1接触时，元件接触时，元件1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。aii 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2接触时，元件接触时，元件1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为 。aii元件1av1 2iiai 2aiai2i1iaiiaii ai 2aiai2i1iaiiaiiai 2aiai2i1i二、换向的电磁理论二、换向的电磁理论1. 换向元件中的电动势换向元件中的电动势自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。电流改变

13、而产生的。LeMe切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。ae换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为：kaMLeeeee 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。碍换向的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。电动势。换向电动势是帮助换向的。ke2.

14、换向元件中的电流换向元件中的电流eiRRiRRRibkbk)()(11 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和和 ，元件自，元件自身的电阻为身的电阻为 ，流过的电流为，流过的电流为 ，元件与换向片间的连线电阻为，元件与换向片间的连线电阻为 ，元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程：1bR2bRRikR 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变化规律为，则可推导出换向元件中的电流变化规律为bRklkkkbkkaiit

15、TTtTReTtTii)(2 直线换向直线换向0e当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。0e当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。再是线性变化，出现电流延迟现象。 延迟换向延迟换向0e当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。再是线性变化，出现电流超前现象。 超越换向超越换向ai直线换向aikTt0延迟换向超越换向图图4.8.3 4.8.3 换向电流变化规律换向电流变化规律三、影响换向的因素三、影响换向的因素 1.1.电磁因素：电磁因素：2.2.机械、化学、材料等原因。机械、化学、材

16、料等原因。 电抗电势和切割电势电抗电势和切割电势( (电枢反应使得换向元件电枢反应使得换向元件所在处的磁场不为所在处的磁场不为0 0，从而产生切割电势。也是阻，从而产生切割电势。也是阻碍元件电流变化的碍元件电流变化的 ) )阻碍换向阻碍换向. .(1) (1) 机械方面的原因机械方面的原因: : 换向器偏心换向器偏心/ /片间绝缘凸出片间绝缘凸出/ /某个换向片凸出某个换向片凸出/ /电刷与换向器表面接触不好等等；电刷与换向器表面接触不好等等； 四、改善换向的方法四、改善换向的方法 1.1.装换向极装换向极(2) (2) 化学方面：化学方面： 高空缺氧高空缺氧/ /缺水缺水/ /某些化工厂的电

17、机，都可能某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。 在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。产生一个磁密，换向元件切割电枢反应磁势。产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。（换向极绕组一般与电枢绕组串联）（换向极绕组一般与电枢绕组串联） 图图4.8.4 4.8.4 装置换向极改善换向装置换向极改善换向 2.2.装补偿绕组装补偿绕组 装补偿绕组将产生抵消电枢反应的磁势，装补偿绕组将产生抵消电枢反应的磁势，与与电枢绕组串联。电枢绕组串联。 图图4.8.5 4.8.5 安装补偿绕组改善换向安装补偿绕组改善换向 图图4.8.6 4.8.6 安装补偿绕组示意图安装补偿绕组示意图 图图4.8.7 4.8.7 换向器上环火示意图换向器上环火示意图 3.3.移动电刷位置移动电刷位置 对于未装换向极的小型串励直流电机，把对于未装换向极的小型串励直流电机，把电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导体接触）移开一个适当的角度，使得换向元件体接触）移开一个适当的角度，使得换向元件产生的感应电势与自感电势的方向相反，相互产生的感应电势与自感电势的方向相反，相互抵销。抵销。 与设置换向极