畢業(yè)設(shè)計(jì)--他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真

1、<p>　分類號編 號</p><p>　U D C密 級</p><p>　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　題 目他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 </p><p>　Separately excited DC motor sim

2、ulation </p><p>　Of start and brake </p><p>　作者姓名</p><p>　專業(yè)名稱電氣工程及其自動化

3、 </p><p>　指導(dǎo)教師姓名及職稱</p><p>　提交日期2014年3月日 答辯日期</p><p>　答辯委員會主任評 閱 人</p><p>　2008年6月19日</p><p>　　他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真</p>

4、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真包括：他勵直流電動機(jī)直接啟動方式的仿真、他勵直流電動機(jī)電樞電路串電阻啟動過程的仿真、他勵直流電動機(jī)降壓啟動方式的仿真、他勵直流電動機(jī)分級啟動方式的仿真、他勵直流電動機(jī)軟啟動方式的仿真以及他勵直流電動機(jī)能耗制動方式的仿真、反接制動方式的仿真和回饋制動方式的仿真。</p&g

5、t;<p>　　論文分3大部分。第一部分在介紹直流電動機(jī)的應(yīng)用范圍、分類、結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，對他勵直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了詳述，同時對MATLAB仿真軟件的基礎(chǔ)知識做出了相關(guān)介紹，更是對simulink模塊和相關(guān)元件有了具體的認(rèn)識。第二部分包括了他勵直流電動機(jī)5種啟動方式的原理并通過仿真得出相應(yīng)波形。第三部分包括了他勵直流電動機(jī)3種制動方式的原理并通過仿真得出相應(yīng)波形。</p><p>　　關(guān)鍵

6、詞：他勵直流電動機(jī) 啟動/制動 MATLAB仿真</p><p>　　Separately excited DC motor </p><p>　　Start and brake</p><p>　　Abstract: </p><p>　　In this paper, MATLAB / SIMULINK simulation inclu

7、de: direct start emulation mode of separately excited DC motor , separately excited DC motor armature circuit simulation series resistance of the boot process, encourage him to start the simulation mode buck DC motor, se

8、parately excited DC motor start grading simulation methods, simulation excited DC motor soft start mode and the brake simulation and emulation mode feedback excited DC motor braking mode simulation, reverse braking mode.

9、</p><p>　　Papers of 3 parts. The first part describes the DC motor based on the scope of application, classification, structure and principle .Especially for separately excited DC motor has structure and pri

10、nciple of detail.On the other hand, the basics of MATLAB simulation software make related introduce, especially for the simulink module and more understanding of related elements . The second part consists of five kinds

11、of direct start principle of separately excited DC motor and get corresponding wave</p><p>　　Key Words: Separately excited DC motor ，start / brake，simulation of MATLAB</p><p><b>　　目 錄<

12、/b></p><p><b>　　第1章：緒論2</b></p><p><b>　　1.1前言2</b></p><p>　　1.2 他勵直流電動機(jī)2</p><p>　　1.2.1直流電動機(jī)的分類2</p><p>　　1.2.2 直流電動機(jī)概述3<

13、;/p><p>　　1.2.2.1 直流電動機(jī)的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩4</p><p>　　1.2.2.2 他勵直流電動機(jī)的原理6</p><p>　　1.3 MATLAB7</p><p>　　1.3.1 MATLAB基本知識7</p><p>　　1.3.2 Simulink 概述9</p>

14、<p>　　1.3.3各模塊功能簡介9</p><p>　　第2章：他勵直流電動機(jī)啟動方式的仿真與分析14</p><p>　　2.1他勵直流電動機(jī)的啟動14</p><p>　　2.2他勵直流電動機(jī)的啟動方式14</p><p>　　2.2.1直接啟動的概念及原理：14</p><p>　　2.

15、2.2 電樞電路串電阻啟動15</p><p>　　2.2.3降電壓啟動的原理17</p><p>　　2.2.4分級啟動18</p><p>　　2.2.5軟啟動18</p><p>　　2.3仿真驗(yàn)證19</p><p><b>　　小結(jié)：25</b></p><

16、;p>　　第3章：他勵直流電動機(jī)制動方式的仿真與分析26</p><p>　　3.1能耗制動26</p><p>　　3.1.1 能耗制動過程——迅速停機(jī)26</p><p>　　3.1.2 能耗制動運(yùn)行——下放重物28</p><p>　　3.2 反接制動30</p><p>　　3.2.1 電壓反向

17、反接制動——迅速停機(jī)30</p><p>　　3.2.2 電動勢反向反接制動——下方重物32</p><p>　　3.3 回饋制動33</p><p>　　3.3.1 正向回饋制動33</p><p>　　3.3.2 反向回饋制動——下放重物35</p><p>　　3.4仿真驗(yàn)證36</p>

18、<p><b>　　第4章 總結(jié)41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　第1章：緒論 </b></p><p><b>　　1.1前言</b></p><p>　　電能是能量的一種形式，

19、在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中，電能已經(jīng)成為使用廣泛的一種能源，而電動機(jī)則是產(chǎn)生這種能源的轉(zhuǎn)換裝置，它可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為各種機(jī)械提供動力，因此應(yīng)用范圍廣泛。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防，航空航天，日常生活的家用電器也有應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)的資料顯示，電動機(jī)已占動力資源的的很大一部分，它與人類的生活密不可分。在電氣的時代，簡單控制方法讓我們更加有效率地運(yùn)用電動機(jī)，其中啟動，制動方式以各同的方式存在著，由于不同啟動和制動的方式對電動機(jī)有著不同的作用效果

20、，從而對電動機(jī)所帶來的經(jīng)濟(jì)性和效率性也有著不同的影響。</p><p>　　1.2 他勵直流電動機(jī)</p><p>　　1.2.1直流電動機(jī)的分類</p><p>　　根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為以下幾種類型[1]：</p><p>　　機(jī)他勵直流電勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)

21、，接線如圖1（a）所示。圖中M表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。 （2）串勵直流電機(jī)</p><p>　　串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖1（c）所示。這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。</p><p><b>　　并勵直流電機(jī)</b></p><p>　　并勵直流電

22、機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖1（b）所示。作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機(jī)相同。</p><p>　　（4）復(fù)勵直流電機(jī)復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖1（d）所示。不同勵磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式。 </p>

23、<p>　　1.2.2 直流電動機(jī)概述</p><p>　　直流電動機(jī)是直流電動機(jī)的一種類型，就是在工作狀態(tài)時通過消耗直流電產(chǎn)生的機(jī)械能的一種轉(zhuǎn)換裝置。因?yàn)橹绷麟妱訖C(jī)在工作時具有非常好的調(diào)速性能，所以在現(xiàn)代的電力拖動中得到了很廣泛的應(yīng)用，它按照工作方式的不同，即按照勵磁方式不同分為永磁直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和自勵直流電動機(jī)三類，其中自勵直流電動機(jī)又分為并勵直流電動機(jī)、串勵直流電動機(jī)、復(fù)勵直流電動機(jī)三

24、種。</p><p>　　直流電動機(jī)的工作原理圖見圖2所示，圖中的N極和S極是一對固定著不動的磁極，這對磁極用來產(chǎn)生所需要的磁場。容量很小的電機(jī)一直用永磁磁鐵做成磁極，而容量較大的電機(jī)，磁場是由直流勵磁電流通過繞在磁極鐵芯上的勵磁繞組產(chǎn)生(圖中只畫出了磁極的鐵芯，未畫出繞組)。在N極與S極之間有一個可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機(jī)的這一部分是電樞。實(shí)際點(diǎn)集中的電樞繞組嵌放在鐵芯槽內(nèi)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流，圖中

25、只畫出一個線圈來代表電樞繞組，并沒畫出電樞鐵芯。線圈的兩端分別與兩個彼此絕緣并且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的圖片銜接，整體上有個被壓著固定不動的電樞。如圖2中若將電樞繞組通過電刷連接到直流電源上時，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械的負(fù)載相連接，這時的電流從電源的正極流出，經(jīng)過電刷流入電樞繞組，然后經(jīng)過電刷B流回電源的負(fù)極。在圖2所示的位置，線圈的ab邊在N極的作用下，cd在S極下，電樞繞組中的電流沿著a-b-c-d的方向流動。電樞電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F

26、,方向用左手定則來判斷。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞繞組的ab邊轉(zhuǎn)到了S極下，cd邊轉(zhuǎn)到了N極下，如果線圈中電流方向依然不變，那么作用在這個線</p><p>　　1.2.2.1 直流電動機(jī)的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　1.2.2.1.1 電動勢</p><p>　　電動勢的產(chǎn)生是因?yàn)榇鸥芯€被電樞繞組切割而出來的，由電磁感定

27、律可以得出，電樞繞組上的每一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動勢為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（1-2）</b></p><p>　　將代入（1-2）直流電動機(jī)的電動勢方程可得出:</p><p><b>　　(1-3)</b></p&

28、gt;<p>　　磁通的單位為，轉(zhuǎn)速的單位為,則感應(yīng)電動勢的單位為，為極對數(shù)，式中的為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)[2]。</p><p>　　轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的方向決定了電動勢的方向，電動勢的方向隨著其中一個的改變而改變。直流電動機(jī)中的電動勢方向和電樞電流方向相反的。</p><p>　　1.2.2.1.2 電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　在直流電動

29、機(jī)中[3]，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是有電樞電流和磁場之間相互作用產(chǎn)生的電磁力形成的。由物理學(xué)中電磁力的公式方程可知，電樞繞組中不管那一根導(dǎo)體所受的平均電磁力均為：</p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　上式中，表示的是每一根導(dǎo)體上流過的電流；而則表示每一個磁極想的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，每極的磁通除以每極的面積就是它的值，即:</p>&

30、lt;p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　上式中，是極距；是長度，是圓邊的有效長度。如果電樞半徑為R,那么由每根導(dǎo)線上的電磁力所產(chǎn)生的電磁力矩為。由電樞的直徑D為，所以,得到電磁轉(zhuǎn)矩為由于電樞電流，所以:</p><p><b>　　（1-6）</b></p><p>　　將代入式子（1-6），得

31、直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為:</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式子當(dāng)中，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。</p><p>　　電樞電流與磁場的方向決定了電磁轉(zhuǎn)矩的方向，并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向隨著其中一個的改變而改變。直流電動機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向是一樣的。</p><p>　　1.2.2.1.3

32、 直流電動機(jī)的功率</p><p>　　電動機(jī)工作時是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，所以電動機(jī)的功率問題在電動機(jī)中是十分重要的。當(dāng)機(jī)器在運(yùn)行時包含輸入功率、輸出功率以及運(yùn)行時各種零件之間產(chǎn)生的摩擦損耗，總的這些標(biāo)量間的大小滿足能量守恒。電動機(jī)工作時必然產(chǎn)生損耗能量，耗損的能量主要包括以下形式：</p><p>　　銅耗:銅的消耗主要是由電樞、勵磁、換向極以及補(bǔ)償?shù)壤@組的銅的消耗再加上電刷和換向

33、器連接在一起時電阻產(chǎn)生的損失。銅的消耗量的多少主要是因?yàn)殡娏?、繞組的總電阻和電刷之間的接觸電阻大小有關(guān)。</p><p>　　鐵耗：鐵的消耗是由于旋轉(zhuǎn)著的電樞在磁場中運(yùn)動時，硅鋼片中的磁滯和渦流之間所產(chǎn)生的鐵的損耗量，這個稱之為不變損耗。</p><p>　　機(jī)械損耗:機(jī)械的損耗主要包括各運(yùn)動器件之間的摩擦作用所產(chǎn)生的阻尼損耗，如果軸承內(nèi)圈和滾動體之間，外圈和滾動體之間所產(chǎn)生的摩擦，電刷之

34、間的摩擦，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時與空氣的摩擦以及電風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時所小號的功率。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，機(jī)械損耗可以被看做常數(shù)因子，可以看成不變的損耗。</p><p>　　附加損耗:由于齒輪與齒槽之間存在泄露的磁感線所引起的損耗。、和在電機(jī)沒有外加載荷時所產(chǎn)生的損耗，因此叫做空載損耗，即空載損耗等于這三者的和。</p><p>　　1.2.2.2 他勵直流電動機(jī)的原理</p><p>

35、　　他勵直流電動機(jī)的工作電路圖見圖3所示。其中勵磁繞組和電樞繞組兩個繞組都有其專門的直流電源供電，在勵磁電壓的影響下，勵磁電流通過勵磁繞組并產(chǎn)生磁極磁通，若在電樞電壓的作用下，電樞電流通過電樞繞組。電樞電流在磁場中運(yùn)動并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩驅(qū)動某個機(jī)械器件，使其以某一速度來運(yùn)轉(zhuǎn)，而通有電流的電樞繞組在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動并產(chǎn)生電動勢。其中電動勢的方向和電樞中電流的方向相反。</p><p>　　1.3 M

36、ATLAB</p><p>　　1.3.1 MATLAB基本知識</p><p>　　MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它用于圖形處理計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境和數(shù)值計(jì)算，除了出色的數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)外，還可以提供專業(yè)水平的符號計(jì)算，文字處理，可視化建模個實(shí)時控制等功能。MATLAB是矩陣實(shí)（Matrix Laboratory）的簡稱，因此它可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、

37、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等功能，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件[4]。</p><p&

38、gt;　　概括的來講，整個MATLAB系統(tǒng)由兩部分組成，即MATLAB的輔助工具箱，兩者的調(diào)用構(gòu)成了MATLAB的強(qiáng)大功能。MATLAB以數(shù)組為基本單位，包括控制流程語句，函數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級用語言，它具有以下特點(diǎn)[5]：</p><p>　　運(yùn)算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高，MATLAB除了提供和C語言一樣的運(yùn)算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符。利用其運(yùn)算符號和庫函數(shù)可

39、使其程序相當(dāng)簡短，兩三行語句就可實(shí)現(xiàn)幾十行甚至幾百行C或FORTRAN的程序功能。</p><p>　　既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句，if語句和switch語句)，又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦浴D形功能強(qiáng)大，它既包括對二維和三維數(shù)據(jù)可視化，圖像處理，繪畫制作等高層次的繪畫命令，也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的，低層次的繪畫命令。</p><p>　　

40、功能強(qiáng)大的工具箱。工具可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時交互的功能。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如優(yōu)化工具箱，統(tǒng)計(jì)工具箱，控制工具箱，小波工具箱，圖像處理工具箱，通信工具箱等。</p><p>　　易于擴(kuò)充。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可修改源文件和加入自己的文件，他們可

41、以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用。MATLAB由主包和功能各異的工具箱組成，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。正如其名“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，MATLAB起初主要是用來進(jìn)行矩陣運(yùn)算的。</p><p>　　經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，時至今日，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺的功能強(qiáng)大的大型軟件。</p><p>　　MATLAB提供了一種科學(xué)工程計(jì)算的高級語言，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析算法開發(fā)的開發(fā)環(huán)境

42、。MATLAB7針對編程環(huán)境、代碼效率、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)學(xué)計(jì)算、文件I/O等方面進(jìn)行了升級，概括起來有以下幾個方面：</p><p>　?。?）窗體：重新設(shè)計(jì)的桌面環(huán)境，針對多文檔界面應(yīng)用提供了簡便的管理和訪問方法；增強(qiáng)數(shù)據(jù)編輯器和工作空間瀏覽器的功能；增強(qiáng)了M文件編輯器，支持多格式源文件代碼分析。</p><p>　?。?）編程：支持創(chuàng)嵌套和匿名函數(shù)功能，同時增強(qiáng)了模塊化注釋的功能。<

43、;/p><p>　?。?）數(shù)學(xué)：支持整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和單精度數(shù)學(xué)類型運(yùn)算。</p><p>　?。?）圖形：新的圖形窗體界面和圖形窗體注釋，同時使用了偵測工具，提供了豐富的數(shù)據(jù)觀測手段。</p><p>　?。?）接口：新增文件I/O函數(shù)，使得具有壓縮功能的MAT文件格式具備了支持快速數(shù)據(jù)文件I/O的能力；支持COM、VBS、SOAP、FTP和Unicode編碼格式。&l

44、t;/p><p>　　1.3.2 Simulink 概述</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，只需要通過簡單的直接的操作，就能夠搭建出所需要的系統(tǒng)。Simulink具有適用性廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細(xì)、貼近現(xiàn)實(shí)、效率高、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，基于這些優(yōu)點(diǎn)Simulink已經(jīng)廣泛應(yīng)用到控制

45、理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。</p><p>　　Simulink是MATLAB中一種可視化的仿真工具，它基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，被廣泛應(yīng)用在線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。在本實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用了它的圖形化用戶界面進(jìn)行建模，只需要用鼠標(biāo)拖拉所需的原件即可完成建模。與其他的仿真需要的語言和程序相比簡便很多，Simulink擁有全面的

46、庫，如信號源、接收器、線性模塊、連接器等模塊，同時也能自己建立和定義所需的模塊，也可以雙擊模塊來修改或者了解相應(yīng)的細(xì)節(jié)參數(shù)，這樣讓我們更加深入了解模塊與整體模型的相互作用。</p><p>　　在定義一個模型后，就可以進(jìn)行仿真，使用scope顯示模塊就可以再模擬運(yùn)行中看到模擬結(jié)果，也可以通過改變其中的參數(shù)馬上看到相應(yīng)結(jié)果的改變，最后的仿真結(jié)果可以放到MATLAB工作空間來做后期的處理和可視化。</p>

47、<p>　　1.3.3各模塊功能簡介</p><p>　　Simulink內(nèi)置模型庫包含公共模型庫和專業(yè)模型庫：</p><p>　　Simulink 的公共模型庫是 Simulink中最通用的模型庫，它可以應(yīng)用到不同專業(yè)，包括 16個子模塊庫，例如：</p><p>　?。?）Commonly Used Blocks(常用模型庫) </p>

48、;<p>　　新版本的 Simulink 中，為了方便用戶使用，專門將常用的22種模塊放在了常用模型庫中。這些常用的模型包括輸入模塊、輸出顯示模塊、連續(xù)（離散）系統(tǒng)積分模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊及信號路由模塊等；</p><p>　?。?）Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模型庫）</p><p>　　(3）Discontinuity（不連續(xù)環(huán)節(jié)）等等</p><p&

49、gt;　　Simulink 的專業(yè)模型庫包括以下模型庫：</p><p>　?。?）航空航天模型庫（Aerospace Blockset）</p><p>　　（2)控制系統(tǒng)模型庫（Control System Toolbox）</p><p>　　面向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，主要提供線性時不變系統(tǒng)的模塊。</p><p>　　(3)數(shù)字信號處

50、理模型庫（DSP Blockset）</p><p>　　模塊、DSP 數(shù)學(xué)函數(shù)庫、量化器模塊、信號管理模塊、信號操作模塊、統(tǒng)計(jì)模塊和信號變換模塊等。</p><p>　　(4)Simulink附加模型庫（Simulink Extras）</p><p>　　(5)函數(shù)示例模型庫(S-function demos)等等</p><p>　　本

51、次課程設(shè)計(jì)主要用到公共模型庫中的下列幾個模塊：</p><p>　　模塊主要用到Library庫中Dc Machine、Dc Voltage Source、Scope，Series RLC Branch、Voltage Measurement、Constant等模塊</p><p>　　Dc Machine：電力系統(tǒng)工具箱內(nèi)直流電仿真模塊如下圖4所示，這一模塊仿真他勵直流電動機(jī)，電樞電路包

52、括電感和電阻以及串聯(lián)的反接電動勢。</p><p>　　與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比式中為電壓常數(shù)，他勵直流電動機(jī)中正比于勵磁電流，式中為互感常數(shù)</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　電磁扭矩正比于電樞電流，式中為扭矩常數(shù)，扭矩常數(shù)

53、等于電壓常數(shù)。的符號規(guī)定：>0為發(fā)電機(jī)模式,<0為電動機(jī)模式。</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　電樞電路和勵磁電路由Power庫中的模塊組成，電樞電路位于輸入端A+和輸出端A-之間，由RLC支路、可控電源以及電流測量模塊串接而成。勵磁電路位于輸入端F+和輸出端F-之間，由RLC支路構(gòu)成，機(jī)械部分通過加載到轉(zhuǎn)子上的凈扭矩

54、計(jì)算直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n。其中Tl是負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入，m為測量參數(shù)輸出，A+為電樞繞組正，F(xiàn)+為勵磁繞組正，A-為電樞繞組負(fù)，F(xiàn)-為勵磁繞組負(fù)。直流電機(jī)的他勵連接方式見圖5：</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中，從m端引出的線路有4條參數(shù)，從上至下的是轉(zhuǎn)速（n）、電樞電流、勵磁電流以及轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　Dc Voltage Source：直流電壓源模塊，用于輸入穩(wěn)定的直流電源負(fù)責(zé)給直流電機(jī)供電。

55、</p><p>　　（3）Series RLC Branch：RLC串聯(lián)分支模塊實(shí)現(xiàn)了一個電阻、電感或電容或它們的串聯(lián)組合。使用分支類型參數(shù)來選擇需要的要的分支包括的元素，實(shí)現(xiàn)了一個模塊多種功能用途，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊，只能作為支路串在電路中，切記不可以作為負(fù)載，負(fù)載有專門的負(fù)責(zé)模塊。</p><p>　?。?）Ideal Switch:理想

56、開關(guān)</p><p>　　當(dāng)g端為0時，開關(guān)閉合；反之，開關(guān)斷開，在本實(shí)驗(yàn)中，我們把階躍信號作為理想開關(guān)的控制信號。</p><p>　　Constant：常數(shù)模塊，可于參數(shù)設(shè)定中更改數(shù)值，得到不同的輸入電壓</p><p>　　Gain:增益模塊，起放大作用</p><p>　　Scope：輸出波形觀測模塊，用于顯示輸出波形,對輸出的參數(shù)信

57、號進(jìn)行波形仿真，并顯示出來。</p><p>　　在本實(shí)驗(yàn)中，總共有4個參數(shù)信號，分別為電樞電壓、轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩。并且示波器中的輸出波形也是按照這個順序顯示的。</p><p>　　Voltage Measurement：電壓測定模塊</p><p>　　第2章：他勵直流電動機(jī)啟動方式的仿真與分析</p><p>　　2.1他勵直流

58、電動機(jī)的啟動</p><p>　　他勵直流電動機(jī)啟動時，為保證有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩及啟動時轉(zhuǎn)速不過高，應(yīng)使磁通為額定值，且勵磁回路絕對不允許短路。</p><p>　　電動機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程稱為啟動。電動機(jī)在啟動過程中，電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速都隨時間變化，是一個過渡過程。開始啟動的一瞬間，轉(zhuǎn)速等于零，這時的電樞電流稱為啟動電流，用表示，對應(yīng)的

59、電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩，用表示。一般對直流電動機(jī)的啟動有如下要求：</p><p>　　(1)啟動轉(zhuǎn)矩足夠大（的電動機(jī)才能順利啟動）</p><p>　　(2)啟動電流要限制在一定的范圍內(nèi) </p><p>　　(3)啟動設(shè)備操作方便，啟動時間短，運(yùn)行可靠，成本低廉</p><p>　　2.2他勵直流電動機(jī)的啟動方式</p>

60、;<p>　　2.2.1直接啟動的概念及原理：</p><p>　　他勵直流電動機(jī)啟動時[9]，為了產(chǎn)生較大的啟動轉(zhuǎn)矩及不讓啟動后的轉(zhuǎn)速過高，應(yīng)該滿磁通啟動，即勵磁電流為額定值，使每極磁通為額定值。因此啟動時勵磁回路不能穿有電阻，而且絕對不允許勵磁回路出現(xiàn)斷路。</p><p>　　他勵直流電動機(jī)若加額定電壓,且電樞回路不串電阻，即直接啟動，正如前面分析，啟動的瞬間，由于機(jī)械

61、慣性，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為0，電樞繞組感應(yīng)電動勢為0，啟動電流，啟動轉(zhuǎn)矩。由于電流過大，使電機(jī)出現(xiàn)換向不良，產(chǎn)生火花，甚至正負(fù)電刷間產(chǎn)生電弧，燒毀電刷架。另外，啟動轉(zhuǎn)矩過大，還會造成機(jī)械撞擊，以至于損壞傳動機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械。因此，除了額定功率在數(shù)百瓦下的微型直流電動機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大、轉(zhuǎn)動慣量比較小這些特點(diǎn)可以直接啟動外，一般直流電動機(jī)都不允許直接啟動的。</p><p><b>　　（2-1）&l

62、t;/b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　為了解決以上的相關(guān)問題，下面將分別介紹他勵直流電動機(jī)其他的四種啟動方式：電樞電路串電阻啟動、降壓啟動、分級啟動、軟啟動。</p><p>　　2.2.2 電樞電路串電

63、阻啟動</p><p>　　實(shí)際中，串電阻啟動由于其啟動設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，同時可以做到平滑快速的啟動，因而得到廣泛應(yīng)用。但是對于不同類型和規(guī)格的直流電動機(jī)，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。</p><p>　　下面是他勵直流電動機(jī)電樞回路串電阻起啟動過程分析： </p><p>　　如圖1-(1)所示，當(dāng)電動機(jī)已有磁場時，給電樞電路加電源電壓。觸點(diǎn)KM1、K

64、M2均斷開,電樞將串入了電阻值為的電阻 ,因此電樞回路總電阻為。即啟動電流為： </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　啟動電流所對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為。對應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖1-(2)中的曲線1所示。 </p><p>　　根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式 ：</p><p>&l

65、t;b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中 ——電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　——由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　——電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；</p><p>　　由于起動轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由0逐漸上升，電動機(jī)開始啟動。在圖1-(2)上，由a點(diǎn)沿曲線1上升，反

66、電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn)KM1閉合，切除一段起動電阻。b點(diǎn)所對應(yīng)的電樞電流稱為切換電流，其對應(yīng)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除后，電樞回路總電阻為。這時電動機(jī)對應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性，見圖1-(2)中曲線2。在切除起動電阻的瞬間，由于慣性電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為，其反電動勢亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇所切除

67、的電阻值，使切除后的電樞電流剛好等于，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為，即在曲線2上的c點(diǎn)。又有，電動機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作用下,由c點(diǎn)沿曲線2上升到d點(diǎn)。控制點(diǎn)KM2閉合，又切除一切起動電阻。同理,由d點(diǎn)過度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固有機(jī)械特性上。電樞電流又由突增到，相應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩由突增到。，沿固有特性加速到g點(diǎn),電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，啟動過程結(jié)束。</p><p>　　2.2.3降電壓啟動的原理</p><p>&l

68、t;b>　　啟動過程分析如下：</b></p><p>　?。?）電樞回路電壓為的啟動：</p><p>　　啟動前雙刀雙擲開關(guān)S斷開，電樞回路中存在電樞電阻。在勵磁回路中加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，然后使雙刀雙擲開關(guān)S置左，此時他勵直流電動機(jī)以電樞回路兩端電壓為啟動。這是電動機(jī)的機(jī)械特性如圖1-（2）中的人為特性。剛啟動時，電壓比較低，啟動電流不大。由于啟動

69、轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械開始啟動，工作點(diǎn)沿人為特性由點(diǎn)向點(diǎn)移動。</p><p>　?。?）電樞回路電壓由切換到的過程：</p><p>　　當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩等于切換轉(zhuǎn)矩時，雙刀雙擲開關(guān)S置右，將電樞回路電壓由切換到，此時電樞回路兩端電壓為。這時電動機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)槿藶樘匦浴Ｇ袚Q的瞬間轉(zhuǎn)速來不及改變，工作點(diǎn)由特性上的點(diǎn)平移到特性上的點(diǎn)，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩仍等于，電動

70、機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿特性由點(diǎn)向點(diǎn)移動。</p><p>　　根據(jù)以上步驟可逐步升高電樞回路兩端電壓，直至升至額定電壓，啟動過程結(jié)束。</p><p>　　在升壓的過程中，電樞回路兩端電壓不能升得太快，否則電流還會發(fā)生較大的沖擊?，F(xiàn)在可以利用控制系統(tǒng)，使電源電壓連續(xù)升高，啟動過程更短，更平穩(wěn)。</p><p><b>　　2.2.4分級啟動</b>

71、;</p><p>　　由于直接啟動電流過大，為了限制啟動電流，通常在電源和電動機(jī)之間加上啟動變阻箱。分級啟動是在電機(jī)串電阻的基礎(chǔ)上，可以通過這種方式使得電機(jī)的電壓分三次升高至額定電壓，可以有效的減小電機(jī)的電樞繞組的電流峰值，從一定程度上提高了電機(jī)的壽命，目前這種控制方式運(yùn)行很廣泛，以下圖3是分級啟動的核心部分，在啟動時刻三個電阻都串聯(lián)電路中，采用不同時刻分別斷開的方式可以逐漸提高電樞繞組兩端的電壓，從而減小了啟

72、動電流的幅值。</p><p><b>　　2.2.5軟啟動</b></p><p>　　分級啟動雖然限制了啟動電流，但是在啟動過程中電機(jī)的電流 、轉(zhuǎn)速都不是連續(xù)的，都存在一個很大的跳變，為了限制這種情況，使用了軟啟動的方式，軟啟動就是將電機(jī)的輸入端一點(diǎn)點(diǎn)把電壓從0升至額定電壓。</p><p>　　在電樞繞組上面并聯(lián)一個電容，目的是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)

73、突加電壓是，由于電容電壓不能突變，所以電壓會慢慢升高，從而達(dá)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流平滑的增加或者下降。圖4為軟啟動的核心部分。</p><p><b>　　2.3仿真驗(yàn)證</b></p><p>　　使用Simulink建立他勵直流電動機(jī)直接啟動、電樞電路串電阻啟動、降壓啟動、分級啟動、軟啟動的仿真模型，測取啟動過程中的電壓、角速度、電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流的仿真曲線，并進(jìn)行比

74、較。</p><p><b>　?。?）直接啟動方式</b></p><p>　　直接啟動是在某一時刻直接給定電機(jī)繞組一個額定的電壓（220V）。當(dāng)給定電壓加到電機(jī)繞組上時，由于存在電樞的原因，所以電流不會立刻突變很大的電流，存在一個電流上升的過程。圖5仿真途中，采用了理想開關(guān)Ideal Switch的開關(guān)來控制直流電壓加入到直流電機(jī)中，勵磁繞組提前給定一個勵磁電流，

75、從而產(chǎn)生勵磁磁場，加入電樞電流時電機(jī)在勵磁磁場的作用下電機(jī)啟動運(yùn)行。</p><p>　　示波器顯示的是電機(jī)的電樞電壓、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的波形見圖6。</p><p>　　當(dāng)給定電樞電壓220V之后，轉(zhuǎn)速會由于勵磁磁場的作用啟動并運(yùn)行到額定的轉(zhuǎn)速140。由于電機(jī)的電樞繞組的作用，突然給定電機(jī)的電壓時電機(jī)存在一個突增的過程，啟動電流最大可達(dá)到320A,一般電機(jī)額定電流只有50

76、A以內(nèi)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電流下降并穩(wěn)定在額定電流。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩跟電樞的電流成正比，啟動時刻電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩突增，穩(wěn)定后為了與負(fù)載平衡而減小只穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p><b>　　(2)串電阻啟動</b></p><p>　　電機(jī)串電阻啟動的目的是為了限制電機(jī)啟動時刻的存在很大的沖擊電流，對電機(jī)繞組產(chǎn)生損害，所以采用這種方式可以有效的減小電流。采用的方式就是在啟動時刻

77、電樞繞組內(nèi)串接一個電阻的方式，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到一定值時，將電阻短路，此時電樞繞組上任然是額定電壓220V，如下圖7所示的為電路仿真圖。</p><p>　　示波器顯示的是電機(jī)的電樞電壓、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的波形見圖8當(dāng)在0.5s時刻給定電機(jī)一個啟動電阻，電機(jī)相當(dāng)于電壓是分兩次給定到電機(jī)電樞繞組上面的，第一次給定的是200V，第二次是220V,可以通過調(diào)節(jié)電樞繞組串聯(lián)電阻的阻值控制啟動時刻給定的電壓的

78、大小，由圖上的波形可以看出轉(zhuǎn)速也是相應(yīng)的分兩次升高，本次的目的是體現(xiàn)在串電阻對電流波形的影響。電流兩次啟動將電流的峰值限制在100A以內(nèi)，可以有效的限制電流的幅值。</p><p><b>　　分級啟動</b></p><p>　　分級啟動就是在電源與電動機(jī)之間加一個啟動變阻箱，即原理圖9中的Motor starter，它是一個封裝后的模型，核心部分見圖3，工作原理如

79、下：Motor starter由三個電阻組成，在每個電阻兩端并聯(lián)一個理想開關(guān)，通過設(shè)置開關(guān)不同時間，來斷開電阻。啟動瞬間，三個開關(guān)全部斷開，此時阻值最大，當(dāng)達(dá)到第一個開關(guān)導(dǎo)通時間，第一個電阻被斷開。隨著每個開關(guān)的時間不一樣，電阻依次斷開，從而達(dá)到了限制電流，保護(hù)轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p>　　分級啟動的目的是將電流波形限制在50A以內(nèi)，從本次的仿真分析可以看出當(dāng)電機(jī)的分三次啟動時電機(jī)的電流峰值都在50A以內(nèi)，達(dá)

80、到了預(yù)期的效果，這也正是目前工業(yè)運(yùn)用中運(yùn)用較為廣泛的原因。電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟電壓存在著比例關(guān)系，當(dāng)電壓升高時，轉(zhuǎn)速也跟隨著升高，在額定轉(zhuǎn)速以下時；每次突增電壓時，電樞電流都存在一個突然增大的一個過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電流減小到額定電流，轉(zhuǎn)矩跟電電流成正比關(guān)系，所以波形上面跟電流相同。</p><p><b>　　軟啟動</b></p><p>　　軟啟動原理圖見圖11，在電源后

81、面并接一個電容，使加在電動機(jī)上的電壓連續(xù)變化，就實(shí)現(xiàn)了軟啟動的目的。并聯(lián)電容的值為9e-1C。當(dāng)接通電源后，由于電容的特性電壓不能突變，電壓是逐漸增加上去的，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流都升高的平滑。與直接啟動相比啟動時間增加，但是平滑性較好，電壓、轉(zhuǎn)速都是逐漸增大，電流的峰值也將近50A左右，仿真圖見圖12。平滑性較好，啟動到了一定的限制作用，目前這種控制方式簡單有效，在工業(yè)中運(yùn)用很廣泛。</p><p><

82、;b>　　降壓啟動</b></p><p>　　降壓啟動時一種電機(jī)在啟動過程中電樞繞組兩端電壓是逐漸增大，分為幾個等級的電壓系數(shù)，這種啟動方式在效果上面與分級啟動的效果相似，都是多次逐級增加電機(jī)電樞兩端的電壓，從而增大電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過這種方式將電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，而此時電流的波形也是多級增大的，存在突增，但是幅值只限制在一定范圍內(nèi)，才能有有很好的啟動效果。由于參數(shù)和連圖的問題并未得出相應(yīng)的波

83、形，這是該實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)的部分。</p><p><b>　　小結(jié)：</b></p><p>　　電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩端口并沒有外加轉(zhuǎn)矩輸入，是從輸出端反饋的，這相當(dāng)于空載啟動。</p><p>　　分級啟動的電阻阻值很重要，阻值過大會延長啟動時間，過小又起不到限流作用。</p><p>　　軟啟動主要是利用電容特性來進(jìn)行啟動&l

84、t;/p><p>　　降壓啟動未實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行更深的研究</p><p>　　第3章：他勵直流電動機(jī)制動方式的仿真與分析</p><p><b>　　3.1能耗制動</b></p><p>　　直流電動機(jī)的制動方式有多種：能耗制動、反接制動和回饋制動。在此先討論能耗制動。</p><p>　　直流電動

85、機(jī)開始制動后[8]，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零或反向一個轉(zhuǎn)速值（下放重物的情況）的過程稱為制動過程。對于電動機(jī)來講，我們有時候希望它能迅速制動，停止下來，如在精密儀器的制動過程中，液晶顯示屏幕的切割等等，但有的時候我們卻希望電機(jī)能夠慢慢地停下來，利用慣性來工作。于是，直流電動機(jī)能耗制動又分為迅速停機(jī)和下放重物兩種方式。</p><p>　　他勵直流電動機(jī)能耗制動的特點(diǎn)是：將電樞與電源斷開，串聯(lián)一個制動電阻，使電機(jī)

86、處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電樞回路的電阻上。</p><p>　　能耗制動分為兩種，分別用于不同場合。</p><p>　　3.1.1 能耗制動過程——迅速停機(jī)</p><p>　　制動前后如圖1所示[8]，與電動狀態(tài)相比，制動時，系統(tǒng)因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速方向不變，由于磁場方向不變，故電動勢方向也不變。由于電源被切除，電樞通過制動電阻短接，電動勢將產(chǎn)

87、生與電動狀態(tài)時方向相反的電樞電流，反向，使得反向而成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度下降至零。當(dāng)=0時，=0，=0，制動轉(zhuǎn)矩自動消失。</p><p>　　上述制動過程也可以通過機(jī)械特性來說明，電動狀態(tài)是的機(jī)械特性如圖2中的特性1，與的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　能耗制動時，=0，電樞回路中又增加制

88、動電阻，故</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　機(jī)械特性如圖2中的特性2，它是一條通過原點(diǎn)、位于2、4象限的直線。</p><p>　　設(shè)電動機(jī)拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。制動前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上。制動瞬間，因機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，工作點(diǎn)由a點(diǎn)平移到能耗制動特性2上的b點(diǎn)。這是反向，成

89、為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在和的共同作用下，轉(zhuǎn)速迅速下降，工作點(diǎn)沿特性2由b點(diǎn)移至0點(diǎn)。這時，=0，T也自動變?yōu)榱?，制動過程結(jié)束。</p><p>　　能耗制動過程的效果與制動電阻的大小有關(guān)。小，則大，大，制動過程短，停機(jī)快。但制動過程中的最大電樞電流，即工作于b點(diǎn)時的電樞電流不得超過。由圖1-(2)可知</p><p><b>　?。?-3）</b></p&g

90、t;<p>　　，是工作于b點(diǎn)和a點(diǎn)時的電動勢。由此可得</p><p>　　3.1.2 能耗制動運(yùn)行——下放重物</p><p>　　若電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如圖3所示。制動前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上，電動機(jī)以一定的速度提升重物。在需要穩(wěn)定下放重物時，讓電動機(jī)處于能耗制動狀態(tài)。工作點(diǎn)由機(jī)械特性1上的a點(diǎn)平移到特性2上的b點(diǎn)，并迅速移動到0點(diǎn)，這一階

91、段，電動機(jī)處于能耗制動過程中。當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到0點(diǎn)時，=0，但＞0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向啟動，工作點(diǎn)將由0點(diǎn)下移到c點(diǎn)，=，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行，這時反向，電動機(jī)穩(wěn)定下放重物。由于下放重物時，電動機(jī)是穩(wěn)定運(yùn)行在能耗制動狀態(tài)。</p><p>　　能耗制動運(yùn)行與能耗制動過程相比，由于反向，引起E反向，使得和也隨之反向，兩者的不同如圖4所示，在能耗制動過程中，＞0，＜0；然而在能耗制動運(yùn)行時，＜0，＞0。</p

92、><p>　　能耗制動運(yùn)行的效果與制動電阻的大小有關(guān)。小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物慢。由圖4-（2）可知，工作在c點(diǎn)時，只取各量的絕對值，而不考慮正、負(fù)，則</p><p><b>　　(3-4) </b></p><p>　　下放重物時，與方向相反，與T方向相同，故T=-?？梢?，若要以轉(zhuǎn)速n下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為的重物時，制動電阻應(yīng)為</p

93、><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　忽略，則 (3-6)</p><p>　　的結(jié)果應(yīng)與式校驗(yàn)是否合適。</p><p><b>　　3.2 反接制動</b></p><p&g

94、t;　　3.2.1 電壓反向反接制動——迅速停機(jī)</p><p>　　當(dāng)電動機(jī)在電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時候，如圖5所示，為了使工作機(jī)構(gòu)迅速停車，可在維持勵磁電流不變的情況下，突然改變電樞兩端外施電壓的極性，并同時串入電阻，如圖6所示。由于電樞反接這樣操作，制動作用會更加強(qiáng)烈，制動更快。電機(jī)反接制動時候，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機(jī)械的動能都消耗在電阻上面。</p><p>　　同時也可以

95、用機(jī)械特性來說明制動過程。電動狀態(tài)的機(jī)械特性如圖7的特性1，與的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　電壓反向反接制動時，與的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　其機(jī)械特性如圖7中的特性2。設(shè)電動機(jī)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

96、，負(fù)載特性如圖7中的特性3。</p><p>　　制動前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上，制動瞬間，工作點(diǎn)平移到特性2上的b點(diǎn)，反向，成為制動轉(zhuǎn)矩，制動過程開始。在和的共同作用下，轉(zhuǎn)速迅速下降，工作點(diǎn)沿特性2由b移至c點(diǎn)，這是，應(yīng)立即斷開電源，使制動過程結(jié)束。否則電動機(jī)將反向起動，到d點(diǎn)去反向穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　電壓反向反接制動的效果與制動電阻的大小有關(guān),小,制動過

97、程短,停機(jī)快,但制動過程中的但制動過程中的最大電樞電流，即工作于b點(diǎn)時的電樞電流不得超過。由圖4-7可知，只考慮絕對值時</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　式中，Eb=Ea。由此求得電壓反接制動的制動電阻為</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p

98、>　　3.2.2 電動勢反向反接制動——下方重物</p><p>　　制動前的電路如圖8所示，制動后的電路如圖9所示。制動時，電樞電壓不反向，只在電樞電路中串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)闹苿与娮?。機(jī)械特性方程邊變?yōu)?lt;/p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　若電動機(jī)拖動若電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則如圖10所示。制動前，系統(tǒng)

99、工作在固有特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上。制動瞬間，工作點(diǎn)由a平移到人為特性上的b點(diǎn)。由于 ，下降，工作點(diǎn)沿特性2由b點(diǎn)向c點(diǎn)移動。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)時， ，但 ，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動，工作點(diǎn)由c點(diǎn)下移到d點(diǎn)， ，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行。這是反向，電動機(jī)處在制動運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定下放重物。</p><p>　　在這種情況下制動運(yùn)行時，由于反向，也隨之反向，由圖可以看出，這時與的作用方向也變?yōu)橐恢?，?和的方向不變，與

100、方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡，穩(wěn)定下放重物。所以這種反接制動稱為電動勢反向的反接制動運(yùn)行。</p><p>　　電動勢反接制動的效果與制動電阻的大小有關(guān)。 小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物滿。由圖五知，在d點(diǎn)運(yùn)行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負(fù)，則</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p&g

101、t;　　可見，若要以轉(zhuǎn)速n下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為的重物，制動電阻應(yīng)為</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　忽略，則</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　3.3 回饋制動</b&g

102、t;</p><p>　　3.3.1 正向回饋制動</p><p>　　電車在平地行駛或上坡時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩阻礙電車前往行駛。如圖11所示。</p><p>　　系統(tǒng)工作在機(jī)械特性與負(fù)載特性2的交點(diǎn)a上。電車下坡時，反向變成幫助電車往下行駛，負(fù)載特性變?yōu)樘匦?。在和的共同作用下，加速，工作點(diǎn)由a點(diǎn)沿特性1向上移動。到達(dá)時，，但，即-與n方向相同，在作用下，電機(jī)繼續(xù)加速，

103、工作點(diǎn)越過繼續(xù)向上移動。這時反向，成為阻止電車下坡的制動轉(zhuǎn)矩。但，工作點(diǎn)繼續(xù)上移，直至機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)b為止，，電車恒速往下行駛。自從工作點(diǎn)越過后，，使得，電動機(jī)就進(jìn)入了回饋制動過程，到達(dá)b點(diǎn)后，電機(jī)便處于回饋制動運(yùn)行。由于這種回饋制動，電樞電壓方向沒有改變，故稱正向回饋制動。正向回饋制動與電機(jī)狀態(tài)相比，雖然、、的方向都未改變，但因，使得以及反向，兩者的區(qū)別如圖12所示。</p><p>　　3.3.

104、2 反向回饋制動——下放重物</p><p>　　制動時，將電樞電壓反向，并在電樞回路中串聯(lián)一個制動電阻。制動前后的電路圖如圖14所示[10]。</p><p>　　這時，電動機(jī)拖動的是位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如圖15所示。</p><p>　　制動前，系統(tǒng)運(yùn)行在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上。制動瞬間，工作點(diǎn)平移到人為特性2上的b點(diǎn)，反向，迅速下降。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)

105、時，在和的共同作用下，電動機(jī)反向起動，工作點(diǎn)沿特性2繼續(xù)下移。到達(dá)d點(diǎn)時，轉(zhuǎn)矩等于理想空載轉(zhuǎn)矩，，但，在重物的重力作用下，系統(tǒng)繼續(xù)反向加速，工作點(diǎn)繼續(xù)下移。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)e點(diǎn)時，，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行。這時的電動機(jī)在比理想空載轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定下放重物。</p><p>　　在上述制動過程中，bc段電機(jī)處于電壓反向反接制動過程，cd段電機(jī)處于反向起動過程，段電機(jī)處于回饋制動過程，在e點(diǎn)電機(jī)處于回饋制動運(yùn)行。由于這種回饋

106、制動是在電樞電壓反向后得到的，故稱反向回饋制動。</p><p>　　反向回饋制動運(yùn)行時，與圖1-（1）的電動狀態(tài)時相比，如圖1-（2）所示，由于反向，反向，且，方向不變，方向不變，但與方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩。電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電能送回電源。</p><p>　　回饋制動的效果也與制動電阻的大小有關(guān)。小，則特性2的斜率小，轉(zhuǎn)速低，下放重物慢。</p><

107、;p>　　由圖14-（2）可知，回饋制動運(yùn)行時，為簡化分析，只取各量的絕對值，而不考慮其正負(fù)，則</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　可見，若要以轉(zhuǎn)速下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩的重物，制動電阻應(yīng)為</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b

108、>　　忽略，則</b></p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　采用回饋制動下放重物時，轉(zhuǎn)速很高，超過了理想空載轉(zhuǎn)矩，要注意轉(zhuǎn)速不得超過電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)矩（產(chǎn)品目錄或電機(jī)手冊中可以查到）。同時還要注意有上式求得的還要滿足的要求。</p><p><b>　　3.4仿真驗(yàn)證</b&g

109、t;</p><p>　　主要采用目前比較典型的三種制動方式主要有：能耗制動、電樞反接制動、回饋制動三種制動方式。</p><p><b>　　能耗制動</b></p><p>　　能耗制動主要通過當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時刻，切掉電樞繞組兩端的電壓之后，通過將電樞繞組間鏈接一個制動電阻，將電樞繞組間的的電感之間存在大量的電勢差，通過一個大電阻的接通作用

110、，電樞繞組中將會產(chǎn)生反向的電流，從而產(chǎn)生一個反向的電磁轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)的運(yùn)行啟動制動作用，通過這種方式可以減小制動時間，實(shí)現(xiàn)即時的?？啃Ч?。原理圖見圖16。</p><p>　　從能耗制動的仿真圖17中可以看出，啟動運(yùn)行過程中，并聯(lián)的電阻由于理想開關(guān)的作用處于斷開的狀態(tài)，通過理想開關(guān)的作用開切斷電樞繞組中的電源信號，并在同一時刻通過理想開關(guān)的作用接通并聯(lián)在電樞繞組兩端的電阻，此時就實(shí)現(xiàn)了能量的回饋，將能量全部消耗在制

111、動電阻上面，從而產(chǎn)生一個制動轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)制動效果。如下圖17可以看出當(dāng)電機(jī)制動時，電流的波形與轉(zhuǎn)矩都在0軸以下，可以判斷制動時刻電機(jī)的電流與正常運(yùn)行時相反，轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行方向相反，啟動制動效果。在1.4s后轉(zhuǎn)速降低為0。如果不接制動電阻，電機(jī)由于慣性將在3s時刻降低為0。在能耗制動時刻5s時，電機(jī)外接電樞電源由于突然斷開，電樞內(nèi)部存在電感的作用，自生感應(yīng)出電勢。所以在切斷電源時刻存在一定的突變，電壓減小，但是由于電感的作用，電壓又迅速回升，

112、屬于正?，F(xiàn)象。</p><p><b>　　反接制動</b></p><p>　　反接制動原理圖見圖18，這種制動方式是在正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過切斷電樞繞組之間的電源之后，迅速將其反接在電機(jī)繞組兩端，通過加在電機(jī)繞組兩端一個反向的電壓的方式來實(shí)現(xiàn)制動的效果。這種方式在制動效果上面比能耗制動的效果更加的明顯，可以實(shí)現(xiàn)即時的停靠，在有些控制要求比較高的場合非常的有用。&l

113、t;/p><p>　　由反接制動的仿真波形圖19可以看出，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時，與電機(jī)電樞并聯(lián)的反接電壓處于并聯(lián)在電樞繞組上面的方向的電壓導(dǎo)通，接在電機(jī)上面反向的電壓，此時由于電樞繞組內(nèi)部電感的作用，電流方向不會立刻突變，只是減小到零只會，反向增加。轉(zhuǎn)矩也是先減小到0之后反向增加到反向最大值，從而通過這種方式可以更加有效的啟動制動作用。開路狀態(tài)，在5s時刻，通過理想開關(guān)管的作用，電樞繞組回路的電源將會斷開，由圖反接制動的

114、波形分析可知，在5S時刻，給定一個反向的220V的電壓時，轉(zhuǎn)速在0.2s降低為0。在0.2s之內(nèi)電機(jī)的電樞電流減小到零之后迅速產(chǎn)生一個反向的電樞電流，從而產(chǎn)生一個反向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的峰值達(dá)到1000NM。從而迅速的啟動制動效果。由于本次仿真的局限性，理論上應(yīng)該在轉(zhuǎn)速降低為0時刻，撤銷反接電源，本次仿真沒有做這方面的處理，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時刻，電樞繞組上面的反接電源的存在使得電機(jī)反向運(yùn)行到-140，但是本次的仿真仍然可以體現(xiàn)反接制動的效果