直流制动(精选7篇)
直流制动 篇1
直流钻机为石油钻探装备行业里直流电驱动钻机的简称,是指钻机的绞车、转盘、泥浆泵等机械由直流电机及其变速装置组成的控制系统(SCR)来拖动。对5 000 m以上的深井钻机,为保护绞车传动设备和工艺操作的安全,一般要求电控系统配置能耗制动功能。本文以ZJ70D钻机为例,对其工作过程、控制、配置要点等方面进行研究,以供同行参考。
1 能耗制动
在油、气钻探工程的起下钻过程中,当以高于猫头速度转动的绞车滚筒从传动轴脱开时,虽然拖动电机的SCR(不可逆、禁止能量回馈)调速装置同时停止了功率输出,但由于电机、传动箱、链条、传动轴等机械因惯性将继续高速旋转,随后只在摩擦损耗的作用下逐渐降低直到不动为止。这个过程的时间随钻机的等级及供应商的不同而不同,最短的也在10 s以上。如果在脱开后不久速度较高时因工艺要求又须再次挂合滚筒的传动轴时,将产生很大的机械冲击,严重时有可能损坏设备或引起安全事故。为了避免这种情况的发生,要求SCR系统在此工况下控制电机,实现在最短的时间内将转动速度降低到安全操作允许的范围以内,这段降速的工作过程就是直流钻机的能耗制动。由此可见与变频钻机的能耗制动[1]名称虽同,但其目的和工作过程区别很大。
2 控制流程
由上所述,拖动电机工作于电动和制动两种状态,因此需要相应的控制系统在两者之间快速、安全、可靠的自动切换。由于钻机的行业习惯和特点,拖动直流电机绝大多数选用了串励。由其工作原理可知,相对于他励,串励的控制和切换比较复杂,状态转换时不但要同时切换励磁和电枢的供电回路,还需要两种状态回路的动作有序、协调。最基本的控制流程为:1)检测速度给定值;2)检测速度实际值;3)延时;4)延时结束时,如果实际大于给定的速度,封锁电动回路触发脉冲,断开电动回路连接(电枢、励磁);5)接通制动用励磁回路,延时;6)检测励磁电流上升到设定值;7)接通电枢到制动回路;8)电机制动,速度下降;9)比较实际与设定的速度值,在相等的允许范围内,延时后发出制动结束指令;10)断开电枢制动回路;11)断开制动用励磁回路;12)接通电动回路(励磁、电枢);13)按照设定速度控制触发脉冲使回路输出相应直流电源;14)电机运转在设定速度上。
3 制动回路
制动回路的切换连接方式多种多样,图1所示为一种常用的连接方式,其特点是励磁可靠、切换迅速、无需控制。
图1中,K1~K6为电枢的正反转及制动回路切换接触器;R为制动电阻;MA,MB为串励机的电枢和励磁线圈,V1为隔离二极管;U1为整流桥;T1为隔离变压器。
4 主要单元
4.1 控制
由于控制单元是按照上述流程结合电动状态统一配置的,只要处理好制动状态时励磁电流和电枢电压的检测即可,本文从略。
4.2 励磁
如图1所示,励磁单元包括V1,U1,MB,T1及其供电电源等。电动状态时,U1所供电源被V1隔离;制动状态时,V1导通,U1所供电源自动投入。
4.3 电枢
电枢单元包括K1~K6,MA,R等,如图1所示。电动状态时,K1~K4协调闭合,K5,K6断开;制动状态时,K1~K4断开,K5,K6闭合。
5 配置要点
下面以ZJ70D钻机的绞车为例,结合图1,说明励磁和电枢单元配置的要点。
5.1 电机参数
串励双电机拖动,电机的额定数据为:Pe=800 k W,Ue=750 V,Ie=1 150 A,ne=970 r/min,Te=7 879 N⋅m,ηd=0.927,电枢绕组R1=0.013 53Ω,励磁绕组R2=0.005 35Ω,转子转动惯量GDD2=39.3 kg·m2。由此可知转速常数Ce=0.773 2,转矩常数CT=6.986 1。
5.2 拖动参数
根据某型ZJ70D钻机的用户手册,查出电机到滚筒轴传动总效率ηz=0.932,根据文献[2]及相关数据的计算,可得折算到电机轴的等效转动惯量GDZ2=2 797 kg⋅m2;拖动等效轴最高转速nmax=970 r/min,最低(锚头)转速nmin=97r/min。
5.3 自由停车
由于总的传动效率为ηd=0.932,则摩擦转矩为Tf=(1-ηd)Te=535.8 N⋅m,根据文献[3]可以计算出自由停车的时间为
5.4 励磁配置
当制动时以额定电流励磁,则需要的T1副边电流为I2=0.816Ie=938.4 A,励磁绕组上的压降为UZ=IeR2=6.2 V,则需要T1副边的最低电压为U2=1.4+6.2/1.35≈6 V,因此励磁变压器的容量为,为了保证与电动状态协调,励磁电源一般取自主电路(600 V),则T1的变比为k=6/600=0.01。V1,U1及连接电缆等根据相关数据按照常规方法即可配置。
5.5 电枢配置
当额定励磁从电机最高速制动时,电枢感应的反电势为E=750 V,为了快速停车,允许电枢以1.2倍的额定电流制动时,则需要的最小制动电阻为R=E/1.2Ie=0.54Ω,当电机从额定降到锚头速度时,回馈的能量为
需要电阻消耗的能量为
电机在锚头速度时电枢电流最大为
则制动到此速度的最短时间为
最长时间为
平均时间为
则制动电阻的最大平均功率为
折算到1个工作周期内时则为
根据以上数据,按照常规方法即可配置K5,K6和R等。
6 结论
直流钻机为了功能完备,需要配置能耗制动系统,但其工作过程和实现功能与变频钻机的相比区别很大。控制单元在配置时需要与电动状态统一考虑,协调控制;励磁和电枢单元的配置,可以根据机械要求、操作习惯以及成本等因素综合考虑,没有固定格式。
本文所述的配法为理论极值情况。通过对大量直流钻机工作过程的观察,能耗制动主要发生在起钻到2层台后脱开滚筒期间,在实际操作中,有经验的司钻通过适当的操作可以做到在脱开滚筒后使电机的速度基本上能够降到锚头速度,因此制动过程也就不会发生。考虑到降低装置成本提高市场竞争力以及使用户维保简单的实际,通过适当规定司钻操作程序,实现同样效果而不必配置能耗制动系统是一个很好的选择。
参考文献
[1]朱奇先,张贵华,张振中,等.变频钻机能耗制动系统研究[J].电气传动,2015,45(5):75-77.
[2]陈如恒,沈家骏.钻井机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1995.
[3]顾绳谷.电机及拖动基础(上册)[M].北京:中国农业出版社,1980.
直流制动 篇2
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:
TCTIa
ECEn
UaEIaRa
可得,他励电动机的转速与转矩之间有如下关系:
UIRUIRURaEnaaaaaaaTn0T
CECECECECECECT2当Ua、Ra、为常数时,nfT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; CERa 称为机械特性的斜率,大小反映软特性与硬特性; 2CECTRaT 称为负载时的转速降。
nTCECT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
UUN、N电枢回路不串电阻时的机械特性。其方程式为:
UIRUIRURaE naaaaaaaTn0T
CECECECECECECT2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:
nn0nNN%n100%
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nn0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Rka0,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EUa,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,T0,但TL0,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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TLT,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,TTL,电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后,nn0,使得EUa,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EUa,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,nn0,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,T0,但TL0,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,TTL,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EUa,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
RaRbEUaCEnUaCT(CEnUa)
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
RaCT(CEnUa)Ra TLT0忽略T0,则
RaCT(CEnUa)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
UaEbRa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EUa,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》
直流电动机电气制动的教学探讨 篇3
电气制动作为电动机的主要拖动性能之一, 无疑是该课程的一个重点。因为该内容涉及电路连接转换、电磁关系变化、机械特性分析及相关计算等诸多方面, 显然又是一个典型的难点。
笔者以他励直流电动机的电气制动为例, 结合多年的教学经验, 探讨了对比法、解析几何法及归纳法在该内容教学中的具体应用, 使多变而抽象的问题变得具体而规范, 大大改善了教学效果。
对比法
对比即比较, 亦即抓住事物的本质、要点, 增大反差, 使学生在对比之中弄清一些模糊、难懂的问题, 进而理解事物的本质特点, 把握其基本概念和基本理论。一般认为, 电动机有电动和制动两种工作状态, 区别这两种状态的直接依据就是其电磁转矩T的方向与转速n的方向的关系:如果两者方向相同, 即工作在电动状态;如果方向相反, 即工作在制动状态。与此同时, 制动状态往往是建立在电动状态的基础上。脱离电动状态阐述制动的工作原理, 往往使学生无所适从, 难以理解;反之, 若以电动状态为基础, 注意两者之间的对比, 问题则迎刃而解。
下面以他励直流电动机的能耗制动为例进行介绍。其电路图如图1所示。
电动状态:开关S向上闭合, 电枢绕组接通直流电源, 此时电动机的外加电压U与电枢回路感应电势Ea的实际方向相反, 但因为U>Ea, 所以电枢电流Ia的方向与电压U的方向一致, T=CTΦIa, 磁通Φ的方向不变, T的方向取决于Ia的方向, T与转速n的方向相同, 电动机工作在电动状态。
制动状态:开关S向下闭合, 电动机断开直流电源, 电枢绕组通过串加电阻RB形成回路, 此时, U=0, 因为惯性, 转速n不能突变, Ea=CeΦn不能突变, 电枢回路只剩下感应电势Ea, 无疑电枢电流Ia B的方向取决于Ea的方向, 而电枢回路感应电势Ea实际方向与电动机的外加电压U的方向相反, 故此时电枢电流Ia B的方向与电动状态时电枢电流Ia的方向相反, TB=CTΦIa B, 则TB的方向与电动状态下T的方向相反, 即TB与转速n的方向相反, 电动机工作在制动状态, 此即直流电动机能耗制动的工作原理。
经过前面教学环节对他励直流电动机的工作原理、工作特性和拖动特性的介绍, 学生对电动状态的电磁关系印象往往比较深, 而对制动的电磁关系则难以把握。运用上述比较, 可使学生通过对两种工作状态下各电磁量的鲜明对比产生一个清晰的认识。
解析几何法
一般认为, 直流电动机的电气制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。机械特性方程及其所对应的曲线是分析和计算各类制动的基本依据, 而各类制动所对应的机械特性各不相同, 学生往往因为其过于抽象而难以琢磨, 混淆不清。如果借助解析几何法进行阐述, 则问题可变得具体而规范。
(一) 用解析几何法区分电动与制动状态
如图2所示, 由直角坐标系的特点可以很清晰地了解转速n和电磁转矩T在各象限的符号, 结合判断电动机工作状态的直接依据, 结合机械特性, 可以直观地掌握电动机在各象限的工作状态:
第一象限:T>0, n>0, 电磁转矩T与转速n的方向相同, 电动机工作在电动状态 (正向电动) ;
第二象限:T<0, n>0, 电磁转矩T与转速n的方向相反, 电动机工作在制动状态;
第三象限:T<0, n<0, 电磁转矩T与转速n的方向相同, 电动机工作在电动状态 (反向电动) ;
第四象限:T>0, n<0, 电磁转矩T与转速n的方向相反, 电动机工作在制动状态。
(二) 用解析几何法把握机械特性方程
机械特性方程是求解电气制动问题的直接依据, 而各类制动所对应的方程形式各不相同, 单独理解往往单调而抽象, 极容易混淆。如果利用解析几何法与坐标中的曲线联系起来, 则问题就简单多了。由机械特性方程的一般式:
直线、方程与其所对应的解析几何知识相结合, 使得原本抽象、多变的理论知识变得形象而直观, 加上对各类制动工作原理的理解, 学生就能很熟练地写出各类制动所对应的机械特性方程, 而方程是求解具体问题的直接依据, 实际问题的解决也就变得直观而容易把握了。
归纳法
前面关于制动的阐述虽然解决了难以理解和掌握、抽象及多变的问题, 但仍然有些松散, 不利于对各类制动特点及其适应场合的把握, 如果再对其进行归纳、综合, 则可以给学生一个全面而具体的直观印象, 具体如图4所示。
从图4中, 可以很直观地得到: (1) 从第二象限的特性可以看出, 电源反接制动与能耗制动都能用于制动停车, 并且可直观地比较两种制动的制动转矩大小 (横坐标所对应的绝对值) 。显然前者的制动转矩比后者要大, 而且因为能耗制动的特性曲线经过原点, 不难理解在转速较低的时候其制动效果不理想的特点。 (2) 通过第四象限的特性比较可知:能耗制动和倒拉反接制动适应于低速匀速下放重物 (位能性恒转矩负载) , 而回馈制动适应于高速匀速下放重物;在第四象限, n<0, 在利用相应方程求解时, 无疑其转速应该为负值。 (3) 从电源反接制动、反向电动及回馈制动位于同一条直线可知, 其所对应的方程形式是一致的, 并且不难理解, 电源反接制动在转速为0时如不及时断开反向电源, 电动机将工作在反向电动状态。 (4) 通过正向电动与倒拉反接制动位于同一条直线可知:一是其所对应的方程形式一致;二是在电动状态时n>0, 而在倒拉反接制动时n<0。
应用举例
例如, 一台他励直流电动机拖动某起重机提升机构, 电动机的数据为PN=30k W, UN=220V, IN=158A, nN=1000r/min, Ra=0.069Ω。忽略空载损耗。 (1) 电动机以转速600r/min提升重物时, 负载转矩TL=0.8 TN, 此时电动机运行在什么状态?求电枢回路应串入的电阻值; (2) 电动机以转速600r/min下放重物时, 负载转矩TL=0.8TN, 此时电动机可能运行在哪几种制动状态?求出各种制动状态下电枢回路应串入的电阻值; (3) 电动机以1200r/min下放重物时, 负载转矩TL=0.8TN, 此时电动机运行在什么状态?求电枢回路应串入的电阻值。
结合位能性恒转矩负载的机械特性, 对照图4, 可以直观地判断出问题 (1) 中的电动机运行在电动状态;问题 (2) 中可能运行的制动状态为能耗制动和倒拉反接制动 (转速反向的反接制动) ;问题 (3) 中的电动机运行在回馈制动状态 (n>n0) 。
综合直流电动机机械特性方程的一般式和前述解析几何法, 可以轻松地写出各状态下所对应的方程, 如问题 (3) 中的回馈制动状态, 其方程为:
根据图3 (或图4) 中所对应的曲线, 显然n=-1200r/min, 求出TN, 再将其他已知条件代入, 该问题就只剩计算了。
总结
电气制动是所有拖动性能中的一个典型难点, 学生通过对该内容的把握, 可以在一定程度上恢复对该课程的学习信心, 激发学习兴趣。事实上, 对比法在“电机及拖动基础”的教学中还可以广泛地用于直流电机与交流电机、变压器与交流电机的运行分析、电动机与发电机等许多方面, 甚至可贯穿该课程教学的始终;解析几何法等数学方法亦可在起动、调速等其他拖动性能的分析、交流电动机的拖动性能分析等环节中推广。笔者多年的教学实践表明:该类方法能帮助学生把握抽象、模糊的概念和相关理论, 实现有的放矢地分析问题。
参考文献
[1]马爱芳.“电机及拖动”课程教学中现场环境的创设[J].中国电力教育, 2010 (6) :139-140.
[2]张乐平.对比、图解法在《电机及电力拖动基础》教学中的应用探讨[J].通化师范学院学报, 2009 (4) :98-100.
[3]段积考.对比法在《工程力学》教学中的运用[J].职业技术教育, 1994 (1) :20-21.
直流制动 篇4
1 直流提升机能耗制动的基本原理
直流提升机一般选用他励电动机。电动机在电动状态运行, 电机枢电电路被切断电源而接入一个制动电阻RZD, 这时在拖动系统惯性作用下, 电机继续旋转, 若励磁电压仍保持不变, 在电动机电动势作用下, 成为发电机, 进入能耗制动状态, 把旋转系统所贮存的动能放出变为电能, 消耗在制动动电阻和电枢电阻中, 此时电网电压U0=0, 电机电流Is= (U0-ES) /R=-ES/R这个电流方向与原来电动运行状态方向相反, 如图1。
因为电机的励磁电路仍然接在电源上, 磁通不变, 所以制动时电流所产生的电磁转矩和原来的方向相反, 变为制动转矩, 使电动机很快减速。
在能耗制动时, 机械特性方程式为:
因为能耗制动时转速方向未变, 电流和转矩方向变为负, 它的机械特性见图2。
转速n为正, 转矩M为负, n=0时, M=0, 所以机械特性位于第二象限, 从电动机械特性上可以看出, 制动电阻Rzd愈小, M绝对值愈大, 制动速度越快, 但Rzd不能太小, 否则制动电流过大, 将造成电机电枢绕组超过自身允许额定电流烧毁电机, 一般接最大制动电流 (1.8-2.5) Ie来选R2d, 可近似为:
因此提升容器速度若超出额定转速ne, 电机产生制动力效果就显著, 提升容器在故障状态下速度过高, 极易发生过卷罐事故。
2 能耗制动在实际矿井提升和应用 (见图3)
龙煤集团鸡西分公司东山煤矿, 排矸井直流绞车电控系统 (洛阳原创) 将这项技术应用于实际中。直流电动机其技术特征如下, 型号ZD183-2B, Pe=1250KW, Ue=660v, Ie=220v, ne=600-1000r/n, 励磁电压110v, 励磁方式他励, 电动机电枢内阻Rs近似结算公式, 额定铜损占总损耗的1/2-1/3, 对于Z型系列电动机取1/2。
欲使制动电流 (1.8-2.5) Ie取1.8Ie, 电枢应外接制动电阻计算电动机额定电动势为:
按要求:Izd=2Ie=-1.8*2020=-3636 A
能耗制动时电枢总电阻:R=639.4/-3636=0.1758Ω
应接入制动电阻:Rzd=R-Rs=0.1758-0.0102=0.166Ω
结束语
直流制动 篇5
星三角启动是电机降压启动的重要方法之一, 可以有效减少电流对电网的冲击, 避免影响下游用电设备的使用。早期常采用继电器控制的方法实现星三角变换的逻辑控制, 缺点是接线复杂, 触点多, 故障率高, 而且查起来不容易。因此, 可以用PLC代替原有的继电器控制线路, 克服以上缺点, 实现集中控制, 提高准确度, 减少初始和维护成本。
1 继电器控制电机星三角启动
断电延时型带直流能耗制动的电机星三角启动继电器控制系统如图1。
简单分析电路:按下启动按钮SB2, 继电器KM1辅助锄头闭合自锁, 时间继电器延时触点KT闭合, 继电器KM1主触头和KM3主触头闭合, 电机星型连接接电源启动, 同时, 时间继电器线圈KT断电, 一段时间后, 时间继电器延时触点KT断开, 电机三角型连接运行。按下停止按钮SB2, 继电器KM1、KM2、KM3停止工作, 电机由于惯性继续转动, 继电器KM4得电, 其主触头KM4闭合, 能耗制动模块给电机供电, 形成与电机转动方向相反的磁场, 加速制动。
2 PLC改造
(1) I/O分配
首先进行I/O分配, 如表1所示。
(2) 硬件接线图
根据I/O分配表, 画出硬件接线, 如图2。
(3) 梯形图
本改造项目中, 采用三菱FX2N系列PLC。在FXGP软件中, 输入梯形图如图3。
PLC改造过程中, 使用了2个辅助继电器M1和M2, M1实现公用串并联口, M2实现断电延时。
(4) 指令表
如表2所示。
(5) 调试
按照I/O分配表和硬件接线图接好线路, 在软件中输入梯形图, 转换, 写入PLC, 运行, 按下按钮SB1, 可以看到电机的星型启动, 一段时间后转成三角型连接运行, 按下按钮SB2, 电机迅速制动。至此, 断电延时型带直流制动电机星三角启动改造成功。
3 结束语
直流制动 篇6
关键词:混合动力客车,无刷直流电动机,能量回馈
汽车数量的进一步增加,给交通的发展带来一系列问题。混合动力电动汽车是目前解决低排放、大幅度地降低污染最有效最现实的一种环保交通工具。混合动力电动汽车同时拥有电机驱动和内燃机驱动,对电机驱动系统不仅要求具有较高的重量比功率,而且既能作电动机运行,还能作发电机运行。
永磁无刷直流电动机的优点是效率高,启动转矩大,过载能力强,高速操作性能好,无电刷,结构简单牢固,免维护或少维护,体积小质量轻,但会产生转矩脉动,电流损耗大,工作噪声大。所以研究高效的大功率无刷直流电机驱动及再生制动对混合动力是很有意义的。
1 驱动系统构成
混合动力车用无刷直流电机驱动系统由超级电容,三相IGBT逆变器,控制电路组成。电动时由超级电容为直流无刷电机提供能量,当刹车时通过该驱动系统回收动能至超级电容。所以此系统需要同时满足电动和再生制动两种工况的需求。该驱动系统的组成原理见图1。
电机采用的是大功率永磁汽车直流无刷电机,电机额定功率100 k W,额定电压360 V,额定电流277 A,电机极对数2。
2 电动运行及再生制动基本原理
混合动力客车中有3种实际工况,分别是:电动工况,助力工况,再生制动工况。前两者需要电动机工作在电动的状态。再生制动工况将刹车时候动能转换为电能存储在超级电容之内,实现能量的回馈。
2.1 电动运行基本原理及实现过程
如图1,电动时采取二二导通方式,二二导通方式是每次使2个开关管同时导通。
忽略导通管管通压降,可以由简化模型推导出电机转矩为
式中:ω为转子机械角速度。
对V1进行PWM控制,就可控制电流的平均值,从而控制平均电磁转矩。电机内置有霍耳位置传感器。可根据霍耳传感器信息进行换相。换相时刻如图2上半部分所示。
对母线电流进行闭环从而控制电机输出转矩,利用PI控制算法,以占空比作为PI控制器输出,实现对母线电流的闭环,系统控制框图见图3。
可以通过上位机给定主控电路转矩信息对电流进行闭环,进而达到转矩闭环控制的目的。
2.2 再生制动基本原理及实现过程
在发电状态时,将上半桥的IGBT全关闭,这样,因续流二极管的存在,其等效电路转变为1个半控整流电路,如图4所示。
分析电路可见,在再生制动运行过程中,电路相当于Boost拓扑。以A相为例进行说明:上桥臂V1,V3,V5一直处于关断状态,在1个开关周期内,在V4导通时,电机A相反电势为正,B相为负。电流通过V4,V6反并联二极管进行续流,存储能量。在V4关断时,电流流过V1反并联二极管,超级电容组V2反并联二极管。这样计算出输出电压为
式中:UAB为超级电容充电电压;D为下桥臂占空比;eA,eB为A,B两相反电势。
制动运行开关管换相如图2所示。从式(2)可知,控制D的大小,即可使超级电容两端的电压UAB≥UD,以PI闭环控制的方式自动调整PWM占空比D,满足UAB电压不超过超级电容允许的最高充电电压,并满足发电电流不超过超级电容允许的最大充电电流。控制回馈电流相当于控制电机的制动转矩,并实现恒流对超级电容进行充电。控制结构框图如图3所示。给定电流为负值,代表制动转矩,和电动状态相对应。这样便可以通过给定电流代数值来进行电动和制动。
3 电机启动过程分析
电机在尚未转动过程中速度为0,根据反电势E=CeΦen。所以初始反电势也为0,这时需要电机输入最小电流产生最大转矩。试验证明,电机刚刚起步时刻采到霍耳位置后按照图2进行换相可以保证电机可靠启动,产生最大力矩。另外,电机在刚刚启动的过程中,由于转速较低,反电动势还没有建立,所以加在电机某两相的电压不可太大。
本文利用了一种自升频的软启动算法,所有启动过程通过主控板软件实现。电机启动以后,电机转速较低,根据
式中:E为反电势;CeΦe为常数;D为占空比;UDC为母线电压;Z为电机两相阻抗。
本文在每个换相时刻使占空比上升一个台阶,速度越快,反电势E越大,换相时间越短,占空比单位时间增量越大,这样可以保证电机电流稳步上升。实现了自升频启动的过程,等待电机电流到了某一标定值,将切换到PI算法,对母线电流进行闭环,实现可靠启动。
4 实验结果与分析
在电动运行时,对母线电流进行观测。负载恒定下电流达到稳态时母线电流波形如图5所示。
从图5中可以看出,在对母线电流闭环的电动运行过程中,母线电流基本稳定。软启动达到了很好的效果,电流是逐渐升高的,超调不大,反映了良好的动态特性。在对不同母线电流闭环的情况下实际母线电流值如表1所示。
从表1中可以看出,电流闭环达到了很好的稳态精度。电流基本可以跟随给定。可以实现转矩控制。
在制动运行时,对母线电流进行闭环。实现恒转矩制动。利用超级电容作为供电源,当电机运行一段时间超级电容电压会由于输出功率而下降,在达到一定速度以后进行再生制动,这样回馈的能量会为超级电容充电。使超级电容电压升高,电机电动到某一速度值之后自动进行能量回馈,然后对超级电容电压测量。
在Boost占空比限制为90%的情况下,对于不同的回馈电流控制的性能比较如表2所示。
从表2中可以看出,母线电流越大,反馈给超级电容的能量越多,停车时间越短。
电动时间越长,电机电动结束时刻转速越高,则电动结束时刻超级电容两端电压越低,在电动结束时刻不同超级电容两端电压下能量回馈的实验结果如表3所示。
从表3中可以看出,转速越高,反电势越高,在固定Boost占空比限制下回馈的能量越多。
电机能量回馈主要是通过1个Boost电路把电机反电势泵升超过超级电容电压,实现对超级电容充电。所以放开占空比限制有利于将低速下相对应的低反电势能量回馈给超级电容。在不同Boost占空比下对能量回馈效率所得实验结果如表4所示。
从表4可以看出,Boost占空比越高,越有利于将低转速下能量回馈给超级电容,效率越高。
在95%Boost占空比的情况下回馈电流10 A的波形如图6所示。
综上,在电动状态下,通过控制母线电流可以达到控制电机电动转矩的目的,在回馈状态下,制动转矩,飞轮转速,Boost占空比限制对电机能量回馈效率有重要影响。
5 结论
本文设计的混合动力客车用大功率永磁无刷直流汽车电机具有电动和能量回馈(再生制动)复合控制功能,可以可靠地实现电动运行和再生制动运行,适应混合电动客车驱动系统的使用要求。
参考文献
[1]陈清泉,孙逢春.混合电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,2001.
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[3]黄斐梨,王耀明,姜新建,等.电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统低速能量回馈制动的研究[J].电工技术学报,1995(3):28-31.
直流制动 篇7
晓明矿原主井提升系统为交流双机拖动缠绕式提升, 定容装载, 无可调闸系统, 双机启动等速段单机运行, 单次提升循环时间为85s, 井深368m, 提升速度为6.7m/s, 调速为双十级转子串电阻调速, 减速段低频减速, 减速机速比11.5。主井绞车采用HKM3系列4m可分离式提升机, 属前苏联20世纪50年代产品。
绞车的原制动形式为风动平移块闸制动。风动系统传动方式为机械传动, 由杠杆机构传递制动力, 实现工作制动和保险制动, 保险制动制动力来至于配重力。该制动系统制动效率低, 传动系统机械损失较大;故障率较高, 维护量大, 各种控制阀已无厂家生产, 备件难以解决;闸的调节较复杂, 工作量大, 需要多人协同作业;且此系统没有二级制动功能。
2 全数字直流调速及径向制动器改造方案
鉴于以上原因, 拟定对主井绞车主轴装置、电控系统、制动系统进行升级改造。
2.1 电控系统
取消原有串电阻调速系统, 采用先进的西门子直流调速装置及双PLC双线制控制。整个电控系统分为三大部分:全数字直流传动系统、自动化操作系统、监控系统。有以下优点:
2.1.1 采用电枢换向网侧12脉动控制、磁场恒定。
2.1.2 备用一套磁场调节整流装置、备用一套电枢调节整流装置, 并可分别用刀闸切换。
2.1.3 采用了全数字速度、电流、位置闭环控制。
提升机的电气传动系统能够适应提升机的各种工作情况, 按照预定的S型曲线速度图和提升要求实现平稳地起动、运行、减速、低速爬行、停车、制动。静态调速精度≤0.1%。在整个提升循环中, 都能保证运行平稳, 无超调。
2.1.4 操作和安全保护系统选用两套同型号不同配置的西门子
公司S7-300系列可编程控制器, 主辅PLC之间相互通讯及监视, 对提升机运行关键的信号 (如速度、容器位置、安全、减速、过卷等等) 均采用双线或多线保护。
2.1.5 防重斗下放功能:
控制系统在加速到等速段时, 检查实际负载力矩, 如判断是运行在超载负力下放状态时马上自动减速到的2m/s检修速度, 完成本次提升。
2.1.6 具有三套独立的减速点, 其中主、副PLC软减速点两套、牌坊深度指示器减速点一套。
2.1.7 具有三条的安全保护回路, 其中软件安全回路两条、硬件安全回路一条, 关键环节采用三重或多重保护, 比如过卷、超速等。
多条安全保护回路之间互相冗余, 保证矿山设备的高效、安全运转。轻重故障具有声、光报警或预报警。
2.1.8 采用电气与液压两种制动方式。正常减速采用电气制动方式, 安全制动采用井中二级制动与井口紧急制动两种方式。
2.1.9 监控系统采用美国惠普机型作为上位机, 配大屏彩色显
示器, 实现多画面实时监控, 多参量数码及曲线显示、记录, 各种故障的报警及记录。
2.2 制动系统
拆除了原有风动平移块闸, 加设液压站, 安装径向制动系统及JH510径向制动器智能监控系统。该系统与原制动系统相比, 有以下优点:
2.2.1 液压径向制动器活塞径向移动时闸阻力小, 运动元件之间无间隙, 闸动作灵敏。
盘型弹簧与盘型制动器通用, 闸瓦采用与盘式制动器相同的材料, 摩擦系数、比压、耐高温性能等相同, 带有闸间隙调整机构。
2.2.2 二级制动液压站:
采用两套完全独立的供油系统和控制系统, 具有二级制动功能。采用进口比例阀+比例放大器的比例调压方式, 与原磁钢、十字弹簧、可动线圈系统的电掖调压方式相比, 其滞环性能、线性度、重复精度、响应速度大幅提高, 从而使制动系统的稳定性、可靠性更强。油箱上设有加热器, 以保证工作油品在合适的黏度范围内工作。液压站还装有温度传感器和压力传感器, 用于连续监控温度和压力变化。
2.2.3 采用工业控制计算机对制动器制动力、闸瓦磨损、盘形弹簧疲劳进行监测。
该系统可以对每个径向制动器的制动力的大小进行动态随机监测、评估并在计算机屏幕上显示其数据, 制动力不够时可以进行报警。同时对每个制动器闸瓦磨损情况、每组盘形弹簧的疲劳程度进行监测、报警。采用该系统可直观的检测制动系统的真实工作情况, 从而提高了安全可靠性。
3 主井提升机改造后实际效果
通过技术改造, 晓明矿主井绞车控制系统、制动系统的安全性都得到了很大提高, 吨煤耗电量大幅度下降, 主井提升次数明显增多, 年可创效益512.6万元。各项指标均满足国家相关规定要求, 能够确保主井绞车安全、高效提煤。TKD型全数字直流调速装置完美的取代了串电阻调速系统, 无论绞车制动或减速过程中, 都有良好的调速性能, 运行平稳。最大提升速度为7m/s, 最大加速度0.6 m/s2。主传动系统的功率因数提高到0.90以上, 无功功率大幅度降低, 减少因无功电流引起的线路损耗。每提升循环时间缩短12秒。
原绞车制动系统改为液压, 液压站具有二级制动功能, 制动器采用双弹簧制动的径向制动器, 拥有电控紧急回油装置。配合JH510径向制动器智能监控系统, 可实时监控制动器的各种数据并进行处理。该系统在主井绞车上的应用, 弥补了全公司在抱闸式矿井提升机改造制动系统的空白, 属于东北地区首次应用成功。
4 应用前景
TKD全数字直流调速装置能使提升机电机四象限运行, 调速性能完美, 节电效果明显, 采用双PLC双线制控制, 故障报警信息可通过判断画面找出引起故障的原因, 缩短故障的处理时间。可打印、显示各种数据画面, 存储运行及故障信息。该装置技术成熟, 故障率低, 调速平稳, 是同类型提升机电控改造的优选方向。