电机与拖动-三相异步电机能耗制动

1、电机与拖动课程设计说明书摘要三相异步电动机是利用电磁感应原理实现电能转换成机械能的电工设备，三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。当异步电动机拖动负载运行时，为了能使电动机快速而准确的停车，常采用能耗制动的方法。三相异步电动机的能耗制动过程主要有反抗性负载能耗制动迅速停机和位能性负载能耗制动下放重物，本设计主要研究反抗性负载能耗迅速制动过程，并利用MATLAB软件对其机械特性曲线进行绘制。迅速停机过程是将电机与三相电源断开，将其中两相与直流电源接通，电动机像发电机一样，将拖动系统的动能转换成电

2、能消耗在电机内部的电阻中以实现三相异步电动机的能耗制动过程。关键词 三相异步电动机；能耗制动；迅速停机I电机与拖动课程设计说明书目 录1 绪论11.1 课题设计的背景11.2 课题设计的意义11.3 课题设计的任务12三相异步电动机的基本理论22.1 三相异步电动机的结构22.1.1 定子结构22.1.2 转子结构22.1.3 铭牌数据22.2 三相异步电动机转差率32.3 三相异步电动机的运行分析43三相异步电动机能耗制动63.1 能耗制动的原理63.2 等效交流与直流励磁的关系63.3 转差率与等效电路73.4 能耗制动的机械特性83.5 能耗制动的参数选择93.6 能耗制动的应用场合10

3、4能耗制动系统的设计114.1 能耗制动系统主体电路及器件选择114.2 三相异步电动机的选择124.3 机械特性曲线绘制12结论16参考文献17161 绪论1.1 课题研究的背景由于工业技术的不断发展和对工业产品的要求越来越高，对电动机的启动、调速制动等性能也提出了越来越高的要求。电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机其调速在过去一直占统治地位，但由于本身的结构原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损，拖动负载能力不强等，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。相比之下，三相异步交流电动机拥有更长的使用寿命，有强大的降噪能

4、力，维护简便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，制造简单，结构简单，运行可靠等优势，在工业生产中得到了极广泛的应用，也在发挥着越来越重要的作用。 三相异步电动机的制动也成为研究的热点问题。在三相异步电动机的制动方式中，能耗制动具有制动平稳，迅速，能量消耗小等优点。在工业生产，农业机械化交通运输，国防工业等电力拖动装置中经常使用的制动过程，这是因为三相异步电动机能耗制动系统设计结构简单，制造方便，易频繁使用等一系列优点，另外在需要频繁迅速停机的大容量异步电动机中具有明显的优势。 因此，三相异步电动机能耗制动系统研究与应用在我国有极为广泛的发展前景。1.2 课题研究的意义通过本次课程设计，了解三相异

5、步电动机的基本结构，工作原理，掌握三相异步电动机电动势平衡方程和磁通式平衡方程；进一步了解三相异步电动机的机械特性和各种制动方式；最终在本次课程设计中掌握能耗制动的优点和缺点，以及能耗制动在生产、生活中的应用，学会三相异步电动机能耗制动的基本原理，分析其过渡过程，通过能耗制动的相关公式设计出能满足要求的三相异步电动机能耗制动系统。1.3 课题研究的任务本课程设计主要进一步掌握能耗制动基本原理，通过分析其过渡过程实现其迅速停机过程。设计中，要求设计的能耗制动系统，合理选择实现能耗制动的电气元件。根据所选电气元件，设计能耗制动主回路及其控制回路。同时要求三相异步电动机停机后及时切除电源。2三相异步

6、电动机的基本理论2.1 三相异步电动机的结构三相异步电动按转子结构不同，可分为笼型和绕线型两类。绕线型一般用于启动和调速要求较高的场合；按机壳的保护方式可分为防护式、封闭式、防爆式三类，这些不同的结构可以满足各种不同的环境需要。图2-1 三相鼠笼异步电动机结构图2.1.1 定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大

7、容量的电机中。2.1.2 转子结构转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩。它分鼠笼式和绕线式两种。气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.21.5mm范围。2.1.3 铭牌数据额定功率：指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW。额定电压：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位：V。额定电流：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时定子绕组中的线电流，单位：A。额定频率：我国规定电网工频为50Hz。额定转速：指电动机在定子额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率时的转子转速，单位：r/min；额定

8、功率因数：指电动机在额定运行时定子侧的功率因数。转子绕组额定电压：指定子绕组加额定电压、转子绕组开路时，滑环间的线电压，单位：V；转子额定电流：指电动机额定运行、转子短路状态下，滑环之间流过的线电流，单位：A。图2-2 三相异步电动机铭牌2.2 三相异步电动机的转差率转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即： 2.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析中，我们可以像电路一样，将转子绕组向定子绕组折算，使折算后的电动势 等于定子电动势 我们用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转子绕组去等效代替实际的转子绕组。这里采用等效的原则：保证电磁效应和功率关系不变(如图2-3)。 图2

9、-3 等效电路 (1) 电动势的折算 （2）电流的折算 （3） 电阻的折算 3三相异步电动机的能耗制动3.1能耗制动的原理 绕组切断交流电源(QS断开)，同时在定子两相通入直流 (SA接通),电动机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁势。电动机转子因机械惯性转速不突变，继续维持原方向旋转。此时，直流磁势相对转子是一旋转磁势。 转子绕组产生感应电势，电流和电磁转矩。电磁转矩的方向与转速的方向相反，电动机处于制动运行状态。电动机转速迅速下降到零时，减速过程结束，电动机停转。图3-1 能耗制动接线与原理示意图3.2等效交流与直流励磁电流的关系直流电流所产生的磁势，相当于相电流为零的瞬间,三相电流所产生

10、的磁势。所不同的是,直流磁场在空间是静止的,而交流磁场是旋转的。不过在切换电源的瞬间，站在转子上看定子磁势,相对于转子是旋转的,只要它们幅值相等,相对于转子的转速相同,就是可以等效的。设定子绕组形联结时,通入定子电流为，在相产生的磁动势分别为 合成磁动势为则它们的大小分别为 若通入定子绕组三相交流电时，每相电流的有效值为I1，则所产生的合成磁动势的大小为按照等效原则应有所以交流的效果电流为 图3-2 直流矢量分析图3.3转差率与等效电路异步电动机能耗制动时，直流磁动势相对定子是静止的，而相对转子是以（-n）反向旋转的，若在能耗制动时，等效异步电动机电路的转差率定义为 则转子绕组中感应电动势、转

11、子频率及电抗分别为 图3-3 能耗制动等效电路 图3-4 向量图3.4能耗制动的机械特性(1) 磁动势平衡方程为用励磁电流表示为转子回路折算到定子侧的电流产生磁通势,根据向量图，则 如忽略铁耗，则有 综合可得：则电磁转矩为： 由式（3-12）和式（3-13）得，电磁转矩为： (2)机械特性：曲线1为固有特性；曲线2对应直流励磁增加时的特性，增加励磁产生最大转矩时的转速不变，但最大转矩将增大；曲线3转子电阻增大时的特性，此时产生最大转矩时的转速也增大。因此改变转子电阻或定子直流励磁电流的大小，均可调节制动转矩。 图3-5 能耗制动的机械特性3.5能耗制动的参数选择 能耗制动过程如图3-6所示，如

12、果是反抗性负载电动机从运行点A移至B点，顺曲线2减速到O点，如果是反抗性负载实现快速停车；如果是位能性负载，则在n=0时，必须立即用机械抱闸，将电动机轴刹住停车，否则电动机将会反向起动。对于笼型异步电动机为对于绕线式异步电动机为最大电磁转矩为转子所串电阻为 3.6能耗制动的应用场合能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合，也可用于起重机等带位能性负载的机械。限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流的大小(调节电位器)或改变转子回路所串电阻的值，即可达到目的。 4能耗制动系统的设计4.1 能耗制动系统主体电路及器件选择图4-1 主电路及控制电路表4-1 器件选择表控制线路的控制过

13、程：（1）合上电源开关QS，按下启动按钮SB2接触器，KM1线圈得电，常开主触点和自锁触点闭合，电动机运转；（2）制动时，按下停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，电动机脱离三相交流电源，同时接触器KM2与时间继电器KT通电，KT开始计时，KM2常开主触点和自锁触点闭合，电动机进入能耗制动；（3）经过一段时间t延时后，电动机转速接近于零或停止运行，通态时间继电器延时常闭触点（带弧型标志）断开，使KM2线圈失电， KM2断电后，直流电源被切断，常开触点断开，使时间继电器KT断电释放，电动机能耗制动结束。4.2 三相异步电动机的选择4.3 机械特性曲线绘制（1） 电动机电动状态的分析编程如下：cl

14、ose allclear allclcn1=1000; s=0:0.005:1;sM=0.1754;TM=220.44;T=(2*TM)./(sM./s+s./sM);n=n1.*(1-s);plot(T,n,'k-');xlabel('电磁转矩itn/(Ncdotm)');ylabel('转速itn/(r/min)');title('异步电动机固有机械特性itn=itf(itT)')电动时机械特性曲线：图4-1 电动时机械特性曲线（2） 电动机耗能制动状态下的机械特性曲线编程如下：close allclear allclcn1=

15、1000; s=0:0.005:1;sM=0.1754;TM=220.44;T=(2*TM)./(sM./s+s./sM);n=n1.*(1-s);plot(T,n,'g-');hold on;n1=1000; s=-1:0.005:0;sM=-0.145;TM=-187.37;T=(2*TM)./(sM./s+s./sM);SS=-954/1000; %能耗制动起点转差率TT=(2*TM)/(sM/SS+SS/sM); %能耗制动起点B点n=-n1.*(s);plot(T,n,'b-');xlabel('电磁转矩itn/(Ncdotm)');y

16、label('转速itn/(r/min)');title('异步电动机能耗制动机械特性itn=itf(itT)')hold on;y=0:0.1:1000;x=;for k=0:0.1:1000 x=x,0;endplot(x,y,':k');hold ony=;x=-200:0.1:250;for k=-200:0.1:250 y=y,953;endplot(x,y,':k');hold ontext(110.22,953,'xA');text(TT,953,'xB');通过MATLAB计算，能耗

17、制动起点B转矩为：能耗制动机械特性曲线：图4-2 能耗制动机械特性曲线结论通过此次课程设计，我对三项异步电动机的结构构造，工作基本原理以及它的机械特性有了进一步的了解。在学习分析三相异步电动机能耗制动过程中，我进一步学习了三相异步电动机能耗制动的原理，并发现其制动效果与转子电路相串联的电阻和定子直流电源励磁电流密切相关。由于三相异步电动机的能耗制动的分析，需要在绘出其等效电路图才能进行准确分析，且在等效电路中，转换的定子、转子的等效阻抗，绕组因数难以查询、计算，所以在现实生活中我们常常采用经验公式进行简易分析其制动效果，这导致了三相异步电动机能耗制动时间难以精确控制。在设计过程中，我利用3.5节中的公式