畢業(yè)設(shè)計（論文）磨床中異步電機能耗制動仿真

1、目錄摘 要iabstractii1磨床發(fā)展概述11.1磨床的發(fā)展和現(xiàn)狀11.2磨床的類型11.3能耗制動在磨床電機中的應(yīng)用21.4能耗制動參數(shù)計算22異步電動機能耗制動原理32.1異步電動機制動的基本方式32.2回饋制動（又稱發(fā)電制動、再生制動）32.3異步電動機反接制動制動分析32.4能耗制動73 atlab實現(xiàn)電機仿真93.1 matlab/simulink動態(tài)仿真軟件93.2 simulink對電機系統(tǒng)仿真概述103.3 異步電動機能耗制動仿真分析103.3.3能耗制動仿真結(jié)果分析134.異步電動機能耗制動的完善與改進意見13參考文獻14致 謝15摘 要磨床中三相異步電動機的能耗制動模塊

2、，實際上通過利用異步電動機電磁原理來實現(xiàn)的。三相異步電動機的能耗制動是一種平穩(wěn)，準(zhǔn)確，能量消耗小的制動控制方式。本文分析了異步電動機的電氣制動原理及其能耗制動的基本控制方式，介紹了matlab的使用方法。重點討論了simulink工具在電機仿真中的應(yīng)用，并給出三項異步電動機能耗制動的仿真演示。技術(shù)上，應(yīng)用的仿真軟件是matlab/simulink軟件。本課題共分為三個大部分，即磨床發(fā)展部分；異步電動機能耗制動部分；matla仿真部分。各部分相互獨立，同時又圍繞主題構(gòu)成統(tǒng)一的整體。改變輸入電流形式，我們可以得到非常真實和多變的條件。為使該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，利用matlab仿真軟件對制動過程中電流、轉(zhuǎn)

3、速、轉(zhuǎn)矩等進行對比研究。本文重點介紹了磨床電機能耗制動系統(tǒng)的總體構(gòu)成，控制方法，仿真步驟和數(shù)據(jù)分析。此外還先關(guān)簡要介紹了一些其他電氣制動的相關(guān)基礎(chǔ)理論。最后提出了能耗制動模塊有待于進一步完善發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞：磨床、電動機、能耗制動、電氣制動、控制仿真、matlab、simulinkabstractthe dynamic braking module of three-phase asynchronous motors used for grinders, in fact, makes use of the inductive principle of electromagnetic indu

4、ction motors to realize. the dynamic braking module of three-phase asynchronous mortors is a smooth, accurate, energy-efficient mode. this thesis introduces the electric braking principle of the three-phase asynchronous motors,the basic controlling mode of dynamic braking, the use-method of the matl

5、ab. above all,this paper introduces the use of simulink tool and gives examples of the dynamic braking module of three-phase asynchronous motors.technically, the application of emulatio is the matlab/simulink software. this topic is divided into three big parts:the development of grinde, the dynamic

6、 braking of asynchronous motor module,the emulation of matlab. in order to constitute a unified integral,each part is not only independent, but also unitive.we can get real and changeful conditions by change the forms of the input current. by comparing the current, speed, torque in the braking proce

7、ss,wo can make the system work stably on matlab.this paper,importantly,introduces the dynamic brakings general structure,controlling method,simulational steps,and data analysis.in additon,it introduces some basic therories relate to other electrical brakings.at last,the thesis puts forward a directi

8、on of the dynamic brakings development which needs to be improved in the future.keywords: grinder, motor, dynamic braking, electrical braking,controlling simulation, matlab,simulink.ii1磨床發(fā)展概述磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具對工件表面進行磨削加工的機床。 大數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進行磨削加工，少數(shù)的是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料進行加工，如珩磨機、超精加工機床、

9、砂帶磨床、研磨機和拋光機等。1.1磨床的發(fā)展和現(xiàn)狀十八世紀(jì)30年代，為了適應(yīng)鐘表、自行車、縫紉機和槍械等零件淬硬后的加工，英國、德國和美國分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床。這些磨床是在當(dāng)時現(xiàn)成的機床如車床、刨床等上面加裝磨頭改制而成的，它們結(jié)構(gòu)簡單，剛度低，磨削時易產(chǎn)生振動，要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博覽會展出的美國布朗-夏普公司制造的萬能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機械。它的工件頭架和尾座安裝在往復(fù)移動的工作臺上，箱形床身提高了機床剛度，并帶有內(nèi)圓磨削附件。1883年，這家公司制成磨頭裝在立柱上、工作臺作往復(fù)移動的平面磨床。 1900年前后，人

10、造磨料的發(fā)展和液壓傳動的應(yīng)用，對磨床的發(fā)展有很大的推動作用。隨著近代工業(yè)特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，各種不同類型的磨床相繼問世。例如20世紀(jì)初，先后研制出加工氣缸體的行星內(nèi)圓磨床、曲軸磨床、凸輪軸磨床和帶電磁吸盤的活塞環(huán)磨床等。 1.2磨床的類型隨著高精度、高硬度機械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，磨床 的性能、品種和產(chǎn)量都在不斷的提高和增長。 (1)外圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形外表面的磨床。 (2)內(nèi)圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形內(nèi)表面的磨床。 (3)座標(biāo)磨床：具有精密座標(biāo)定位裝置的內(nèi)圓磨床。 (4)無心磨床：工件采用無心夾持，

11、一般支承在導(dǎo)輪和托架之間，由導(dǎo)輪驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)，主要用于磨削圓柱形表面的磨床。 (5)平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。 (6)砂帶磨床：用快速運動的砂帶進行磨削的磨床。 (7)珩磨機：用于珩磨工件各種表面的磨床。 (8)研磨機：用于研磨工件平面或圓柱形內(nèi)，外表面的磨床。 (9)導(dǎo)軌磨床：主要用于磨削機床導(dǎo)軌面的磨床。 (10)工具磨床：用于磨削工具的磨床。 (11)多用磨床：用于磨削圓柱、圓錐形內(nèi)、外表面或平面，并能用隨動裝置及附件磨削多種工件的磨床。 (12)專用磨床：從事對某類零件進行磨削的專用機床。按其加工對象又可分為：花鍵軸磨床、曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、螺紋磨床、曲線磨床等。

12、 1.3能耗制動在磨床電機中的應(yīng)用大多數(shù)磨床都是要求用砂輪對工件的表面的進行磨削加工，是一種控制精密的儀器。通過磨削，是工件表面的形狀、精度、和光潔度等都達(dá)到預(yù)期的效果。其中以平面磨床最為普遍。結(jié)構(gòu)主要由床身、工作臺、電磁吸盤、砂輪箱（又稱磨頭）、滑座和立柱等部分組成。如圖：為調(diào)整砂輪位置，磨頭升降采用點動控制。為了停位準(zhǔn)確，應(yīng)有制動控制（采用能耗制動）。上下極限位置應(yīng)有位置保護。在磨削加工中應(yīng)保證砂輪架不能升降移動。與其他制動控制方式相比能耗制動由于制動平穩(wěn)、準(zhǔn)確、能量消耗小、經(jīng)濟且電機使用壽命長等顯著優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于磨床異步電機控制中。1.4能耗制動參數(shù)計算制動電流id1.5in直流電壓u

13、drid 整流變壓器二次側(cè)交流電流i2 id /0.9電壓u2ud/0.9整流變壓器容量s= i2 u22異步電動機能耗制動原理所謂能耗制動，即在電動機脫離三相交流電源之后，定子繞組上加一個直流電壓，即通入直流電流，利用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與靜止磁場的作用已達(dá)到制動的目的。2.1異步電動機制動的基本方式三相異步電動機的制動的方法一般有兩類：機械制動和電氣制動。能耗制動屬于電氣制動的一種。2.1.1機械制動利用機械裝置使電動機斷開電源后迅速停轉(zhuǎn)的方法叫機械制動。機械制動常用的方法有：電磁抱閘和電磁離合器制動。2.1.2電氣制動2電動機產(chǎn)生一個和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。三相交流

14、異步電動機常用的電氣制動方法有回饋制動、反接制動和能耗制動。2.2回饋制動（又稱發(fā)電制動、再生制動）多速異步電動機上。變速時，如使電動機由二級變?yōu)樗募墪r，定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1由3000轉(zhuǎn)分變?yōu)?500轉(zhuǎn)分，而轉(zhuǎn)子由于慣性仍以原來的轉(zhuǎn)速n(接近3000轉(zhuǎn)分)旋轉(zhuǎn)，此時nn1，電動機產(chǎn)生發(fā)電制動作用。 是一種比較經(jīng)濟的制動方法。制動時不需改變線路即可從電動運行狀態(tài)自動地轉(zhuǎn)入發(fā)電制動狀態(tài)，把機械能轉(zhuǎn)換成電能再回饋到電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。缺點是應(yīng)用范圍較窄，僅當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時才能實現(xiàn)發(fā)電制動。2.3異步電動機反接制動制動分析2.3.1.反接制動的方法異步電動機反接制動有兩種，一種是在負(fù)載

15、轉(zhuǎn)矩作用下使電動機反轉(zhuǎn)的倒拉反轉(zhuǎn)反接制動，這種方法不能準(zhǔn)確停車。另一種是依靠改變?nèi)喈惒诫妱訖C定子繞組中三相電源的相序產(chǎn)生制動力矩，迫使電動機迅速停轉(zhuǎn)的方法。反接制動的優(yōu)點是：制動力強，制動迅速。缺點是：制動準(zhǔn)確性差，制動過程中沖擊強烈，易損壞傳動零件，制動能量消耗大，不宜經(jīng)常制動。因此反接制動一般適用于制動要求迅速、系統(tǒng)慣性較大，不經(jīng)常啟動與制動的場合。2.3.2.反接制動的控制線路圖2-1單向啟動反接制動控制線路當(dāng)電動機正常運轉(zhuǎn)需制動時，將三相電源相序切換，然后在電動機轉(zhuǎn)速接近零時將電源及時切掉?？刂齐娐肥遣捎盟俣壤^電器來判斷電動機的零速點并及時切斷三相電源的。速度繼電器ks的轉(zhuǎn)子與電動機

16、的軸相連，當(dāng)電動機正常運轉(zhuǎn)時，速度繼電器的常開觸頭閉合，當(dāng)電動機停車轉(zhuǎn)速接近零時，ks的常開觸頭斷開，切斷接觸器的線圈電路。2.3.3反接制動控制線路工作原理分析（1）單向啟動：圖2-2 單向啟動流程圖（2）反接制動：圖2-3 反接制動流程圖（3）單向啟動反接制動控制線路原理示意圖圖2-4 單向啟動線路控制圖圖2-5反接制動原理示意圖1圖2-6反接制動原理示意圖22.4能耗制動當(dāng)電動機切斷交流電源后，立即在定子繞組的任意二相中通入直流電，迫使電動機迅速停轉(zhuǎn)的方法叫能耗制動。2.4.1制動的方法先斷開電源開關(guān)，切斷電動機的交流電源，這時轉(zhuǎn)子仍沿原方向慣性運轉(zhuǎn)；隨后向電動機兩相定子繞組通入直流電，

17、使定子中產(chǎn)生一個恒定的靜止磁場，這樣作慣性運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子因切割磁力線而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，又因受到靜止磁場的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，正好與電動機的轉(zhuǎn)向相反，使電動機受制動迅速停轉(zhuǎn)。由于這種制動方法是在定子繞組中通入直流電以消耗轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)的動能來進行制動的，所以稱為能耗制動。制動的優(yōu)點是制動準(zhǔn)確、平穩(wěn)，且能量消耗較小。缺點是需附加直流電源裝置，設(shè)備費用較高，制動力較弱，在低速時制動力矩小。所以，能耗制動一般用于要求制動準(zhǔn)確、平穩(wěn)的場合。2.4.2 能耗制動控制線路2于10kw以上容量較大的電動機，多采用有變壓器全波整流能耗制動控制線路。如圖2-74所示為有變壓器全波整流單向啟動能耗制動控制線路，

18、該線路利用時間繼電器來進行自動控制。其中直流電源由單相橋式整流器vc供給，tc是整流變壓器，電阻r是用來調(diào)節(jié)直流電流的，從而調(diào)節(jié)制動強度。圖2-7單向啟動能耗制動控制線路2.4.3 線路工作原理分析（1）單向啟動運轉(zhuǎn)：圖2-8單向啟動能耗制動流程圖（2）能耗制動停轉(zhuǎn)：圖2-9 能耗制動停轉(zhuǎn)流程圖3 atlab實現(xiàn)電機仿真matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)

19、域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。3.1 matlab/simulink動態(tài)仿真軟件 由美國mathwork公司推出的matlab軟件是目前國內(nèi)外最流行的計算機仿真軟件，旗下的simulink動態(tài)建模仿真工具，具有建模方便、直觀、更改參數(shù)容易，能動態(tài)顯示圖形等優(yōu)點，在自動控制、電機拖動仿真領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。3.2 simulink對電機系統(tǒng)仿真概述對電機系統(tǒng)進行仿真分析主要采用simulink下的simpowersystem庫。它包括6個子模塊庫：電源（electrical sou

20、rces）字庫：含有單相交流電源，直流電壓源、受控源，三相交流電源等；元件（elements）字庫：含有各種支路、負(fù)載和開關(guān)、變壓器等主要電力設(shè)備元件；附加字庫（extra libarary）：含有附加的控制、測量模塊和特殊變壓器的模塊；電機字庫（machines）：含有直流、交流、控制等各種電機；測量字庫（meaturement）：含有電壓、電流和阻抗等測量元件；電力電子庫（power electronic）里有g(shù)to、igbt、mosfet、thyristor的各種電子元器件。3.3 異步電動機能耗制動仿真分析異步電機是生活中應(yīng)用比較廣泛的電機，相對于直流電機來說，其理論概念更加抽象。采用

21、simulink 仿真可以把抽象的控制方法形象化，有利于掌握異步電動機的各項原理及性能特點7異步電機的能耗制動方式，與直流電機起動控制一樣也是動態(tài)過程，在實驗室不容易觀測，借助于simulink 仿真效果就比較好由于能耗制動過程涉及模型結(jié)構(gòu)的變化，因此整個仿真過程分成兩個階段進行：3.3.1穩(wěn)態(tài)模型首先建立制動前的穩(wěn)態(tài)運行模型，在simulink 模型窗口，選擇3 個單相交流電壓源(ac voltage source)、電壓測量(voltagemeasurement)、異步電機(asynchronousmachine)、示波器(scope)和總線選擇器(bus selector) 等模型 圖3

22、-1 三相異步電機能耗制動前(穩(wěn)態(tài)) 仿真模型按圖3-1，進行連接，建立仿真模型仿真時把3 個單相交流電壓源的幅值設(shè)置為311v，初相位分別設(shè)置為0、120、-120，異步電機設(shè)置為鼠籠型(squirrel-cage)3.3.2 制動模型圖3-2 三相異步電機能耗制動后仿真模型其仿真模型如圖3-2所示，去掉交流電源，而在異步電機a、b兩相引入220v直流電源，并串入制動電阻rz，其他元件、參數(shù)均不變由于異步電機穩(wěn)態(tài)運行的參數(shù)是其能耗制動的初始狀態(tài)，要在simulink 中實現(xiàn)這一功能，須按如下過程操作：(1)模型運行前先打開“simulation/configurationparameters

23、/data import/export”的“save to workspace”項，選中“final states”選項(其中變量為xfinal)，然后按“ok”(2)運行穩(wěn)態(tài)仿真模型(如圖3-1所示)，結(jié)果如圖3-3 所示它展示了三相異步電機從起動到穩(wěn)定運行的過程(3)在simulink 窗口按圖3-2 所示修改仿真模型(4)接下來在matlab 的指令窗口執(zhí)行如下指令：“xinitial=xfinal”(5)再打開“simulation/configurationparameters/data import/export” 的“l(fā)oad from workspace” 項，選中“initi

24、al state”選項(其中變量為xinitial)，然后按“ok”(6)最后運行修改后的仿真模型，結(jié)果如圖3-4所示，它展示了異步電機從穩(wěn)態(tài)到制動的動態(tài)過程。圖3-3 制動前，三相異步電動機能耗制動仿真圖3-4 制動后，三相異步電動機能耗制動仿真結(jié)果3.3.3能耗制動仿真結(jié)果分析從磨床電機制動前的運行狀態(tài)可以看出：制動開始前，電機已進入穩(wěn)態(tài)運行。電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩基本保持不變。在此基礎(chǔ)上，通過輸入直流電后，電機的轉(zhuǎn)子和定子電流在出現(xiàn)了浮動，但是都保持在額定電流的1.5倍左右，符合電機使用安全要求。電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在0.4秒內(nèi)快速下降到零。既滿足了磨床使用中對快速、準(zhǔn)確停轉(zhuǎn)的要求，又將制動轉(zhuǎn)矩對電

25、機的沖擊時間降到了最低，體現(xiàn)了能耗制動在磨床使用中的優(yōu)點。4.異步電動機能耗制動的完善與改進意見電動機的能耗制動，主要是通過時間繼電器kt的一個延時斷開的觸點來實現(xiàn)。由于繼電接觸器控制系統(tǒng)機械觸點多、接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性也較差，因此滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)過程日益復(fù)雜多變的控制要求。可編程序控制器（plc）是一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，用程序來改變控制功能，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體的工業(yè)計算機。他主要用于開關(guān)量邏輯控制、運動控制、過程控制數(shù)據(jù)處理和通訊聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。plc控制與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、能耗低、體積小維修方便等優(yōu)點。因此將plc控制技術(shù)應(yīng)用在異步電動機能耗制動將會得到更好的控制和經(jīng)濟效益。參考文獻1 吳大榕，電機學(xué)（上、下冊）m.水利電力出版社，1979.11.2 胡虔生 胡敏強 電機