電機(jī)與拖動 三相異步電機(jī)能耗制動

1、電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì)說明書摘要三相異步電動機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電工設(shè)備，三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運(yùn)動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。當(dāng)異步電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，為了能使電動機(jī)快速而準(zhǔn)確的停車，常采用能耗制動的方法。三相異步電動機(jī)的能耗制動過程主要有反抗性負(fù)載能耗制動迅速停機(jī)和位能性負(fù)載能耗制動下放重物，本設(shè)計(jì)主要研究反抗性負(fù)載能耗迅速制動過程，并利用MATLAB軟件對其機(jī)械特性曲線進(jìn)行繪制。迅速停機(jī)過程是將電機(jī)與三相電源斷開，將其中兩相與直流電源接通，電動機(jī)像發(fā)電機(jī)一樣，將拖動系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電

2、能消耗在電機(jī)內(nèi)部的電阻中以實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)的能耗制動過程。關(guān)鍵詞 三相異步電動機(jī)；能耗制動；迅速停機(jī)I電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1 緒論11.1 課題設(shè)計(jì)的背景11.2 課題設(shè)計(jì)的意義11.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)12三相異步電動機(jī)的基本理論22.1 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)22.1.1 定子結(jié)構(gòu)22.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)22.1.3 銘牌數(shù)據(jù)22.2 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率32.3 三相異步電動機(jī)的運(yùn)行分析43三相異步電動機(jī)能耗制動63.1 能耗制動的原理63.2 等效交流與直流勵磁的關(guān)系63.3 轉(zhuǎn)差率與等效電路73.4 能耗制動的機(jī)械特性83.5 能耗制動的參數(shù)選擇93.6 能耗制動的應(yīng)用場合10

3、4能耗制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)114.1 能耗制動系統(tǒng)主體電路及器件選擇114.2 三相異步電動機(jī)的選擇124.3 機(jī)械特性曲線繪制12結(jié)論16參考文獻(xiàn)17161 緒論1.1 課題研究的背景由于工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和對工業(yè)產(chǎn)品的要求越來越高，對電動機(jī)的啟動、調(diào)速制動等性能也提出了越來越高的要求。電動機(jī)作為重要的動力裝置，已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防軍事設(shè)施以及日常生活中。直流電動機(jī)其調(diào)速在過去一直占統(tǒng)治地位，但由于本身的結(jié)構(gòu)原因，例如換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高，電刷易于磨損，拖動負(fù)載能力不強(qiáng)等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)向高速大容量化發(fā)展的要求。相比之下，三相異步交流電動機(jī)擁有更長的使用壽命，有強(qiáng)大的降噪能

4、力，維護(hù)簡便，價格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，制造簡單，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了極廣泛的應(yīng)用，也在發(fā)揮著越來越重要的作用。 三相異步電動機(jī)的制動也成為研究的熱點(diǎn)問題。在三相異步電動機(jī)的制動方式中，能耗制動具有制動平穩(wěn)，迅速，能量消耗小等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化交通運(yùn)輸，國防工業(yè)等電力拖動裝置中經(jīng)常使用的制動過程，這是因?yàn)槿喈惒诫妱訖C(jī)能耗制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易頻繁使用等一系列優(yōu)點(diǎn)，另外在需要頻繁迅速停機(jī)的大容量異步電動機(jī)中具有明顯的優(yōu)勢。 因此，三相異步電動機(jī)能耗制動系統(tǒng)研究與應(yīng)用在我國有極為廣泛的發(fā)展前景。1.2 課題研究的意義通過本次課程設(shè)計(jì)，了解三相異

5、步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理，掌握三相異步電動機(jī)電動勢平衡方程和磁通式平衡方程；進(jìn)一步了解三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性和各種制動方式；最終在本次課程設(shè)計(jì)中掌握能耗制動的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及能耗制動在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，學(xué)會三相異步電動機(jī)能耗制動的基本原理，分析其過渡過程，通過能耗制動的相關(guān)公式設(shè)計(jì)出能滿足要求的三相異步電動機(jī)能耗制動系統(tǒng)。1.3 課題研究的任務(wù)本課程設(shè)計(jì)主要進(jìn)一步掌握能耗制動基本原理，通過分析其過渡過程實(shí)現(xiàn)其迅速停機(jī)過程。設(shè)計(jì)中，要求設(shè)計(jì)的能耗制動系統(tǒng)，合理選擇實(shí)現(xiàn)能耗制動的電氣元件。根據(jù)所選電氣元件，設(shè)計(jì)能耗制動主回路及其控制回路。同時要求三相異步電動機(jī)停機(jī)后及時切除電源。2三相異步

6、電動機(jī)的基本理論2.1 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，可分為籠型和繞線型兩類。繞線型一般用于啟動和調(diào)速要求較高的場合；按機(jī)殼的保護(hù)方式可分為防護(hù)式、封閉式、防爆式三類，這些不同的結(jié)構(gòu)可以滿足各種不同的環(huán)境需要。圖2-1 三相鼠籠異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.1 定子結(jié)構(gòu)定子鐵芯:是電機(jī)磁路的一部分，定子鐵芯內(nèi)圓上均勻開有槽，安放定子繞組。機(jī)座:是用作固定與支撐定子鐵芯。定子繞組:是電機(jī)電路部分，它由三個在空間相差120°電角度、結(jié)構(gòu)相同的繞組連接而成，按一定規(guī)律嵌放在定子槽中。繞組分類：單層繞組和雙層繞組。繞組應(yīng)用：單層繞組一般用在10kW以下的電機(jī)，雙層短距繞組用在較大

7、容量的電機(jī)中。2.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵芯：一般用0.5mm的硅鋼片疊壓而成，它是磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組：是用作產(chǎn)生感應(yīng)電勢、并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它分鼠籠式和繞線式兩種。氣隙：中、小容量的電動機(jī)氣隙一般在0.21.5mm范圍。2.1.3 銘牌數(shù)據(jù)額定功率：指電動機(jī)在額定運(yùn)行時，軸上輸出的機(jī)械功率，單位：W或kW。額定電壓：指電動機(jī)額定運(yùn)行時，加在定子繞組上的線電壓，單位：V。額定電流：指電動機(jī)在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時定子繞組中的線電流，單位：A。額定頻率：我國規(guī)定電網(wǎng)工頻為50Hz。額定轉(zhuǎn)速：指電動機(jī)在定子額定電壓、額定頻率下，軸上輸出額定功率時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位：r/min；額定

8、功率因數(shù)：指電動機(jī)在額定運(yùn)行時定子側(cè)的功率因數(shù)。轉(zhuǎn)子繞組額定電壓：指定子繞組加額定電壓、轉(zhuǎn)子繞組開路時，滑環(huán)間的線電壓，單位：V；轉(zhuǎn)子額定電流：指電動機(jī)額定運(yùn)行、轉(zhuǎn)子短路狀態(tài)下，滑環(huán)之間流過的線電流，單位：A。圖2-2 三相異步電動機(jī)銘牌2.2 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速之差。即： 2.3 三相異步電動機(jī)的運(yùn)行分析三相異步電動機(jī)的運(yùn)行分析中，我們可以像電路一樣，將轉(zhuǎn)子繞組向定子繞組折算，使折算后的電動勢 等于定子電動勢 我們用一個相數(shù)和有效匝數(shù)與定子繞組相同的轉(zhuǎn)子繞組去等效代替實(shí)際的轉(zhuǎn)子繞組。這里采用等效的原則：保證電磁效應(yīng)和功率關(guān)系不變(如圖2-3)。 圖2

9、-3 等效電路 (1) 電動勢的折算 （2）電流的折算 （3） 電阻的折算 3三相異步電動機(jī)的能耗制動3.1能耗制動的原理 繞組切斷交流電源(QS斷開)，同時在定子兩相通入直流 (SA接通),電動機(jī)內(nèi)形成一個不旋轉(zhuǎn)的空間位置固定的磁勢。電動機(jī)轉(zhuǎn)子因機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不突變，繼續(xù)維持原方向旋轉(zhuǎn)。此時，直流磁勢相對轉(zhuǎn)子是一旋轉(zhuǎn)磁勢。 轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，電流和電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，電動機(jī)處于制動運(yùn)行狀態(tài)。電動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降到零時，減速過程結(jié)束，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。圖3-1 能耗制動接線與原理示意圖3.2等效交流與直流勵磁電流的關(guān)系直流電流所產(chǎn)生的磁勢，相當(dāng)于相電流為零的瞬間,三相電流所產(chǎn)生

10、的磁勢。所不同的是,直流磁場在空間是靜止的,而交流磁場是旋轉(zhuǎn)的。不過在切換電源的瞬間，站在轉(zhuǎn)子上看定子磁勢,相對于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的,只要它們幅值相等,相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同,就是可以等效的。設(shè)定子繞組形聯(lián)結(jié)時,通入定子電流為，在相產(chǎn)生的磁動勢分別為 合成磁動勢為則它們的大小分別為 若通入定子繞組三相交流電時，每相電流的有效值為I1，則所產(chǎn)生的合成磁動勢的大小為按照等效原則應(yīng)有所以交流的效果電流為 圖3-2 直流矢量分析圖3.3轉(zhuǎn)差率與等效電路異步電動機(jī)能耗制動時，直流磁動勢相對定子是靜止的，而相對轉(zhuǎn)子是以（-n）反向旋轉(zhuǎn)的，若在能耗制動時，等效異步電動機(jī)電路的轉(zhuǎn)差率定義為 則轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢、轉(zhuǎn)

11、子頻率及電抗分別為 圖3-3 能耗制動等效電路 圖3-4 向量圖3.4能耗制動的機(jī)械特性(1) 磁動勢平衡方程為用勵磁電流表示為轉(zhuǎn)子回路折算到定子側(cè)的電流產(chǎn)生磁通勢,根據(jù)向量圖，則 如忽略鐵耗，則有 綜合可得：則電磁轉(zhuǎn)矩為： 由式（3-12）和式（3-13）得，電磁轉(zhuǎn)矩為： (2)機(jī)械特性：曲線1為固有特性；曲線2對應(yīng)直流勵磁增加時的特性，增加勵磁產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速不變，但最大轉(zhuǎn)矩將增大；曲線3轉(zhuǎn)子電阻增大時的特性，此時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速也增大。因此改變轉(zhuǎn)子電阻或定子直流勵磁電流的大小，均可調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩。 圖3-5 能耗制動的機(jī)械特性3.5能耗制動的參數(shù)選擇 能耗制動過程如圖3-6所示，如

12、果是反抗性負(fù)載電動機(jī)從運(yùn)行點(diǎn)A移至B點(diǎn)，順曲線2減速到O點(diǎn)，如果是反抗性負(fù)載實(shí)現(xiàn)快速停車；如果是位能性負(fù)載，則在n=0時，必須立即用機(jī)械抱閘，將電動機(jī)軸剎住停車，否則電動機(jī)將會反向起動。對于籠型異步電動機(jī)為對于繞線式異步電動機(jī)為最大電磁轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)子所串電阻為 3.6能耗制動的應(yīng)用場合能耗制動廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場合，也可用于起重機(jī)等帶位能性負(fù)載的機(jī)械。限制重物下放的速度，使重物保持勻速下降，只需改變直流電流的大小(調(diào)節(jié)電位器)或改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻的值，即可達(dá)到目的。 4能耗制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 能耗制動系統(tǒng)主體電路及器件選擇圖4-1 主電路及控制電路表4-1 器件選擇表控制線路的控制過

13、程：（1）合上電源開關(guān)QS，按下啟動按鈕SB2接觸器，KM1線圈得電，常開主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）制動時，按下停止按鈕SB1，接觸器KM1斷電釋放，電動機(jī)脫離三相交流電源，同時接觸器KM2與時間繼電器KT通電，KT開始計(jì)時，KM2常開主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)進(jìn)入能耗制動；（3）經(jīng)過一段時間t延時后，電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近于零或停止運(yùn)行，通態(tài)時間繼電器延時常閉觸點(diǎn)（帶弧型標(biāo)志）斷開，使KM2線圈失電， KM2斷電后，直流電源被切斷，常開觸點(diǎn)斷開，使時間繼電器KT斷電釋放，電動機(jī)能耗制動結(jié)束。4.2 三相異步電動機(jī)的選擇4.3 機(jī)械特性曲線繪制（1） 電動機(jī)電動狀態(tài)的分析編程如下：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('電磁轉(zhuǎn)矩itn/(Ncdotm)');ylabel('轉(zhuǎn)速itn/(r/min)');title('異步電動機(jī)固有機(jī)械特性itn=itf(itT)')電動時機(jī)械特性曲線：圖4-1 電動時機(jī)械特性曲線（2） 電動機(jī)耗能制動狀態(tài)下的機(jī)械特性曲線編程如下：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; %能耗制動起點(diǎn)轉(zhuǎn)差率TT=(2*TM)/(sM/SS+SS/sM); %能耗制動起點(diǎn)B點(diǎn)n=-n1.*(s);plot(T,n,'b-');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩itn/(Ncdotm)');y

16、label('轉(zhuǎn)速itn/(r/min)');title('異步電動機(jī)能耗制動機(jī)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');通過MATLAB計(jì)算，能耗

17、制動起點(diǎn)B轉(zhuǎn)矩為：能耗制動機(jī)械特性曲線：圖4-2 能耗制動機(jī)械特性曲線結(jié)論通過此次課程設(shè)計(jì)，我對三項(xiàng)異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，工作基本原理以及它的機(jī)械特性有了進(jìn)一步的了解。在學(xué)習(xí)分析三相異步電動機(jī)能耗制動過程中，我進(jìn)一步學(xué)習(xí)了三相異步電動機(jī)能耗制動的原理，并發(fā)現(xiàn)其制動效果與轉(zhuǎn)子電路相串聯(lián)的電阻和定子直流電源勵磁電流密切相關(guān)。由于三相異步電動機(jī)的能耗制動的分析，需要在繪出其等效電路圖才能進(jìn)行準(zhǔn)確分析，且在等效電路中，轉(zhuǎn)換的定子、轉(zhuǎn)子的等效阻抗，繞組因數(shù)難以查詢、計(jì)算，所以在現(xiàn)實(shí)生活中我們常常采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行簡易分析其制動效果，這導(dǎo)致了三相異步電動機(jī)能耗制動時間難以精確控制。在設(shè)計(jì)過程中，我利用3.5節(jié)中的公式