電機(jī)與拖動(dòng) 三相異步電機(jī)能耗制動(dòng)

1、電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流，并與磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，為了能使電動(dòng)機(jī)快速而準(zhǔn)確的停車，常采用能耗制動(dòng)的方法。三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)過(guò)程主要有反抗性負(fù)載能耗制動(dòng)迅速停機(jī)和位能性負(fù)載能耗制動(dòng)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(dòng)過(guò)程，并利用MATLAB軟件對(duì)其機(jī)械特性曲線進(jìn)行繪制。迅速停機(jī)過(guò)程是將電機(jī)與三相電源斷開(kāi)，將其中兩相與直流電源接通，電動(dòng)機(jī)像發(fā)電機(jī)一樣，將拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)過(guò)程。關(guān)鍵詞 三相異步電動(dòng)機(jī)；能耗制動(dòng)；迅速停機(jī)I電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(dòng)機(jī)的基本理論22.1 三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率32.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析43三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)63.1 能耗制動(dòng)的原理63.2 等效交流與直流勵(lì)磁的關(guān)系63.3 轉(zhuǎn)差率與等效電路73.4 能耗制動(dòng)的機(jī)械特性83.5 能耗制動(dòng)的參數(shù)選擇93.6 能耗制動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合10

3、4能耗制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)114.1 能耗制動(dòng)系統(tǒng)主體電路及器件選擇114.2 三相異步電動(dòng)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(duì)工業(yè)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速制動(dòng)等性能也提出了越來(lái)越高的要求。電動(dòng)機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事設(shè)施以及日常生活中。直流電動(dòng)機(jī)其調(diào)速在過(guò)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(dòng)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(dòng)機(jī)擁有更長(zhǎng)的使用壽命，有強(qiáng)大的降噪能

4、力，維護(hù)簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，制造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，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(lái)越重要的作用。 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)也成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式中，能耗制動(dòng)具有制動(dòng)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(guó)防工業(yè)等電力拖動(dòng)裝置中經(jīng)常使用的制動(dòng)過(guò)程，這是因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 因此，三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究與應(yīng)用在我國(guó)有極為廣泛的發(fā)展前景。1.2 課題研究的意義通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，了解三相異

5、步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理，掌握三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)平衡方程和磁通式平衡方程；進(jìn)一步了解三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和各種制動(dòng)方式；最終在本次課程設(shè)計(jì)中掌握能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及能耗制動(dòng)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，學(xué)會(huì)三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的基本原理，分析其過(guò)渡過(guò)程，通過(guò)能耗制動(dòng)的相關(guān)公式設(shè)計(jì)出能滿足要求的三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)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(dòng)基本原理，通過(guò)分析其過(guò)渡過(guò)程實(shí)現(xiàn)其迅速停機(jī)過(guò)程。設(shè)計(jì)中，要求設(shè)計(jì)的能耗制動(dòng)系統(tǒng)，合理選擇實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)的電氣元件。根據(jù)所選電氣元件，設(shè)計(jì)能耗制動(dòng)主回路及其控制回路。同時(shí)要求三相異步電動(dòng)機(jī)停機(jī)后及時(shí)切除電源。2三相異步

6、電動(dòng)機(jī)的基本理論2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)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(dòng)和調(diào)速要求較高的場(chǎng)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(dòng)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(kāi)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(gè)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：?jiǎn)螌永@組和雙層繞組。繞組應(yīng)用：?jiǎn)螌永@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(shì)、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(dòng)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(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，軸上輸出的機(jī)械功率，單位：W或kW。額定電壓：指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，加在定子繞組上的線電壓，單位：V。額定電流：指電動(dòng)機(jī)在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時(shí)定子繞組中的線電流，單位：A。額定頻率：我國(guó)規(guī)定電網(wǎng)工頻為50Hz。額定轉(zhuǎn)速：指電動(dòng)機(jī)在定子額定電壓、額定頻率下，軸上輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位：r/min；額定

8、功率因數(shù)：指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)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(kāi)路時(shí)，滑環(huán)間的線電壓，單位：V；轉(zhuǎn)子額定電流：指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行、轉(zhuǎn)子短路狀態(tài)下，滑環(huán)之間流過(guò)的線電流，單位：A。圖2-2 三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之差。即： 2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析三相異步電動(dòng)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(dòng)勢(shì) 等于定子電動(dòng)勢(shì) 我們用一個(gè)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(dòng)勢(shì)的折算 （2）電流的折算 （3） 電阻的折算 3三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)3.1能耗制動(dòng)的原理 繞組切斷交流電源(QS斷開(kāi))，同時(shí)在定子兩相通入直流 (SA接通),電動(dòng)機(jī)內(nèi)形成一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的空間位置固定的磁勢(shì)。電動(dòng)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(shí)，直流磁勢(shì)相對(duì)轉(zhuǎn)子是一旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，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(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降到零時(shí)，減速過(guò)程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。圖3-1 能耗制動(dòng)接線與原理示意圖3.2等效交流與直流勵(lì)磁電流的關(guān)系直流電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)，相當(dāng)于相電流為零的瞬間,三相電流所產(chǎn)生

10、的磁勢(shì)。所不同的是,直流磁場(chǎng)在空間是靜止的,而交流磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的。不過(guò)在切換電源的瞬間，站在轉(zhuǎn)子上看定子磁勢(shì),相對(duì)于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的,只要它們幅值相等,相對(duì)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(shí),通入定子電流為，在相產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)分別為 合成磁動(dòng)勢(shì)為則它們的大小分別為 若通入定子繞組三相交流電時(shí)，每相電流的有效值為I1，則所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，直流磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)定子是靜止的，而相對(duì)轉(zhuǎn)子是以（-n）反向旋轉(zhuǎn)的，若在能耗制動(dòng)時(shí)，等效異步電動(dòng)機(jī)電路的轉(zhuǎn)差率定義為 則轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)

11、子頻率及電抗分別為 圖3-3 能耗制動(dòng)等效電路 圖3-4 向量圖3.4能耗制動(dòng)的機(jī)械特性(1) 磁動(dòng)勢(shì)平衡方程為用勵(lì)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(shì),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(duì)應(yīng)直流勵(lì)磁增加時(shí)的特性，增加勵(lì)磁產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)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(shí)的特性，此時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速也增大。因此改變轉(zhuǎn)子電阻或定子直流勵(lì)磁電流的大小，均可調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖3-5 能耗制動(dòng)的機(jī)械特性3.5能耗制動(dòng)的參數(shù)選擇 能耗制動(dòng)過(guò)程如圖3-6所示，如

12、果是反抗性負(fù)載電動(dòng)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(shí)，必須立即用機(jī)械抱閘，將電動(dòng)機(jī)軸剎住停車，否則電動(dòng)機(jī)將會(huì)反向起動(dòng)。對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī)為對(duì)于繞線式異步電動(dòng)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(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合能耗制動(dòng)廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場(chǎng)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 能耗制動(dòng)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(guò)

13、程：（1）合上電源開(kāi)關(guān)QS，按下啟動(dòng)按鈕SB2接觸器，KM1線圈得電，常開(kāi)主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）制動(dòng)時(shí)，按下停止按鈕SB1，接觸器KM1斷電釋放，電動(dòng)機(jī)脫離三相交流電源，同時(shí)接觸器KM2與時(shí)間繼電器KT通電，KT開(kāi)始計(jì)時(shí)，KM2常開(kāi)主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)；（3）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t延時(shí)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近于零或停止運(yùn)行，通態(tài)時(shí)間繼電器延時(shí)常閉觸點(diǎn)（帶弧型標(biāo)志）斷開(kāi)，使KM2線圈失電， KM2斷電后，直流電源被切斷，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，使時(shí)間繼電器KT斷電釋放，電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)結(jié)束。4.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇4.3 機(jī)械特性曲線繪制（1） 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)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(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性itn=itf(itT)')電動(dòng)時(shí)機(jī)械特性曲線：圖4-1 電動(dòng)時(shí)機(jī)械特性曲線（2） 電動(dòng)機(jī)耗能制動(dòng)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(dòng)起點(diǎn)轉(zhuǎn)差率TT=(2*TM)/(sM/SS+SS/sM); %能耗制動(dòng)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)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(guò)MATLAB計(jì)算，能耗

17、制動(dòng)起點(diǎn)B轉(zhuǎn)矩為：能耗制動(dòng)機(jī)械特性曲線：圖4-2 能耗制動(dòng)機(jī)械特性曲線結(jié)論通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)三項(xiàng)異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過(guò)程中，我進(jìn)一步學(xué)習(xí)了三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的原理，并發(fā)現(xiàn)其制動(dòng)效果與轉(zhuǎn)子電路相串聯(lián)的電阻和定子直流電源勵(lì)磁電流密切相關(guān)。由于三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)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(jiǎn)易分析其制動(dòng)效果，這導(dǎo)致了三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)間難以精確控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我利用3.5節(jié)中的公式