電機(jī)與拖動-三相異步電機(jī)能耗制動

《電機(jī)與拖動》課程設(shè)計(jì)說明書PAGEI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(shí)，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)《電機(jī)與拖動》課程設(shè)計(jì)說明書PAGE16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 104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) 171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)大的降噪能力，維護(hù)簡便，價(jià)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(shí)要求三相異步電動機(jī)停機(jī)后及時(shí)切除電源。2三相異步電動機(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(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：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0.2~1.5mm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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位：r/min；額定功率因數(shù)：指電動機(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)子繞組開路時(shí)，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(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2-3等效電路(1)電動勢的折算（2）電流的折算電阻的折算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(shí)在定子兩相通入直流(SA接通),電動機(jī)內(nèi)形成一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí),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(shí)，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(shí)，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(shí)，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)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(shí)的特性，增加勵磁產(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(shí)，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(shí)，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(shí)接觸器KM2與時(shí)間繼電器KT通電，KT開始計(jì)時(shí)，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(shí)間t延時(shí)后，電動機(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，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(shí)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)械特性曲線繪制電動機(jī)電動狀態(tài)的分析編程如下：closeallclearallclcn1=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}/(N\cdotm)');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(shí)機(jī)械特性曲線：圖4-1電動時(shí)機(jī)械特性曲線電動機(jī)耗能制動狀態(tài)下的機(jī)械特性曲線編程如下：closeallclearallclcn1=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-');holdon;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}/(N\cdotm)');ylabel('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})')holdon;y=0:0.1:1000;x=[];fork=0:0.1:1000x=[x,