电机与拖动课程设计说明书-三相异步电机能耗制动

《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

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目 录

1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1 课题设计的背景 ................................................................................................................. 1 1.2 课题设计的意义 ................................................................................................................. 1 1.3 课题设计的任务 ............................................................................... 错误！未定义书签。 2三相异步电动机的基本理论 ...................................................................................................... 2 2.1 三相异步电动机的结构 ..................................................................................................... 2 2.1.1 定子结构 ..................................................................................................................... 2 2.1.2 转子结构 ..................................................................................................................... 2 2.1.3 铭牌数据 ..................................................................................................................... 2 2.2 三相异步电动机转差率 ..................................................................................................... 3 2.3 三相异步电动机的运行分析 ............................................................................................. 4 3三相异步电动机能耗制动 .......................................................................................................... 6 3.1 能耗制动的原理 .................................................................................................................. 6 3.2 等效交流与直流励磁的关系 .............................................................................................. 6 3.3 转差率与等效电路 .............................................................................................................. 7 3.4 能耗制动的机械特性 .......................................................................................................... 8 3.5 能耗制动的参数选择 .......................................................................................................... 9 3.6 能耗制动的应用场合 ........................................................................................................ 10 4能耗制动系统的设计 ................................................................................................................ 11 4.1 能耗制动系统主体电路及器件选择 ................................................................................ 11 4.2 三相异步电动机的选择 .................................................................................................... 12 4.3 机械特性曲线绘制 ............................................................................................................ 12 结论 ............................................................................................................................................... 16 参考文献 ....................................................................................................................................... 17

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1 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。

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2三相异步电动机的基本理论

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0.2~1.5mm范围。

2.1.3 铭牌数据

额定功率PN：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U1N：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位：V。

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额定电流I1N：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f1N：我国规定电网工频为50Hz。

额定转速nN：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；

额定功率因数cos?N：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U2N：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I2N：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：

?n1?n? 式（2.1）??100%s??

?n??1?式中n1??为同步转速，即定子中旋转磁通势的速度,

60f1n? 1式（2.2）pn??转子转速

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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，

???。EE2S1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2-3 等效电路

(1) 电动势的折算

折算前：E2?4.44f1kW2N2?m 式（2.3）

??E1?4.44f1kW1N1?m折算后：E2式（2.4）kNE?E 定、转子的电动势之比：ke?2?1?w11E2E2kw2N2式（2.5）

（2）电流的折算

?0.9m2kw2N2I2折算前：F2?2p

?0.9m1kw1N1I2折算后：F2??2p

??E1?keE2E2式（2.6）式（2.7）式（2.8）

?0.9m2kw2N2I20.9m1kw1N1I2 ?2p2p4

式（2.9）《电机与拖动》课程设计说明书

ImkN 电流比：kw11i?21I??2m2kw2N2

I?I22?ki（3）电阻的折算

折算前：

Z?R2E?2 s?jX2?2I?2 折算后：Z???2?R?2

s?jX?2?E2I??2 阻抗比：kZ?2E??2I?2z?

Z??I???kekiZ?2?2Ek22ZZ2R?2?kZR2X?2?kZX2

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式（2.10）式（2.11）式（2.12）式（2.13）式（2.14）式（2.15）式（2.16）式（2.17）《电机与拖动》课程设计说明书

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

??FU、FV直流电流Id所产生的磁势，相当于W相电流为零的瞬间,三相电流所产生的磁势。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Y形联结时,通入定子电流为Id，在U、V相产生的磁动势分别

为 则它们的大小分别为 F、F，合成磁动势为Fd。uv???FU?FV?4N1kN1Id?2p式（3.1）Fd?34N1kN1Id?2p6

式（3.2）《电机与拖动》课程设计说明书

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F1?Fd，所以交流的效果电流为

??F1?6?2N1kN1I12p式（3.3）I1?2Id。3式（3.4）

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 sd??n/n1

则转子绕组中感应电动势、转子频率及电抗分别为 E2d?sdE2,f2?sdf1,x2d?xdx2

图3-3 能耗制动等效电路 图3-4 向量图

式（3.5）式（3.6）

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3.4能耗制动的机械特性

???(1)磁动势平衡方程为Fm?F1?F2,用励磁电流表示为Im?I1?I。转子回路折算到定子侧的电流I产生磁通势F2,根据向量图，则 ?'2????'2

如忽略铁耗，则有

综合可得：

则电磁转矩为：

对dTds求导，得d

I21?I?22?Im?2?2I2?Imsin?2IE1E?2I?2(r2?/sd)2?x22?m?x??mxmxmsin?x22??(r?/s2d)?x?22

2I22I?2?1xm(r2?/sd)2?(xm?x?2)23I22r2?P11xmT?Msdw?1w1(r2?/sd)2?(xm?x?2)2?m22最大转矩T2I1xmm2w(x'1m?x2)r'最大转差率为：s2m?x?x'm28

式（3.7）式（3.8）式（3.9）式（3.10）式（3.11）式（3.12）式（3.13）《电机与拖动》课程设计说明书

由式（3-12）和式（3-13）得，电磁转矩为：

T?2Tmsdsm?smsd式（3.14）(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

Id?(3.5~4)I10式（3.15）Id?(2~3)I10

式（3.16）式（3.17）注明：三相异步电动机为I10?（0.2~0.5）I1N

最大电磁转矩为

转子所串电阻为

Tm?(1.25~2.2)TN式（3.18）rd?(0.2~0.4)E2N?r23I2N9

式（3.19）《电机与拖动》课程设计说明书

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Id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。

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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

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控制线路的控制过程：

（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

采用三相六级绕线式异步电动机，电机参数为：PN?11kW,nN?953r/min,UN?380V,IN?8.4A，I10?13.2A，E2N?220V，I2N?35.4A，aMT?2。4.3 机械特性曲线绘制

（1）电动机电动状态的分析

由于国家电网频率f1?50Hz,电动极对数P?6/2?3，根据式（2.1），式（2.2），得：

n1?nn60f1n1??1000r/min，sN??0.047pn1

sN 由公式sM?,得：sM?0.17542aMT?aMT?1

忽略T0，得： TN?60PN?110.22N?m,TM?aMTTN?220.44N?m2?nN2TM和MATLAB编程求得电动状态下的机械特性曲线。ssM?sMs

再有公式T?编程如下： close all clear all clc

n1=1000; s=0:0.005:1;

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