設(shè)計三相異步電動機的能耗制動控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淮 陰 工 學(xué) 院課程設(shè)計說明書作 者:成志超學(xué) 號：學(xué) 院:機械工程學(xué)院專 業(yè):機械電子專業(yè)題 目:三相異步電動機能耗制動系統(tǒng)設(shè)計殷永華高榮指導(dǎo)者： 目 錄2.2 三相異步電動機的工作原理2專心-專注-專業(yè)1 緒論三相異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型和繞線式兩種。定子由定子鐵芯，定子繞組和機座三部分構(gòu)成。定子鐵芯的作用作為電機磁路的一部分和嵌放定子繞組。鐵芯一般采用導(dǎo)磁性良好，比損耗小的0.5mm厚的低硅鋼片疊成。定子繞組是電機的電路，其作用是感應(yīng)電動勢，流過電流。定子繞組在槽內(nèi)部分與鐵芯間絕緣。轉(zhuǎn)子由鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵芯是電機磁路的一部分，一般由0.5mm硅鋼

2、片沖制后疊壓而成。轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子鐵芯和輸出機械轉(zhuǎn)矩的作用。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線式。本次設(shè)計主要用到籠型，重點介紹下籠型。在轉(zhuǎn)子鐵芯均勻分布的每個槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵芯兩端放置兩個端環(huán)，分別把所有伸出槽外部分與端環(huán)連接起來。如果去掉鐵芯剩下的繞組就像一個松鼠籠子。三相異步電機之所以得到廣泛應(yīng)用，主要由于它結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，制造容易，價格低廉，兼顧耐用，而且有較高的效率和相當(dāng)好的的工作特性。但是尚不能較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速以及它必須從電網(wǎng)吸收之后的無功功率。在交流電力拖動系統(tǒng)中, 異步電動機既可運行于電動狀態(tài), 又可運行于電磁制動狀態(tài), 隨生產(chǎn)機械的不同要求而定。三相異步電動機的能耗制動, 是通

3、過將運行在電動狀態(tài)的異步電機的定子脫離交流電源時, 立即在定子兩相繞組通入直流勵磁電流的方法, 使定子產(chǎn)生靜止磁場的。當(dāng)轉(zhuǎn)子由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)時, 其導(dǎo)體切割此磁場便感應(yīng)電流并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁制動轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)制動。它廣泛用于礦井提升及起重運輸?shù)壬a(chǎn)機械上。2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)2.1.2磁路部分定子鐵心（由0.35mm0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈）；轉(zhuǎn)子鐵心（用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，

4、一方面用來放置轉(zhuǎn)子繞組（繞線形的）或鑄鋁的鋁條）。2.1.3電路部分定子繞組（三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。）轉(zhuǎn)子繞組（有繞線形和鼠籠形）。2.1.4機械部機座、端蓋、軸和軸承等等分。2.2 三相異步電動機的工作原理作電動機運行的三相異步電機，三相異步電動機轉(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，實現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構(gòu)

5、簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)向三相定子繞組中通過入對稱的三相交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速n1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以n1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電動勢的方向用右手定則判定）。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場中受

6、到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。通過上述分析可以總結(jié)出電動機工作原理為：當(dāng)電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。分類：單層與雙層單層繞組就是在每個定子槽內(nèi)只嵌置一個線圈有效邊的繞組，因而它的線圈總數(shù)只有電機總槽數(shù)的一半。單層繞組的優(yōu)點是繞組線圈數(shù)少工藝比較簡單；沒有層間絕緣故

7、槽的利用率提高；單層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生相間擊穿故障等。缺點則是繞組產(chǎn)生的電磁波形不夠理想，電機的鐵損和噪音都較大且起動性能也稍差，故單層繞組一般只用于小容量異步電動機中。 單層繞組按照其線圈的形狀和端接部分排列布置的不同，可分為鏈?zhǔn)嚼@組、交叉鏈?zhǔn)嚼@組、同心式繞組和交叉式同心繞組等幾種繞組形式。單層同心繞組和交叉同心式繞組的優(yōu)點為繞組的繞線、嵌線較為簡單，缺點則為線圈端部過長耗用導(dǎo)線過多?，F(xiàn)除偶有用在小容量2極、4極電動機中以外，目前已很少采用這種繞組形式。2.3 三相異步電動機制動方式三相異步電動機制動的方式有：1） 能耗制動 能耗制動方法是將正常運行的電動機突然從電源上切斷，并將電動機定子繞組任意

8、兩相出線端接到直流電源上則直流電源將在定子內(nèi)形戚固定磁場轉(zhuǎn)子靠慣性旋轉(zhuǎn)并切割此固定磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中感生電動勢和轉(zhuǎn)子電流，此電流與固定磁場相互作用便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反。達到制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子動能消耗在轉(zhuǎn)子電阻內(nèi)，這個過程就是電動機能耗制動過程。2） 反接制動倒拉反接制動。起重機在吊物時，如果重物鞍重電動機不但吊不起來重物反而使電動機轉(zhuǎn)速降低甚至轉(zhuǎn)速為零或倒轉(zhuǎn)邊就是倒拉反接制動狀態(tài)。電動機拖動重物上升電動機是處于電動運行狀態(tài)。電源反接制動。為了使正常運行的電動機快速停車或反轉(zhuǎn)其要改接三相電源的相序即可也就是將電動機弓f出的三相引出線任意調(diào)換兩個引出線位置再接到電源上則使電動

9、機定子旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子電動勢和電流反向流動而產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的自動轉(zhuǎn)矩。3） 回饋制動回饋制動也叫再生發(fā)電制動。起重機下放重物時的回饋制動原理圖如圖3所示。當(dāng)起重機下放重物時。如果重物很重，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電動機的同步轉(zhuǎn)速時(即s< 0)，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢和電流的方向改變，這時電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變，并與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向方向相反起到制動作用，限制重物下降的速度。能耗制動就是在切斷三相電源的同時，接到直流電源上（如圖2.1所示），使直流電流通入定子繞組。理論物理告訴我們，直流電流的磁場是固定不動的，而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)在原方向轉(zhuǎn)動， 根據(jù)右手定則和左手定則不難確定這里的轉(zhuǎn)子電流與固定磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)

10、矩的方向。實事上，此時轉(zhuǎn)矩的方向恰好與電動機轉(zhuǎn)動的方向相反，因而起到了制動的作用。理論和實驗證明，制動轉(zhuǎn)矩的大小與直流電流的大小有關(guān)。直流電流的大小一般為電動機額定電流的0.51 倍。這種制動能量消耗小，制動平穩(wěn)，但需要直流電源。RI-+在有些機床中采用這種制動方法。由于受制動電動機電流的影響，直流電流的大小受到限制，別是在工作環(huán)境相對惡劣、三相電動機功率又相對較大的情況下，實施能耗制動有一的困難。要使用能耗制動關(guān)鍵是要選配好直流電源且注意直流電源開關(guān)的使用技術(shù)，切忌誤操作，切忌接線錯誤。在直流能耗制動中直流電動機的電源，一般來自于交流電路，并通過整流獲得，隨著大功率整流集成電路的應(yīng) 圖2.1

11、 能耗制動接線圖用與發(fā)展，電路電流的整流往往由二極管整流向大功率集成電路穩(wěn)壓、整流方向發(fā)展。因此，選擇好功率匹配、電流適中，滿足能耗制動需求電路的設(shè)計，是解決問題的關(guān)鍵。當(dāng)電動機用于起重設(shè)備，特別是機械加工車間的吊裝、移位、運行時，應(yīng)用直流電機反轉(zhuǎn)達到制動目的，因為利用這種方法，一方面穩(wěn)定性能好， 由線路均勻自動輸出直流電壓， 控制直流反轉(zhuǎn)電動機，得到穩(wěn)定的純線性直流電壓，實現(xiàn)電動機反轉(zhuǎn)，制動交流電機。3三相異步電動機的能耗制動方式3.1能耗制動的原理切斷電動機的三相交流電源后，立即在定子繞組中通入一個直流電源，以產(chǎn)生一個恒定的磁場，而因慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組則切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生與慣

12、性轉(zhuǎn)動方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)子起到制動作用。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降至零時，再切除直流電源。這種消耗轉(zhuǎn)子的機械能，并將其轉(zhuǎn)化成電能，從而產(chǎn)生制動力的制動方法，稱為能耗制動法。 3.2能耗制動的設(shè)計3.2.1實驗物品1、 二極管 4個 2、三相異步電動機 1臺3、熔斷器 7個 4、交流接觸器 2個5、熱繼電器 1個 6、按鈕 2個7、滑線變阻器 1個 8、萬用表 1快9、直流電源 1個 10、接線端子板 1組11、電工工具 1套 12、導(dǎo)線 若干3.2.2設(shè)計思路1、繼電接觸器控制大量應(yīng)用于對電動機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、制動等控制。從而使生產(chǎn)機械按規(guī)定的要求動作；同時，也能對電動機和生產(chǎn)機械進行保

13、護。2、能耗制動是把處于電動運行狀態(tài)的電動機定子繞組從三相交流電源上切除，迅速將其接入直流電源，通入直流電流，流過電動機定子繞組的直流電流在電動機氣隙中產(chǎn)生一個靜止的恒定磁場，而轉(zhuǎn)子因慣性繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割恒定磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與恒定磁場相互作用產(chǎn)生電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩，該電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用，使電動機轉(zhuǎn)速迅速下降。3、下圖是能耗制動的的電氣原理圖3.3能耗制動的分析3.3.1能耗制動特點：1）制動作用的強弱與直流電流的大小和電動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，在同樣的轉(zhuǎn)速下電流越大制動作用越強。 一般取直流電流為電動機空載電流的34倍，過大會使定子過熱。2）電動機能耗制動時，制動轉(zhuǎn)

14、矩隨電動機的慣性轉(zhuǎn)速下降而減小，故制動平穩(wěn)且能量消耗小，但是制動力較弱，特別是低速時尤為突出；另外控制系統(tǒng)需附加直流電源裝置。3）一般在重型機床中常與電磁抱閘配合使用，先能耗制動，待轉(zhuǎn)速降至一定值時，再令抱閘動作，可有效實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速停車。4）能耗制動一般用于制動要求平穩(wěn)準(zhǔn)確、電動機容量大和起制動頻繁的場合，如磨床、龍門刨床及組合機床的主軸定位等等。3.3.2能耗制動控制線路切斷電動機的三相交流電源后，立即在定子繞組中通入一個直流電源，以產(chǎn)生一個恒定的磁場，而因慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組則切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生與慣性轉(zhuǎn)動方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)子起到制動作用。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降至零時，再切除直流

15、電源。這種消耗轉(zhuǎn)子的機械能，并將其轉(zhuǎn)化成電能，從而產(chǎn)生制動力的制動方法，稱為能耗制動法。 電路圖運行步驟a)SB2+KM1+(自鎖) M+（正轉(zhuǎn)）N >120r/min-KS+SB1KM1+KM1+KM2+M+（串R反接制動）N <40r/min-KS- KM2 M-b)SB2+KM1+(自鎖) M+（正轉(zhuǎn)）N >120r/min-KS+ SB1+SB1KM1+KM1+SB1+KM2+(自鎖)M+（串R反接制動）N<40r/min-KS- KM2 M-c)手動控制的簡單能耗制動線路，要停車時按下SB1按鈕，到制動結(jié)束放開按鈕（KM2無自鎖）。（復(fù)合按鈕手動控制） d)自

16、動控制，簡化操作。（時間繼電器自動控制切除直流電源） e)圖中直流電源中串接可調(diào)電阻RP，調(diào)節(jié)制動電流大小。 3.3.3三相異步電動機機械特性的表達式物理表達式T=CTJm式中：異步機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)： 異步機每極磁通圖3.2 在不同轉(zhuǎn)速參數(shù)表達式有以上表達式可以畫出機械特性曲線圖3.3所示圖3.3 異步電動機的機械特性圖結(jié)論（1）能耗制動是一種應(yīng)用廣泛的電氣制動方法。該線路的設(shè)計思想是在電動機要停車時切除三相電源的同時，將直流電源接入定子繞組，利用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與靜止磁場的作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，從而達到制動的目的。 （2）由于將直流電源接入定子的兩相繞組，繞組中流過直流電流，產(chǎn)生了一個靜止不動的直流磁場

17、。此時電動機的轉(zhuǎn)子由于慣性作用仍按原來的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割直流磁通，產(chǎn)生感生電流。 （3）在靜止磁場和感生電流相互作用下，產(chǎn)生一個阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的制動力矩，因此電動機轉(zhuǎn)速迅速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至零時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場之間無相對運動，感生電流消失，制動力矩變?yōu)榱?，電動機停轉(zhuǎn)，再將直流電源切除，制動結(jié)束。這種制動方法，實質(zhì)上是把轉(zhuǎn)子原來儲存的機械能，轉(zhuǎn)變成電能，又消耗在轉(zhuǎn)子的制動上，所以稱做能耗制動。心得這次的課程設(shè)計跟我們以前做的實驗不同，因為我覺得這次我是真真正正的自己親自去完成。所以是我覺得這次設(shè)計最寶貴，最深刻的。就是設(shè)計的過程全是我們學(xué)生自己動手來完成的，這樣，我們就必須要弄懂設(shè)計的原理。在這里我深深體會到哲學(xué)上理論對實踐的指導(dǎo)作用：弄懂技術(shù)原理，親自開動腦筋，親自去請教別人才能得到提高的。通過這次課程設(shè)計,使我學(xué)到了不少實用的知識,更重要的是,做設(shè)計的過程,思考問題的方法 ,真正使我們受益匪淺. 通過這次的課程設(shè)計我不但對理論知識有了更加深的理解，對于實際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實驗，我們整體對各個方面都得到了不少的提高，希望以后學(xué)校和系里能夠開設(shè)更多類似的設(shè)計，能夠讓我們得到更好的鍛煉。雖然這次實驗實在端午節(jié)時節(jié)進行，時間不是太充裕，但是我們這組伙伴還