三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、課程設(shè)計(jì)說明書作 者：hh學(xué)號(hào)：jj學(xué) 院：kk專 業(yè):pp題 目： 三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)者：hhhh目錄1、引言 11.1 課程研究背景 11.2 課程研究的價(jià)值 11.3 課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 22、三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 22.1 三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 22.1.1 定子 22.1.2 轉(zhuǎn)子 32.2 三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 43、三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng) 53.1 能耗制動(dòng)的原理 53.2 能耗制動(dòng)的設(shè)計(jì) 63.2.1 電器元件的選擇 63.2.2 計(jì)算與校驗(yàn) 63.2.3 能耗制動(dòng)原理圖 73.3 能耗制動(dòng)的分析 73.3.1 能耗制動(dòng)特點(diǎn) 9 73.3.2

2、 能耗制動(dòng)控制線路 8結(jié)論 8參考文獻(xiàn)： 91、引言1.1 課程研究背景三相異步電動(dòng)機(jī)又稱三項(xiàng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī) ,它的應(yīng)用非常廣泛，幾乎涵蓋了農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)和人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。隨著電氣化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，三項(xiàng)異步電動(dòng) 機(jī)得到了越來越好的控制。而電氣化控制相較其他控制方法而言，更簡潔便于操作，所以應(yīng)用比較廣 泛。本課題的控制是采用 PLC 的梯形圖編程語言來實(shí)現(xiàn)的。梯形圖語言是在可 編程控制器中的應(yīng)用最廣的語言，因?yàn)樗诶^電器的基礎(chǔ)上加進(jìn)了許多功能、 使用靈活的指令，使邏輯關(guān)系清晰直觀，編程容易，可讀性強(qiáng)，所實(shí)現(xiàn)的功能 也大大超過傳統(tǒng)的繼電器控制電路。三相異步電動(dòng)機(jī)切斷電源后，由于慣性作用，轉(zhuǎn)子需要經(jīng)

3、過一定時(shí)間才能 停止旋轉(zhuǎn)，這往往不能滿足有些機(jī)械設(shè)備的工藝要求，造成運(yùn)動(dòng)部件的停機(jī)位 置不準(zhǔn)確，同時(shí)也影響生產(chǎn)效率的提高，因此必須對(duì)電動(dòng)機(jī)采取有效的制動(dòng)措 施。停機(jī)制動(dòng)方法有兩大類，即機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)是采用機(jī)械制 動(dòng)裝置來強(qiáng)迫電機(jī)迅速停止，常用的有電磁抱閘制動(dòng)和電磁離合器制動(dòng)等。電 氣制動(dòng)是使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與原來轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使其迅速停 止常用的有反接制動(dòng)能、耗制動(dòng)等 2 。長期以來，能耗制動(dòng)始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣 的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供 安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需

4、要。由于 能耗制動(dòng)綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，所以它發(fā)展日新月異，大大超出其出現(xiàn) 時(shí)的技術(shù)水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn) 算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量 和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制 10 。1.2 課程研究的價(jià)值特別是超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展以及信息、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，擴(kuò)大了 能耗制動(dòng)的功能，使其具有很強(qiáng)的的聯(lián)網(wǎng)通訊能力，從而更廣泛地應(yīng)用于眾多 行業(yè)，不管是農(nóng)業(yè)還是工業(yè)，都有著舉足輕重的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與不斷進(jìn)步，電氣工程與自動(dòng)化技術(shù)正以令人矚目的 發(fā)展快速的改變著我國的工業(yè)基礎(chǔ)整體面貌。與此同時(shí)，該技術(shù)的

5、不斷發(fā)展，對(duì)社會(huì)的生產(chǎn)方式、人們的生活方式和思 想觀念也產(chǎn)生了重大的影響，并在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，它正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展。1.3課程設(shè)計(jì)的任務(wù)1. 設(shè)計(jì)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2. 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3. 要求三相異步電動(dòng)機(jī)停機(jī)后迅速切除電源2、三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.1三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)7。三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成，定子是靜止不動(dòng)的部 分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的部分，在定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的空隙，如圖4.1所示圈三相異歩電動(dòng)機(jī)的結(jié)悔曲2 彈贊片3軸承轎蓋9龍子纜組G機(jī)座7定子怏芯2

6、.1.1 定子定子由鐵芯繞組及機(jī)座組成定子鐵芯是磁路的一部分，它由0.5毫米的硅鋼片疊壓而成一個(gè)整體固定 于機(jī)座上，片與片之間是絕緣的，以減少渦流損耗。定子鐵芯的圓沖有定子 槽，槽中安放線圈如圖4.2所示。定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分。三相電動(dòng)機(jī)的定子繞組分為3個(gè)部分對(duì)稱地分布在定子鐵芯上，稱為三相繞組，分別用AX、BY、CZ表示，其中A、B、C稱為首端，X、丫、Z稱為末端，三相繞組接入三相交流電源，三相繞組中 的電流在定子鐵芯中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。機(jī)座主要用來固定與支撐定子鐵芯。中小心型異步電動(dòng)機(jī)一般采用鑄鐵機(jī) 座。根據(jù)不同的冷卻方式采用不同的機(jī)座。2.1.2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由鐵芯和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵芯也是電

7、動(dòng)機(jī)磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成為一個(gè)整體裝在轉(zhuǎn) 軸上。轉(zhuǎn)子鐵芯的圓沖有轉(zhuǎn)子槽，槽中安放線圈如圖 4.2所示。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子多采用繞線式和鼠籠式兩種形式。因此異步電動(dòng)機(jī)按繞組 形式的不同分為繞線異步電動(dòng)機(jī)和籠型異步電動(dòng)機(jī)兩種。繞線電動(dòng)機(jī)和籠形電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但工作原理是一致的。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流 及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是由線圈組成，三相繞組對(duì)稱放入轉(zhuǎn)子鐵芯槽。 轉(zhuǎn)子繞組通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻，用以改善啟動(dòng)性 能與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如圖4.3所示。囲13繞拔式轉(zhuǎn)子蠱組與外接變齟器的連接1滑環(huán)轉(zhuǎn)子斑粗2軸馭電刷4-確阻毎定于和轉(zhuǎn)子的硅輛片r定子鐵芯

8、徒鋼片2-定予疑組 轉(zhuǎn)子鐵茜硅鋼片4轉(zhuǎn)子燒組籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵芯槽里插入銅條，再將全部同條兩端 焊在兩個(gè)同端環(huán)上組成，如圖4.4所示。小型鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組多用鋁離心澆鑄 而成，轉(zhuǎn)子鐵芯如圖4.5所示。團(tuán)L3NZcs(b)1 s2.2三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，基于定子旋轉(zhuǎn)磁場（定子繞組三項(xiàng)電流所產(chǎn)生 的合成磁場）和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組的電流）的相互作用。如圖4.13（a）所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組（各相差 120度電角度），通入三相對(duì)稱交流電 后，將產(chǎn)生一個(gè)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

9、定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn) 生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn) 方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。如圖 4.13（ b）所示。（fl）繞組 W外形圖也】3三相異步電動(dòng)機(jī)接繪圖和工作原理圖（a）定子繞組導(dǎo)電源的接線圖（時(shí)工作原理圖4.5轉(zhuǎn)子鐵芯亂籠式轉(zhuǎn)子3、三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)3.1能耗制動(dòng)的原理異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的電路原理圖一般如圖 4.45 （a）所示。進(jìn)行能耗制 動(dòng)時(shí)，首先將定子繞組從三相交流電源斷開（KM1斷開），接著立即將一低壓 直流電源接入定子繞組（KM2閉合）。直流電流通過定子繞組后，在電動(dòng)機(jī)部 建立一個(gè)固定不變的磁場，由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存的機(jī)械能作用下繼

10、續(xù)旋 轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，該電流與恒定磁場相互作用產(chǎn)生作 用方向與轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在它的作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速 下降，此時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存的機(jī)械能被電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能后消耗在轉(zhuǎn)子電路的電 阻中。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖 4.45（ b）所示。制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)從特性曲 線1的a點(diǎn)平移至特性曲線2的b點(diǎn)，在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同作用下， 沿特性曲線2迅速減速。直到n等于0為止，當(dāng)n等于0時(shí)，T等于0。所 以，能耗制動(dòng)能準(zhǔn)確停車，不像電源反接制動(dòng)那樣，如不及時(shí)切斷電源會(huì)使電 動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，不過當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止后不應(yīng)再接通直流電源，因?yàn)槟菢訉?huì)燒壞電子 繞組8。另外，制動(dòng)的后階段

11、隨著轉(zhuǎn)速的降低能耗制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很快減小，所以 制動(dòng)較平穩(wěn)，但制動(dòng)效果比電源反接制動(dòng)差?？梢杂酶淖兌ㄗ觿?lì)磁電流If或轉(zhuǎn)子電路串接附加電阻繞線異步電動(dòng)機(jī)的大小來調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)的 強(qiáng)弱，由于制動(dòng)時(shí)間很短，所以通過定子的直流電流If可以大于電動(dòng)機(jī)的電子額定電流，一般取If= （23） Iin(b)圖4.45能耗制動(dòng)時(shí)電路原理團(tuán)和機(jī)械特性（”電路原理圖（小機(jī)械特性3.2能耗制動(dòng)的設(shè)計(jì)3.2.1電器元件的選擇1.三相異步電動(dòng)機(jī)2.接觸器FR3.熱繼電器FU4.開關(guān)SB5.時(shí)間繼電器KT6.滑動(dòng)變阻器R7.整流裝置8.變壓裝置9.繼電器KM10.二極管11.熱敏電阻PTC設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)自選，其主要

12、參數(shù)為:型號(hào)gkWLVV満載時(shí)丁 石»? (r min)/n/A貂1Y132S G396012. B/7.20, 752,02.03.2.2計(jì)算與校驗(yàn)?zāi)芎闹苿?dòng)的強(qiáng)弱與通入直流電的大小和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)系。在同樣轉(zhuǎn)速下，直流越大制動(dòng)作用越強(qiáng)，一般直流電為電動(dòng)機(jī)空載電流的 3-4倍。電機(jī)的 空載電流按不同磁極有所不同的，空載電流與額定電流之比有一定的關(guān)系：2極：2030% 6極：3550% 4極：3045% 8極：3560%所以先根據(jù)電機(jī)磁極數(shù)和額定電流計(jì)算出空載電流I,然后算出電機(jī)兩相之間的電阻R，根據(jù)歐姆定律，即可計(jì)算出直流電壓：U=3IR。知道了電機(jī)兩相電阻，和直流電壓，可以根據(jù)自己

13、的需要來選擇限流電阻了，想要直流電流為， 則=U/ (R+)，和U,R已知，就可以計(jì)算出了。已知技術(shù)參數(shù)和條件，根據(jù)電機(jī)數(shù)據(jù)可得：P=60f/n0=3，確定電機(jī)是6極的。額定定子線電流為=12.8A，所以取空載電流I=X40%=5.12A。制動(dòng)時(shí)的直 流電流為3I=15.36A。再算電機(jī)定子相電阻。由=(-)/Ns=0.04, R=0.95/,所以可 以算出R=0.65 Q。再確定經(jīng)整流后的電壓。因?yàn)椴捎玫氖菢蚴秸?，任意兩?電流電壓=220V，整流電路輸出電壓平均值 U=0.9=198V。制動(dòng)時(shí)的電流由上 面可知為15.36A。所以選的可調(diào)電阻最小=(U/3I)-R=12.24 Q。故可調(diào)

14、阻12.24 Qo因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)制動(dòng)直流電流為15.36A，故橋式電路中所選二極管流過的電流為0.5 X 15.36=7.68A,其所能承受的電壓為X 198=225.8V。二極管應(yīng)選承 受的最大電流大于7.68A,最大電壓大于226V。交流繼電器和時(shí)間繼電器應(yīng)該 是能受的最大電壓大于130V。直流電壓為：U=3IR=9.984V。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取定時(shí)器(1.5-2s) /kw，所以定時(shí)器取TON,T37,設(shè)置參數(shù)453.2.3能耗制動(dòng)原理圖能耗制動(dòng)原理圖如下：由于延時(shí)繼電器在延時(shí)所設(shè)置的時(shí)間后便自動(dòng)斷開主觸點(diǎn)，所以不用擔(dān)心 電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)依然接入直流電源的問題。3.3能耗制動(dòng)的分析3.3.1能耗

15、制動(dòng)特點(diǎn)9制動(dòng)作用的強(qiáng)弱與直流電流的大小和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，在同樣的轉(zhuǎn)速下電 流越大制動(dòng)作用越強(qiáng)。一般取直流電流為電動(dòng)機(jī)空載電流的34倍，過大會(huì)使定子過熱。電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電動(dòng)機(jī)的慣性轉(zhuǎn)速下降而減小，故 制動(dòng)平穩(wěn)且能量消耗小，但是制動(dòng)力較弱，特別是低速時(shí)尤為突出；另外控制 系統(tǒng)需附加直流電源裝置。一般在重型機(jī)床中常與電磁抱閘配合使用，先能耗 制動(dòng)，待轉(zhuǎn)速降至一定值時(shí)，再令抱閘動(dòng)作，可有效實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速停車。能 耗制動(dòng)一般用于制動(dòng)要求平穩(wěn)準(zhǔn)確、電動(dòng)機(jī)容量大和起制動(dòng)頻繁的場合，如磨 床、龍門刨床及組合機(jī)床的主軸定位等等。332能耗制動(dòng)控制線路切斷電動(dòng)機(jī)的三相交流電源后，立即在定子繞組入一

16、個(gè)直流電源，以產(chǎn)生 一個(gè)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(dòng)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)轉(zhuǎn)子起到制動(dòng)作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降 至零時(shí)，再切除直流電源。這種消耗轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化成電能，從而 產(chǎn)生制動(dòng)力的制動(dòng)方法，稱為能耗制動(dòng)法 。啟動(dòng)控制：按下SB2KM1線圈得電t 制動(dòng)控制：需停時(shí)間一 I” '(SB2常開觸點(diǎn)，丙合-KT線圈得電延時(shí)rKMl主觸點(diǎn)新開-電動(dòng)機(jī)脫離交濾電源學(xué)(KM2常輔助觸點(diǎn)斷幵-互鎖-'KM1輔常閉觸點(diǎn)閉合-KM2線圈得電-IKM2主觸點(diǎn)閉合電動(dòng)機(jī)定子繞組通入直流電里.(KM2常幵觸點(diǎn)閉合t與KT常幵觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)麻合目鎖K

17、T延時(shí)斷開常閉觸點(diǎn)斷開 KM2線圈斷電tt(KM2主觸點(diǎn)斷開-能耗制動(dòng)結(jié)束-電幼機(jī)自由停車至霧t 1KM2輔助常幵觸點(diǎn)斷幵-KT絃圈斷電結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)主意為：設(shè)計(jì)一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的主電路和控制 電路。一開始我以為這個(gè)課程設(shè)計(jì)很容易完成，因?yàn)檫@學(xué)期剛學(xué)的PLC書上有這個(gè)講解，現(xiàn)成的控制電路圖和主電路，需要的圖我都可以在書上找到然后用 手機(jī)軟件掃描下來，粘貼到 word。所以我就放心大膽地去做了。后來重新看 課程設(shè)計(jì)的要求才知道，不僅是要設(shè)計(jì)系統(tǒng)，還要針對(duì)某一具體電動(dòng)機(jī)選定滑 動(dòng)變阻器阻值產(chǎn)生某一具體直流電流來產(chǎn)生反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，這就牽扯到一系列的計(jì) 算。好在后來查到了有關(guān)資料，算出了相應(yīng)的

18、參數(shù)，成功解決了問題。再來還 需設(shè)定具體的時(shí)間繼電器的定時(shí)時(shí)間，保證在電機(jī)完全停止或停止之前時(shí)間繼 電器開始工作，斷開主觸點(diǎn)的開關(guān)。雖然要求說的是：電動(dòng)機(jī)在速度為零的時(shí) 候迅速切斷電源，本來我是想用速度繼電器來完成這個(gè)任務(wù)的，但查閱資料后 發(fā)現(xiàn)沒有哪種速度繼電器能滿足這個(gè)要求，所以只能通過設(shè)定時(shí)間繼電器，在 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之前斷開主觸點(diǎn)，切斷電源。在網(wǎng)上查了資料后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 來說 ,能耗制動(dòng)大概是 (1.5-2s)/kw 9 ,所以我選擇通電延時(shí)的時(shí)間繼電器，定時(shí) 4.5 秒。因?yàn)閿嚅_電源越早越好，所以定時(shí)時(shí)間宜短不宜長，就取 1.5s/kw ，電 動(dòng)機(jī)額定功率 3kw ，定時(shí) 4.5 秒就應(yīng)該斷開了。還有就是主電路要過流保護(hù)，這個(gè)對(duì)我來說比較生疏，而過載保護(hù)過熱保 護(hù)是比較熟悉的。之后查閱資料之后發(fā)現(xiàn)在主電路中串聯(lián)PTC 熱敏電阻 1就能完成過熱保護(hù)了。這些問題也就得到了解決。參考文獻(xiàn)：1 廣鴻,過榮霞等 .小型三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) D.: 坦克學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 ,20022 黎覺鋼 . 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制簡述 J. ISSN： 1673-8918,2011,(13):190-1913 羅