三相異步電動機能耗制動系統(tǒng)

1、電機與拖動課程設(shè)計說明書電機與拖動課程設(shè)計三相異步電動機能耗制動系統(tǒng)System of three phase asynchronous motor energy consumption braking 學(xué)生姓名 劉慶 _ 學(xué)生學(xué)號 20120501157 學(xué)院名稱 信電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)老師 韓成春 2015 年 1月 22日15摘要本文介紹了基于三相異步電動機的制動方法能耗制動。正常運行的電動機，切斷電動機定子側(cè)的三相交流電源，并將電動機的定子繞組任意兩相出線端接到直流電源上，則直流電源將在定子內(nèi)形成固定磁場，轉(zhuǎn)子靠慣性旋轉(zhuǎn)并切割此固定磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中

2、產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并形成感應(yīng)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)，這個過程就是能耗制動。關(guān)鍵詞 三相異步電動機；能耗制動；直流電源；制動轉(zhuǎn)矩；定子繞組目 錄1、緒論31.1 課題研究背景31.2 課題研究意義31.3 課程設(shè)計的目的和任務(wù)32、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理32.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)32.2三相異步電動機的工作原理32.2.2 轉(zhuǎn)差率33、三相異步電動機的能耗制動33.1三相異步電動機能耗制動的原理33.2三相異步電動機能耗制動電路33.3 能耗制動過程分析34、三相異步電動機的選取和制動參數(shù)的計算

3、34.1三相異步電動機的型號34.3計算直流電壓、電流以及串入電路的電阻值34.4制動時間的確定3結(jié)論3心得3參考文獻3附錄3附錄13附錄23致謝31、緒論1.1 課題研究背景異步電動機主要用作電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是國民經(jīng)濟各行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最廣泛的電動機，為多種機械設(shè)備和家用電器提供動力。例如機床、中小型軋鋼設(shè)備、風(fēng)機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等，大都采用三相異步電動機拖動；電風(fēng)扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)器等家用電器中則廣泛使用單相異步電動機。異步電動機也可作為發(fā)電動機，用于風(fēng)力發(fā)電廠和小型水電站等。三相交流異步電動機是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電力拖動裝置。它主要

4、由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是靜止不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙。對定子繞組通往三相交流電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并切割轉(zhuǎn)子，獲得轉(zhuǎn)矩。三相交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。1.2 課題研究意義正是因為三相異步電動機的大量使用，一旦發(fā)生故障將造成生產(chǎn)和生活的巨大損失，所以三相異步電動機的的控制就顯得極為重要。其中電動機的制動方面自然而然的就成為人們研究的熱門課題。三相異步電動機的制動方法有很多種，本文將重點分析三相異步電動機的能耗制動方式。1.3 課程設(shè)計的目的和任務(wù)（1）掌握電機相關(guān)的基礎(chǔ)知識（2）學(xué)會

5、將理論知識轉(zhuǎn)化為實際操作的能力（3）掌握三相異步電動機能耗制動的的工作原理及方法（4）設(shè)計出能夠應(yīng)用與實際的電動機能耗制動的系統(tǒng) 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)定子由鐵心、繞組與機座三部分組成。轉(zhuǎn)子由鐵心與繞組組成，轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和線繞式。鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成；線繞式轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽里。鼠籠式與線繞式兩種電動機雖然結(jié)構(gòu)不一樣，但工作原理是一樣的。 圖2-1鼠籠式三相異步電動機 圖2-2 繞線式三相異步電動機2.2三相異步電動機的工作原理2.2.1旋轉(zhuǎn)磁場定子三相繞組通入三相

6、交流電即可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)三相電流不斷地隨時間變化時，所建立的合成磁場也不斷地在空間旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與三相電流的相序一致，任意調(diào)換兩根電源進線，則旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)。 圖2-3 三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場若定子每相繞組由P個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間互差360°/P，將形成P對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）可用下式表示： 式(2.1)定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向由“右手螺旋定則”確定。由于轉(zhuǎn)子繞組自身閉合，便有電流流過，并假定電流方向與電動勢方向相同，如下圖： 圖2-4 轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生電

7、磁力，其方向由“左手螺旋定則”判斷。該力對轉(zhuǎn)軸形成轉(zhuǎn)矩(稱電磁轉(zhuǎn)矩)，并可見，它的方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(即電流相序)一致，于是，電動機在電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動下，順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，且一定有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。有轉(zhuǎn)速差是異步電動機旋轉(zhuǎn)的必要條件，異步的名稱也由此而來。電動機長期穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T和機械負載轉(zhuǎn)矩T2相等，即T=T2。由此可知，三相異步電動機的工作原理可以簡述為：定子三相電壓產(chǎn)生定子三相電流，三相電流通過定子三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，由于轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場存在著相對運動，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。由于轉(zhuǎn)繞組是閉合的，因而產(chǎn)生了感應(yīng)電流，與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩T，從而使轉(zhuǎn)子拖動生產(chǎn)機械以轉(zhuǎn)

8、速n運轉(zhuǎn)。2.2.2 轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相差的程度。用符號s表示，轉(zhuǎn)差率的計算公式為： 式(2.2)在正常運行范圍內(nèi)，異步電動機的轉(zhuǎn)差率很小，僅在001-006之間。3、三相異步電動機的能耗制動三相電動機在切斷電源后，由于慣性，總要經(jīng)過一段時間才能完全停止。有時候，要求電機在斷電后能迅速而又準(zhǔn)確的停止運轉(zhuǎn)，這就需要對電動機進行制動。制動方法大致可分機械制動和電氣制動兩類。常用的機械制動裝置有電磁抱閘和電磁離合器兩種。電氣制方法有反接制動、能耗制動、回饋制動和電容制動等。能耗制動具有制動準(zhǔn)確可靠、能耗少、制動

9、轉(zhuǎn)矩平滑、對電網(wǎng)及機械設(shè)備沖擊小等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。能耗制動消耗的能量較少，制動所需電流小。能耗制動的效果與通入定子繞組的電流的大小和電動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，在轉(zhuǎn)速一定時，直流電流越大，制動效果越好，所以能耗制動適合一些電動機容量較大的環(huán)境，要求制動平穩(wěn)的場合。不足的地方是，在電機低速時制動力矩也隨之減小，制動效果并不理想。3.1三相異步電動機能耗制動的原理能耗制動方法是將正常運行的電動機，切斷電動機定子側(cè)的三相交流電源，并將電動機的定子繞組任意兩相出線端接到直流電源上，則直流電源將在定子內(nèi)形成固定磁場，轉(zhuǎn)子靠慣性旋轉(zhuǎn)并切割此固定磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并形成感應(yīng)電流，此電流與

10、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)，這個過程就是能耗制動。3.2三相異步電動機能耗制動電路(a)能耗制動主電路部分 (b)能耗制動控制電路部分圖3-1 能耗制動電路原理圖圖3-2 能耗制動電路實物圖圖3.1（a）為能耗制動的控制電路。圖中，KM1為單向運行接觸器，KM2為能耗制動接觸器，TC為整流變壓器，VC為橋式整流電路，R為能耗制動滑動變阻器。圖3.1（b）為單向運行能耗制動控制電路。電動機啟動時，合上電源開關(guān)SQ，按下啟動按鈕SB2,接觸器KM1的線圈得電吸合，KM1的主觸點閉合，電動機啟動運轉(zhuǎn)。3.3 能耗制動過程分

11、析停車時，按下停止按鈕SB1，接觸器KM1的線圈失電釋放，接觸器KM2和時間繼電器KT的線圈得電吸合，KM2的主觸點閉合，電動機定子繞組通入全波整流脈動直流電進入能耗制動狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)速接近于零時，KT的動斷觸點延時斷開，接觸器KM2的線圈失電釋放，KM2的主觸點斷開全波整流脈動直流電源，電動機能耗制動結(jié)束。圖中KT的瞬時常開觸點的作用是為了防止發(fā)生時間繼電器線圈斷線或者機械卡住故障時，電動機在按下停止按鈕SB1后仍能夠迅速制動，兩相的定子繞組不至于長期接入能耗制動的直流電源。所以，在KT發(fā)生故障后，該電路具有手動控制能耗制動的能力，即只要停止按鈕處于按下狀態(tài)，電動機就能夠?qū)崿F(xiàn)能耗制動。

12、能耗制動的制動效果與定子直流電流I的大小有關(guān)。I大，產(chǎn)生的恒定磁場大，制動轉(zhuǎn)矩T大，制動快，I的大小可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R來實現(xiàn)。能耗制動時的特性曲線如圖所示：圖3-3 能耗制動時的機械特性4、三相異步電動機的選取和制動參數(shù)的計算4.1三相異步電動機的型號本次課程設(shè)計選用一臺Y2-160M-4籠型7.5kW的三相異步電動機。電動機的各項參數(shù)見表2-1：表2-1 Y2-160M-4籠型三相異步電動機的相關(guān)參數(shù)型號額定功率(kW)額定電壓(V)額定電流(A)額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定頻率(Hz)Y2-160M-4753801441460504.2制動參數(shù)的計算能耗制動時，所需的直流電流和直流電壓

13、可按照下列式子進行計算：直流電壓的計算為： 式(4.1)直流電流的計算為： 式(4.2)籠型電動機為： 式(4.3)繞線型電動機為： 式(4.4)式中 電動機的空載電流（A）；電動機額定電流（A）；、分別為直流電壓（V）和直流電流(A)；接入直流電源的定子繞組在時電阻值（）。 空載電流可以通過實驗測得也可以下列關(guān)系估算得到，空載電流與額定電流之比有如下關(guān)系：2極：20%-30%4極：30%-45%6極：35%-50%8極：35%-60%磁極對數(shù)的計算公式： 式(4.5)式中 p磁極的對數(shù)。定子繞組的電阻值既可以在實驗室用萬用表測量出來也可近似用一下公式求出： 式(4.6) 式(4.7) 利用已

14、知電機相關(guān)參數(shù)計算得到結(jié)果后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的電阻來達到改變電路中的電流和電壓值，以便達到合理的制動效果。 4.3計算直流電壓、電流以及串入電路的電阻值磁極對數(shù)： 式(4.8)所以磁極為6極?？蛰d電流： 式(4.9)制動時直流電流： 式(4.10)額定轉(zhuǎn)差率： 式(4.11)定子側(cè)電阻： 式(4.12)制動時的直流電壓： U=IR=225.8V 式(4.13)因為整流變壓器一次側(cè)的電壓為，整流電路輸出的電壓平均值為： 式(4.14)由于制動時的直流電流為I=151.2A，所以電路中的總電阻為： 式(4.15)串入直流電路中的電阻為： 式(4.16)所以將滑動變阻器的電阻值調(diào)到便可以滿足能耗制動

15、的要求。當(dāng)然為了保護電機，制動電阻的阻值一般偏大一些。4.4制動時間的確定能耗制動的制動電阻的大小對制動時間的影響如下：(1) 電阻越小，制動電流越大，制動得時間越短；(2) 反之，電阻越大，制動電流越小，制動時間越長。在實驗室中，可以通過多次實驗然后找出他們的近似關(guān)系。首先保持制動是的直流電源電壓一定，然后調(diào)節(jié)值得大小就可以改變制動磁場的強度，從而改變制動轉(zhuǎn)矩，獲得不同的制動時間。為了尋找的關(guān)系，可以借助實驗的方法，通過測試不同制動電阻時的制動時間，可獲取的多組實驗數(shù)據(jù)。采用最小二乘原理對這些數(shù)據(jù)進行擬合或者通過實驗數(shù)據(jù)畫出圖形求出之間的近似關(guān)系，就可以得出擬合曲線的方程。例如圖4-1。圖4

16、-1 的擬合曲線當(dāng)我們得到電路中所需串入的能耗制動電阻的大小后，就可以通過擬合曲線方程算出制動所需的時間，然后再通過時間繼電器進行時間的設(shè)定。結(jié)論經(jīng)過一系列的比較與分析，三相異步電動機的能耗制動相比于不加制動的系統(tǒng)，極大的縮短了電機從斷開電源到完全停止運行的時間，這也就為生產(chǎn)生活中使用三相異步電動機的安全性能得到了很大的提高。能耗制動對于其他制動系統(tǒng)來說，它能耗少、對電網(wǎng)及機械設(shè)備沖擊小，這對于廣泛被使用的三相異步電動機來說節(jié)省了大量能源和資源，也對電機起到一定的保護作用，增加電機的使用壽命。對于一些對電機制動準(zhǔn)確性要求比較高的的環(huán)境，能耗制動就顯得尤為重要。不同的環(huán)境和對電機的不同性能的要求

17、，決定了我們對不同的制動方法進行選擇。由于能耗制動適合一些電動機容量較大的環(huán)境，要求制動平穩(wěn)的場合，所以在這種情況時我們可以采用能耗制動。其他情況可以選擇其他的制動方式，這樣才能發(fā)揮每種制動方式最大的優(yōu)勢。心得通過本次課程設(shè)計，鍛煉我很多方面的能力。首先，面對一個陌生的題目應(yīng)該如何運用自己所學(xué)過的知識將其解決；其次，這也能檢驗我能否將所學(xué)過的理論知識運用到實際生活當(dāng)中去，這也是當(dāng)前很多學(xué)生所面臨的問題；然后，學(xué)會怎樣在遇到問題時從網(wǎng)上和相關(guān)的書上查找資料，進而運用它解決問題。在剛開始看到題目時真的是無從下手，到處都是問題，不知道先解決哪一個和怎么解決。后來向?qū)W長請教、與同學(xué)們討論、參考網(wǎng)上的相

18、關(guān)論文，慢慢開始找到思路和方法；然后從最基礎(chǔ)的問題進行分析進而逐個進行擊破。中間肯定會遇到一些自己沒有想到的難題，幾乎是一點思路都沒有，不過在和同學(xué)的談?wù)摦?dāng)中突然找到思路，然后開始查閱各種資料去找尋解決問題的不同方法，最終確定一個最佳的方案。課程設(shè)計就像一門課程一樣，我認識到自己必須有足夠扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，因為只有這樣才能在解決問題時文思泉涌，達到游刃有余的境界。與他人進行討論固然很重要，不過遇到難題首先要獨立思考才是一種好的學(xué)習(xí)和認知的習(xí)慣；動手能力同樣是必不可少的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有親自進行進行實驗操作，才能知道自己的理論拖到結(jié)果有沒有出錯。實際情況往往和理論推導(dǎo)存在不少誤差，實際操作過后再進行理論修改是理論更符合實際的情況，這樣才能使我們所學(xué)的知識更有實用價