異步電動機能耗制動

1、1 緒論1.1前言異步電機是一種交流電機，也叫感應電機，主要做電動機使用。廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如機床，水泵，冶金，礦山設(shè)備輕工業(yè)機械設(shè)備等都用它作為原動機，其容量從幾千瓦到幾千千瓦。異步電機主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子相數(shù)有單相和三相兩類。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.

2、5mm硅鋼片沖制后疊壓而成。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。異步電機之所以得到廣泛應用，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,

3、 是通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。當轉(zhuǎn)子由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)時, 其導體切割此磁場便感應電流并產(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。能耗制動是籠型電動機的制動方法之一，本設(shè)計就能異步電動機耗制動做下簡要的探討。2能耗制動線路設(shè)計2.1能耗制動原理RI-+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

4、電流與固定磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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。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

5、集成電路的應 圖2.1 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。2.2能耗控制主體電路介紹根據(jù)能耗制動原理以及課題給出的技術(shù)參數(shù)可以大致設(shè)計出三相籠型異步電動機能耗制動的線路圖，所需要元件如表2.1。圖2.2為籠型電動機能耗制動的控制總

6、體線路。下面就其主體電路部分做一下介紹。其中A,B,C是線電壓為380V的三相電源。FU1是熔斷器，用來保護電機，一旦出現(xiàn)功率長時間超過規(guī)定的最大負載時FU1會熔斷切斷電源，使整個線路斷電，電機停止工作。FR1是熱繼電器，熱繼電器是防止電路過載，由于頻繁啟動或缺相，造成電流過大 但還未到熔斷器動作的時候，反時間限制，這時熱繼電器的金屬片由大電流積蓄熱量，拉動拉桿保護電動機熔斷器起短路保護。最下面接的是符合課題技術(shù)參數(shù)的籠型異步電機。至于用于提供制動時的直流電流是由三相電源任意兩相經(jīng)過橋式整流后的到，在橋式整流電路中串接一個可變電阻，通過調(diào)節(jié)電阻調(diào)節(jié)制動電流從而達到滿足制動要求。KM1KM2KT

7、SB1FU1FR1FR1A B CFU1SB2KM1KTKM2KM1 M 3 R1能耗控制電路控制電路部分能耗制動電路主體部分圖2.2 能耗制動電路從控制線路原理分析，按下SB2 按鈕在電動機開始起動的瞬間，KM1接觸器的線圈、時間繼電器KT的線圈同時通電,接觸器和時間繼電器同時動作而吸合，吸合時間一般都為幾毫秒到幾十毫秒，但兩者的吸合時間是有差異的，為接觸器的全行程比時間繼電器大，磁系統(tǒng)動作靈敏度比時間繼電器低，因此吸合時間比時間繼電器長，尤其對于大容量的接觸器而言， 動作吸合時間比時間繼電器可能大幾十毫秒，這就使得時間繼電器延時斷開的動合觸點在SB2按下的瞬間先于KM1的動合觸點接通，使得

8、KM2的線圈瞬間也得電接通，很有可能造成KM2觸頭閉合，使直流電流通入定子繞組( 在KM1吸合后，隨著KM1輔助常閉觸點的斷開，KM2線圈斷電，當然這個過程很短暫) 。就是說，電動機開始起動的瞬間也處于瞬間的制動過程，則會增加起動電流，縮短接觸器的使用時間。元件名稱數(shù)量二極管4個 三相異步電動機1臺熔斷器5個交流接觸器2個時間繼電器1個熱繼電器1個按鈕2個可調(diào)電阻器1個萬用表1塊380V三相電源 1個接線端子板1組電工工具1套導線若干表2.1 元件清單2.3能耗控制電路初選及改進 KM1斷電KM斷電電動機脫離電源KM2通電制動開始延時KM2斷電制動結(jié)束按下SB1初步設(shè)計的籠型電動機能耗制動的控

9、制線路見圖2.3, 其中采用了斷電延時的時間繼電器KT 的一個延時斷開的動合觸點，在制動時, 線路的動作次序如下:圖2.3籠型電動機能耗制動的控制線路針對以上控制線路的不足,提出了一種改進方法: 增加一對KM1 輔助常開觸頭, 用于對KT 時間繼電器進行單獨控制。改進后的主電路與原電路相同, 電路如（圖2.4），在改進后的控制電路中, 接觸器KM2 的線圈只有在制動即按下SB1 停止按鈕,接觸器KM1 斷電后才能得電, 杜絕了按下SB2 起動按鈕, 在起動過程中KM2 得電的可能性。在起動的瞬間, 按下SB2 起動按鈕, KM1 接觸器線圈得電, KM1接觸器的主觸頭閉合, 電動機與三相電源接

10、通開始起動; 同時KM1 接觸器的輔助常開觸頭接通、輔助常閉觸頭斷開, 這時時間繼電器KT 線圈才得電, KT的一個延時斷開的動合觸頭接通, 在起動過程中KM2 的線圈始終不得電, 從而避免了在電動機開始起動的瞬間也處于瞬間的制動過程, 與原有制動控制線路相比較, 減小了起動電流, 在一定程度上延長了接觸器的使用壽命, 改善了電動機的起動性能( 過大的起動電流在短時間內(nèi)會在線路上造成較大的電壓降落,使負載端的電壓降低, 影響鄰近負載的正常工作)。KM1FR1KTKM1KM1KM1KM1KM2KTSB2SB1FU2FU1KM2FR1A B CM3R1圖2.4 改進后的總體電路圖其中，F(xiàn)1是熱繼電

11、器，次元件作用已經(jīng)在上文主電路中介紹過。FU2是熔斷器也在主電路中介紹了。SB1和SB2分別是常閉和常開按鈕，在無人為情況下是分別保持閉合和斷開的。KT是時間繼電器，作用是在制動結(jié)束后斷開經(jīng)整流的直流電源結(jié)束制動。KM1和KM2是電磁繼電器。有線圈和觸點組成，觸電有常閉和常開之分。當線圈得電時常閉觸點斷開，常開觸點閉合。根據(jù)以上介紹可以明白控制電路的分析了。3 能耗制動控制電路參數(shù)計算3.1耗制動狀態(tài)機械特性 異步電動機原來在圖3.1所示的A點運行，相應于電動機固定負載下正常運轉(zhuǎn)，為了迅速停車，馬上進行能耗制動，即電動機脫離電網(wǎng)時，立即在定子兩相內(nèi)接入直流電源，在定子內(nèi)形成一固定磁場，轉(zhuǎn)子由于

12、慣性繼續(xù)運轉(zhuǎn)，導體切割磁場，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。能耗制動時的機械特性如圖3.1所示。當轉(zhuǎn)子內(nèi)電阻增加而直流勵磁電流不變時產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速也增加，但最大轉(zhuǎn)矩保持不變，如圖曲線1，3所示，特性3對應串聯(lián)電阻較大時。當轉(zhuǎn)子電阻不變而直流勵磁電流增加時，產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速不變，但最大轉(zhuǎn)矩將增大，如圖中特性曲線1，2所示，特性2對應直流勵磁電流較大時。圖3.1 異步電動機能耗制動機械特性曲線3.2相異步電動機機械特性的三種表達式（1）物理表達式T=CTJm式中：異步機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)： 異步機每極磁通由以上各式可以得到圖3.2（2）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（3）實用表達式若忽略R1可

13、以得到表達式 ）KM1FR1KTKM1KM1KM1KM1KM2KTSB2SB1FU2FU1KM2FR1A B CM3R式子中各參數(shù)的含義如下Tm最大轉(zhuǎn)矩，Sm是臨界轉(zhuǎn)差率，n0是空載轉(zhuǎn)矩，nN是額定轉(zhuǎn)速，SN是額定轉(zhuǎn)差率，KT是過載倍數(shù)。圖3.2 在不同轉(zhuǎn)速 圖3.3 異步電動機的機械特性圖3.3有關(guān)參數(shù)的計算（1）可調(diào)電阻的計算能耗制動的強弱與通入直流電的大小和電動機轉(zhuǎn)速有關(guān)系。在同樣轉(zhuǎn)速下，直流電越大制動作用越強，一般直流電為電動機空載電流的34倍。電機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

14、根據(jù)電機磁極數(shù)和額定電流計算出空載電流I（也可：以用卡流表測空載電流），則制動直流電流為（3-4）I，然后用萬用表測量電機兩相之間的電阻R（也可以計算得出），根據(jù)歐姆定律，即可計算出直流電壓：U=3IR。知道了電機兩相電阻，和直流電壓，可以根據(jù)自己的需要來選擇限流電阻R1了，即你想要直流電流為I限，則I限=U/（R+R1)，I限和U,R已知，就可以計算出I限了。已知技術(shù)參數(shù)和條件，籠型電動機的數(shù)據(jù)：PN=75kW，U1N=380V，nN=1460r/min，I1N=144A，U2N=399V，I2N=116A，KT=2.8。由nS=60f1 / P，nS=1500 r/min,頻率是50HZ，

15、從而可以算出P=2，確定給定電機是4極的。額定定子線電流為I1N=144A，所以取空載電流 I=I1N30%=43.2A。制動時的直流電流為3I=129.6A。再算電機定子相電阻。由SN=(nS- nN) / nS R=0.95 U1N SN /3 I1N 所以可以算出R=0.039。再確定經(jīng)整流后的電壓。因為采用的是橋式整流，任意兩相電流電壓U0=220V，整流電路輸出電壓平均值U=0.9U0=198V。制動時的電流由上面可知為129.6A。所以選的可調(diào)電阻最小Rmin=(U /3I)-R=1.49。故可調(diào)電阻R11.49。因為異步電動機制動直流電流為129.6A，故橋式電路中所選二極管流過

16、的電流為0.5129.6=64.8A,其所能承受的電壓為198=225.8V。二極管應選承受的最大電流大于64.8A,最大電壓大于226V。交流繼電器和時間繼電器應該是能承受的最大電流大于130V。結(jié)束語經(jīng)過一周的努力，我終于完成了電力拖動基礎(chǔ)課程設(shè)計異步電動機的能耗制動控制設(shè)計。通過這次電力拖動基礎(chǔ)課程設(shè)計,使我對異步電機在實踐中的應用有了更深刻的理解。通過此次課程設(shè)計，把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學習的積極性。 在摸索該如何設(shè)計程序使之實現(xiàn)所需功能的過程中,特別有趣,培養(yǎng)了我的設(shè)計思維,增加了實際操作能力。在讓我體會到了設(shè)計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂。 這次電力拖動

17、基礎(chǔ)課程設(shè)計,雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們在異步電動機能耗制動控制的主電路及控制電路的分析與設(shè)計上有了很大的進步。加深了我們對異步電動機能耗制動了解。另外，我們還更加充分的認識到，電力拖動基礎(chǔ)這門課程在科學發(fā)展中的至關(guān)重要性。2、查閱參考書的獨立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們在設(shè)計電路時，遇到很多不理解的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網(wǎng)絡(luò)查到，但由于時間和資料有限我們更多的還是獨立思考。3、相互討論共同研究也是很重要的，在設(shè)計過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題但是和其他的專業(yè)同學討論后，理解了基本原理后，很快的設(shè)計了電路原理圖。 經(jīng)過這次課程設(shè)計，我學到很多東西。社會的不斷發(fā)展，使我認識到我現(xiàn)在所學的知識還遠遠不夠，在實際操作應用中有些問題還不能解決，所以我要在今后的學習中更加努力，學好自己的專業(yè)知識以充實自