《电力拖动技术课程设计》报告书-三相异步电动机制动方法及应用

西安工程技术学院 西安科技大学继续教育学院电力拖动技术课程设计报告书三相异步电动机制动方法及应用专 业：电气自动化学生姓名： sjcqing 班 级：09电气自动化大专班指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月 摘 要近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是在乡镇企业及家用电器中，更需要有大量的中、小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。电机是现代工农业生产和交通运输的重要设备，与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。电机的控制包括电机的起动、调速和制动。异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。据统计，其耗电量约占全国发电量的40%左右。当电机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。因此在电机的起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。电动机机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。本文是对三相异步电动机做出深入的剖析与设计。三相异步电动机是一种具有高效率、低磨损、低噪声的电机机种.本设计在介绍三相异步电动机中，关于相数、极数、槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律详细的加以说明和介绍。文中主要介绍了几种常用的制动方式的特点，对不同制动方式进行了技术比较，分析了他们各自的实用场所，为实际应用提供了科学的理论依据。 关键词： 三相异步电动机 结构 制动方式AbstractIn recent decades, along with the electric power electronic technology, microelectronic technology and modern control theory, medium, small power motors in industrial and agricultural production and peoples daily life are extremely extensive application. Especially in the township enterprises and household appliances, needs to have plenty of medium, small power motor. Due to the development of the motor and the widespread application, its use, maintenance and maintenance work is more important. The motor is a modern industrial and agricultural production and transport of the essential equipment, and machine control equipment performance has become a user focus. Motor control includes a motor starting, speed regulation and braking. Asynchronous motor due to its simple structure, small volume, low cost, reliable operation, convenient repair, high efficiency, good working properties, and thus in the electric drive platform has been widely used. According to statistics, its power consumption accounted for about40% of generating capacity. When the motor is connected with the power grid, the motor speed to accelerate from zero to the rated speed of the process is known as the motor starting process. Asynchronous motor starting performance, the most important is the starting current and starting torque. Therefore in the motor starting process, how to reduce the starting current, increase the starting torque, is a mechanical and electrical industry experts to explore the important subject. Motor machine a wide range of applications, a wide range of different classification methods, properties, also a lot of. This article is on the three-phase asynchronous motor to make deep analysis and design. The three-phase asynchronous motor is a kind of high efficiency, low wear, low noise motor models. The design in the design of the three-phase asynchronous motor, on the phase number, the number of poles, slot number and winding connection mode selection method and the laws that should be obeyed. This paper mainly introduces several common braking characteristics, for different braking modes of technology, analyzes their practical places, for practical applications to provide scientific theoretical basis.Key words: three-phase asynchronous motor structure braking method前 言电动机是把电能转换成机械能的设备。近几十年随着科技的发展电动机在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起来与单相电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。而三相异步电动机的制动方法，在其中无疑起到了关键性的作用，其在切断电源以后，利用电气原理或机械装置使电动机迅速停转。其制动方法主要分为，电力制动和机械制动。电力制动和机械制动又可分为若干制动方式。其制动方法和制动原理在第二章会重点介绍。在本次课题设计中共分为三大章节，第一章为课题介绍，在其中说明了本课题的设计背景、设计意义以及本课题的主要工作。第二章则着重于三相异步电动机制动方法的介绍、分类以及其结构原理。第三章是三相异步电动机的绕组故障分析以及故障处理方法。此课题在设计过程中，重点介绍了三相异步电动机的制动方法，在查阅相关资料和老师、同学的帮助下完成了相关理论知识的设计，由于个人设计的水平有限，难免有疏漏和欠妥之处，敬请老师和同学指正，谢谢！目 录前 言3第1章 课题介绍51.1 课题背景51.2 课题意义51.3 本课题主要工作5第2章 三相异步电动机的制动方法62.1 何谓三相异步电动机的制动62.2 三相异步电动机的制动介绍62.3 三相异步电动机的制动步骤102.4 回馈制动（又称发电制动、再生制动）19第3章 三相异步电动机绕组的故障分析和处理213.1 绕组接地213.2 绕组短路213.3 绕组断路223.4 绕组接错22总 结24参考文献25致 谢26第1章 课题介绍1.1 课题背景 由于生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动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，但由于本身结构原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，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延长设备的使用寿命，有强大的降噪能力，操作智能化，维护简便、通用性强等众多特性，特别是三相线笼式异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优势，在工业中得到了极为广泛的应用，也正在发挥着越来越重要的作用。 三相异步电动机在各种电动机中的应用最广，需求量最大，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有很大的比重，这是因为三相异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点，另外还具有较高的运行效率和较好的工作特性，能满足各行业大多数生产机械的转动要求。 因此三相交流异步电动机的技术在我国有极为广泛的发展前景。1.2 课题意义 通过本课题的设计，了解三相异步电动机的基本自动方式，进一步了解三相异步电动机的结构、工作原理、三相异步电动机的分类及用途、各种制动方式和三相异步电动机在应用中经常出现的问题。本次课程设计将对三相异步电动机的制动控制方式进行分析，进一步分别讨论了三相异步电动机的几种制动方式特性以及在不同设备中的应用情况。1.3 本课题主要工作介绍三相异步电动机的基本结构和工作原理，详细介绍了三相异步电动机的制动方法、控制线路和使用过程中的故障处理。第2章 三相异步电动机的制动方法2.1 何谓三相异步电动机的制动在切断电源以后，利用电气原理或机械装置使电动机迅速停转的方法称为三相异步电动机的制动2.2 三相异步电动机的制动介绍制动的方法一般有两类：机械制动和电力制动。机械制动：利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫机械制动。机械制动常用的方法有：电磁抱闸和电磁离合器制动。电气制动：电动机产生一个和转子转速方向相反的电磁转矩，使电动机的转速迅速下降。三相交流异步电动机常用的电气制动方法有反接制动、能耗制动和回馈制动。2.2.1 机械制动采用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的制动方法。如电磁抱闸、电磁离合离合器等电磁铁制动器。（1）电磁抱闸断电制动控制电路电磁抱闸抱闸断电控制电路如图1所示。合上电源开关QS和开关K,电动机接通电源，同时电磁抱闸线圈YB得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。断开开关，电动机失电，同时电磁抱闸线圈YB也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。图中开关K可采用倒顺开关、主令控制器、交流接触器等控制电动机的正反转，满足控制要求。倒顺开关接线示意图如图2所示。这种制动方法在起重机械上广泛应用，如行车、卷扬机、电动葫芦(大多采用电磁离合器制动)等。其优点是能准确定位，可防止电动机突然断电时重物自行坠落而造成事故。（2）电磁抱闸通电制动控制电路电磁抱闸断电制动其闸瓦紧紧抱住闸轮，若想手动调整工作是很困难的。因此，对电动机制动后仍想调整工件的相对位置的机床设备就不能采用断电制动，而应采用通电制动控制，其电路如图3所示。当电动机得电运转时，电磁抱闸线圈无法得电，闸瓦与闸轮分开无制动作用；当电动机需停转按下停止按钮SB2时，复合按钮SB2的常闭触头先断开切断KM1线圈，KM1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为KM2线圈得电作好准备，经过一定的行程SB2的常开触头接通KM2线圈，其主触头闭合电磁抱闸的线圈得电，使闸瓦紧紧抱住闸轮制动；当电动机处于停转常态时，电磁抱闸线圈也无电，闸瓦与闸轮分开，这样操作人员可扳动主轴调整工件或对刀等。机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开)，克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。2.2.2 电力制动 电动机在切断电源的同时给电动机一个和实际转向相反的电磁力矩(制动力矩)使电动机迅速停止的方法。最常用的方法有：反接制动和能耗制动。 (1)反接制动 在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。反接制动的实质：使电动机欲反转而制动，因此当电动机的转速接近零时，应立即切断反接制动电源，否则电动机会持续反转。实际控制中采用速度继电器来自动切除制动电源。反接制动控制电路如图4所示。其主电路和正反转电路相同。由于反接制动时转子与旋转磁场的相对转速较高，约为启动时的2倍，致使定子、转子中的电流会很大，大约是额定值的10倍。因此反接制动电路增加了限流电阻R。KM1为运转接触器，KM2为反接制动接触器，KV为速度继电器，其与电动机联轴，当电动机的转速上升到约为100转分的动作值时KV常开触头闭合为制动作好准备。反接制动分析：停车时按下停止按钮SB2，复合按钮SB2的常闭先断开切断KM1线圈，KM1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为反接制动作好准备后，接通KM2线圈(KV常开触头在正常运转时已经闭合)，其主触头闭合，电动机改变相序进入反接制动状态，辅助触头闭合自锁持续制动，当电动机的转速下降到设定的释放值时，KV触头释放，切断KM2线圈，反接制动结束。 一般地，速度继电器的释放值调整到90转分左右，如释放值调整得太大，反接制动不充分；调整得太小，又不能及时断开电源而造成短时反转现象。反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。因此适用于l0kw以下小容量的电动机制动要求迅速、系统惯性大，不经常启动与制动的设备，如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。 (2)能耗制动电动机切断交流电源的同时给定子绕组的任意二相加一直流电源，以产生静止磁场，依靠转子的惯性转动切割该静止磁场产生制动力矩的方法。原理分析：电动机切断电源后，转子仍沿原方向惯性转动，如图5设为顺时针方向，这时给定子绕组通入直流电，产生一恒定的静止磁场，转子切割该磁场产生感应电流，用右手定则判断其方向如图示。该感生电流又受到磁场的作用产生电磁转矩，由左手定则知其方向正好与电动机的转向相反而使电动机受到制动迅速停转。可逆运行能耗制动的控制电路如图6所示。KV1、KV2分别为速度继电器KV的正、反转动作触头，接触器KM1、KM2、KM3之间互锁，防止交流电源、直流制动电源短路。停车时按下停止按钮SB3，复合按钮SB3的常闭先断开切断正常运行接触器KM1或KM2线圈，后接通KM3线圈，KM3主、辅触头闭合，交流电流经变压器T，全波整流器VC通入V、W相绕组直流电，产生恒定磁场进行制动。RP调节直流电流的大小，从而调节制动强度。能耗制动分析：能耗制动平稳、准确，能量消耗小，但需附加直流电源装置，设备投资较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。主要用于容量较大的电动机制动或制动频繁的场合及制动准确、平稳的设备，如磨床、立式铣床等的控制，但不适合用于紧急制动停车。能耗制动还可用时间继电器代替速度继电器进行制动控制。电动机的制动方法较多，还有如电容制动、再生发电制动等，但实际应用主要是上述介绍的制动方式，其各有特点和使用场合。2.3 三相异步电动机的制动步骤 2.3.1反接制动的方法 异步电动机反接制动有两种，一种是在负载转矩作用下使电动机反转的倒拉反转反接制动，这种方法不能准确停车。另一种是依靠改变三相异步电动机定子绕组中三相电源的相序产生制动力矩，迫使电动机迅速停转的方法。 反接制动的优点是：制动力强，制动迅速。缺点是：制动准确性差，制动过程中冲击强烈，易损坏传动零件，制动能量消耗大，不宜经常制动。因此反接制动一般适用于制动要求迅速、系统惯性较大，不经常启动与制动的场合。（1）速度继电器（文字符号KS） 速度继电器是依靠速度大小使继电器动作与否的信号，配合接触器实现对电动机的反接制动，故速度继电器又称为反接制动继电器。 感应式速度继电器是靠电磁感应原理实现触头动作的。从结构上看，与交流电机类似，速度继电器主要由定子、转子和触头三部分组成。定子的结构与笼型异步电动机相似，是一个笼型空心圆环，有硅钢片冲压而成，并装有笼型绕组。转子是一个圆柱形永久磁铁。速度继电器的结构原理图速度继电器的符号速度继电器的轴与电动机的轴相连接。转子固定在轴上，定子与轴同心。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，使定子向轴的转动方向偏摆，通过定子柄拨动触头，使常闭触头断开、常开触头闭合。当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触头也复原。常用的感应式速度继电器有JY1和JFZ0系列。JY1系列能在3000r/min的转速下可靠工作。JFZ0型触头动作速度不受定子柄偏转快慢的影响，触头改用微动开关。一般情况下，速度继电器的触头在转速达到120r/min以上时能动作，当转速低于100r/min左右时触头复位。 （2）反接制动的控制线路单向启动反接制动控制线路当电动机正常运转需制动时，将三相电源相序切换，然后在电动机转速接近零时将电源及时切掉。控制电路是采用速度继电器来判断电动机的零速点并及时切断三相电源的。速度继电器KS的转子与电动机的轴相连，当电动机正常运转时，速度继电器的常开触头闭合，当电动机停车转速接近零时，KS的常开触头断开，切断接触器的线圈电路。 （3）反接制动控制线路工作原理分析 （A）单向启动 （a）单向启动原理示意图 (B）反接制动 （b）反接制动原理示意图2.3.2 能耗制动的方法当电动机切断交流电源后，立即在定子绕组的任意二相中通入直流电，迫使电动机迅速停转的方法叫能耗制动。 （1）能耗制动的方法 先断开电源开关，切断电动机的交流电源，这时转子仍沿原方向惯性运转；随后向电动机两相定子绕组通入直流电，使定子中产生一个恒定的静止磁场，这样作惯性运转的转子因切割磁力线而在转子绕组中产生感应电流，又因受到静止磁场的作用，产生电磁转矩，正好与电动机的转向相反，使电动机受制动迅速停转。由于这种制动方法是在定子绕组中通入直流电以消耗转子惯性运转的动能来进行制动的，所以称为能耗制动。 能耗制动的优点是制动准确、平稳，且能量消耗较小。缺点是需附加直流电源装置，设备费用较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。所以，能耗制动一般用于要求制动准确、平稳的场合。 （2） 能耗制动控制线路 对于10KW以上容量较大的电动机，多采用有变压器全波整流能耗制动控制线路。如图2-74所示为有变压器全波整流单向启动能耗制动控制线路，该线路利用时间继电器来进行自动控制。其中直流电源由单相桥式整流器VC供给，TC是整流变压器，电阻R是用来调节直流电流的，从而调节制动强度。单向启动能耗制动控制线路(3)线路工作原理分析如下 （A）单向启动运转 （B）双向启动运转2.4 回馈制动（又称发电制动、再生制动）这种制动方法主要用在起重机械和多速异步电动机上。当起重机在高处开始下放重物时，电动机转速n小于同步转速n1，这时电动机处于电动运行状态，但由于重力的作用，在重物的下放过程中，会使电动机的转速n大于同步转速n1，这时电动机处于发电运行状态，转子相对于旋转磁场切割磁力线的运动方向会发生改变，其转子电流和电磁转矩的方向都与电动运行时相反，电磁力矩变为制动力矩，从而限制了重物的下降速度，不致于重物下降得过快，保证了设备和人身安全。对多速电动机变速时，如使电动机由二级变为四级时，定子旋转磁场的同步转速n1由3000转分变为1500转分，而转子由于惯性仍以原来的转速n(接近3000转分)旋转，此时nn1，电动机产生发电制动作用。发电制动是一种比较经济的制动方法。制动时不需改变线路即可从电动运行状态自动地转入发电制动状态，把机械能转换成电能再回馈到电网，节能效果显著。缺点是应用范围较窄，仅当电动机转速大于同步转速时才能实现发电制动。第3章 三相异步电动机绕组的故障分析和处理绕组是电动机的组成部分,老化,受潮、受热、受侵蚀、异物侵入、外力的冲击都会造成对绕组的伤害,电机过载、欠电压、过电压,缺相运行也能引起绕组故障。绕组故障一般分为绕组接地、短路、开路、接线错误。现在分别说明故障现象、产生的原因及检查方法。3.1 绕组接地指绕组与铁心或与机壳绝缘破坏而造成的接地。 3.1.1 故障现象机壳带电、控制线路失控、绕组短路发热,致使电动机无法正常运行。 3.1.2 产生原因绕组受潮使绝缘电阻下降；电动机长期过载运行；有害气体腐蚀；金属异物侵入绕组内部损坏绝缘；重绕定子绕组时绝缘损坏碰触铁心；绕组端部碰触端盖机座；定、转子磨擦引起绝缘灼伤；引出线绝缘损坏与壳体相碰；过电压(如雷击)使绝缘击穿。3.1.3 处理方法 (1)绕组受潮引起接地的应先进行烘干,当冷却到6070左右时,浇上绝缘漆后再烘干。 (2)绕组端部绝缘损坏时,在接地处重新进行绝缘处理,涂漆,再烘干。 (3)绕组接地点在槽内时,应重绕绕组或更换部分绕组元件。3.2 绕组短路由于电动机电流过大、电源电压变动过大、单向运行、机械碰伤、制造不良等造成绝缘损坏所至,分绕组匝间短路、绕组间短路、绕组极间短路和绕组相间短路。 3.2.1 故障现象离子的磁场分布不均,三相电流不平衡而使电动机运行时振动和噪声加剧,严重时电动机不能启动,而在短路线圈中产生很大的短路电流,导致线圈迅速发热而烧毁。 3.2.2 产生原因电动机长期过载,使绝缘老化失去绝缘作用；嵌线时造成绝缘损坏；绕组受潮使绝缘电阻下降造成绝缘击穿；端部和层间绝缘材料没垫好或整形时损坏；端部连接线绝缘损坏；过电压或遭雷击使绝缘击穿；转子与定子绕组端部相互摩擦造成绝缘损坏；金属异物落入电动机内部和油污过多。3.2.3 短路处理方法 (1)短路点在端部。可用绝缘材料将短路点隔开,也可重包绝缘线,再上漆重烘干。 (2)短路在线槽内。将其软化后,找出短路点修复,重新放入线槽后,再上漆烘干。 (3)对短路线匝少于1/12的每相绕组,串联匝数时切断全部短路线,将导通部分连接,形成闭合回路,供应急使用。 (4)绕组短路点匝数超过1/12时,要全部拆除重绕。3.3 绕组断路由于焊接不良或使用腐蚀性焊剂,焊接后又未清除干净,就可能造成壶焊或松脱；受机械应力或碰撞时线圈短路，短路与接地故障也可使导线烧毁。在并烧的几根导线中有一根或几根导线短路时，另几根导线由于电流的增加而温度上升,引起绕组发热而断路。一般分为一相绕组端部断线、匝间断路、并联支路处断路、多根导线并烧中一根断路、转子断路。 3.3.1 故障现象电动机不能启动,三相电流不平衡,有异常噪声或振动大,温升超过允许值或冒烟。 3.3.2 产生原因 (1)在检修和维护保养时碰断或因制造质量问题。 (2)绕组各元件、极(相)组和绕组与引接线等接线头焊接不良,长期运行过热脱焊。 (3)受机械力和电磁场力使绕组损伤或拉断。 (4)匝间或相间短路及接地造成绕组严重烧焦或熔断等。3.3.3 断路处理方法(1)断路在端部时,连接好后焊牢,包上绝缘材料,套上绝缘管,绑扎好,再烘干。 (2)绕组由于匝间、相间短路和接地等原因而造成绕组严重烧焦的一般应更换新绕组。 (3)对断路点在槽内的,属少量断点的做应急处理,采用分组淘汰法找出断点,并在绕组端断部将其连接好并绝缘合格后使用。 (4)对笼形转子断路的可采用焊接法、冷接法或换条法修复。 3.4 绕组接错绕组接错造成不完整的旋转磁场,致使启动困难、三相电流不平衡、噪声大等症状,严重时若不及时处理会烧坏绕组。主要有下列几种情况:某极相中一只或几只线圈嵌反或头尾接错；极(相)组接反；某相绕组接反； 多路并联绕组支路接错；“”型、“Y”型接法错误。 3.4.1 故障现象电动机不能启动、空载电流过大或不平衡过大,温升太快或有剧烈振动并有很大的噪声、烧断保险丝等现象。 3.4.2 产生原因误将“”型接成“Y”型；维修保养时三相绕组有一相首尾接反；减压启动是触头位置选择不合适或内部接线错误；新电机在下线时,绕组连接