（机械电子工程专业论文）电子式纺丝机电锭控制器的研究.pdf

摘要 摘要 本文的设计是来自于企业的一个实际的工程应用项目，设计控制对象为纺丝 机电锭电机。纺丝机是纺丝生产过程中的关键设备，电锭电机则是纺丝机系统中 关系着丝锭生产质量的重要部件。因此，对电锭电机运行工作状态的可靠控制， 对于企业的生产有着十分重要的意义，本文的设计正是针对纺丝机电锭电机的控 制进行的，设计的控制目标是实现纺丝过程对电锭电机的电气监控和保护，以及 运行过程的可靠控制。 我们的设计属于在企业原有控制系统基础上的改造性设计，既要满足企业提 出的控制功能更强、操作更方便、运行安全性更高、耗能更少的要求，又要与原 控制系统有一定的兼容和继承性，无需进行较大的设备改造，以节约成本等，我 们文中电子式电锭电机控制器的设计正是在这些条件要求下进行的。具体的设计 过程，在文中分章节从以下几部分内容来详细阐述： ( 1 ) 鼠笼式三相异步电锭电机的等效分析对鼠笼式三相异步电机进行等 效分析，建立了相应的等效分析模型，对文中的控制对象电锭电机进行了相关计 算，并对鼠笼式三相异步电机的运行控制，主要是启、制动控制方式及各自特点 进行了详细的分析； ( 2 ) 电锭电机继电接触控制系统设计根据前面的分析计算，进行电锭电 机继电接触控制系统的设计，主要介绍了电机的继电接触控制系统及其设计方法、 系统的电气保护等； ( 3 ) 基于a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机的电子式电锭电机控制设计论述了电动机单 片机控制的设计方法，设计了基于单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的电子式电锭控制系统，可 实现对电锭电机运行全过程的自动控制，采用继电器输出的电机定时控制，包括 两个定时控制：a 纺织过程8 1 6 小时长时间的定时控制，b 堵邑耗制动时间控制 原则的2 5 秒左右的短时间控制； ( 4 ) 最后，为了验证所设计控制系统是否能实现企业所要求的设计目标功能 及其运行的可靠性，我们模拟企业生产现场电气条件设计了试验平台，对所设计 系统进行了整体验证。 通过在试验平台上进行验证，根据实验观察结果和实测的相关参数，证明文 摘要 中的设计完全可以达到我们预期的控制功能及电气安全性要求，与企业现使用的 控制器相比，具有：功能更全面、可靠性更高、操作更简便等优点，完全满足企 业的要求。之后，在企业生产现场进行的实际使用考核，其控制性能也获得了企 业的满意和认可。 关键词：纺织，电锭电机，等效分析，能耗制动，a t 8 9 c 5 1 i i a b s t r a c t t h ed e s i 弘i nt 1 1 i sp a p e rc o m e s 丘d map r a c t i c a lp r o j e c to fas p i 皿e c 胁d e s i 伊 a i l dc o n 缸0 1o b j e c ti sm ee l e c t r i c a ls p i n d l em o t o ro fw e a v i n gp r o d u c i n gp r o c e s s w r e a v i i l gm a c h i l l ei sm ek e ye q u i p m e n tmw e a v i n gp r o d l l c i n g ，a i l de l e c t r i c a l s p i nm o t o r i s 舭i m p o r t a n tp a r ti 娟u e n c i n gp r o d u c i n gq u a l i 够 s o ，m er e l i a b l e c o n 仃d lo n e l e c t r i c a l s p i nh 嬲v e r yi m p o r t a n ts i 鲥f i c a l l c et om ec o m p a l l y sn o 姗a 1p r o d u c i n g t l l i s p a p c ri s j u s tf o c u so n l ec o r l t r o l l i n gd e s i 印o fe l e c t r i c a l 一s p i n c 腑a i l n sa r et oo 腑t l l e e l e c t r i c a l 一s p i nm o t o r se l e c t r i ci n s p e 以o na n dp r o t e c t i o na n d r e a l i z em em o t o rm 皿n g p r o c e s s r e l ia _ b l ec o n t r 0 1 1 e o l l rd e s i 趴i s 觚l s f o 肌a t i o nd e s i 弘b 嬲e do nm ee n t e 印r i s eo r i 西n a lc o n 仃d ls y s t e m f o u n d a t i o n ，s ow em 1 】s ts a t i s 匆m ec o n 仃0 lf 1 1 1 1 c t i o n r h i c ht h ee n t e 印r i s ep r o p o s e d 1 s m o r es t r o n g e eo p e r a t i o ni sm o r ec o i e i 】_ i e n t ，m o v 锄e n ts e c u n t ) r l sh l g l l e i l e r g y c o n s u m e dl e s s a n d ，o u rd e s i 印m u s tb ec o m p a t i b l ea n di i l l l e r i t a b l e w i mo r i 西n a l c o i m 0 1s y s t e m ，n e e d sn o tt 0 0m u c he q u i p m e n t 仃a 1 1 s f o m a t i o n ，s a v e st l l ec 0 s ta l l ds oo n o u rd e s i 辨i sc a r r i e d0 nj u s tu n d e ra l e s er e q u i r e do b j e c t i v e s n l ec o n c r e t ed e s l g m n g p r o c e s si sd i v i d e di n t oc h 印t e r si nt h ep 印既nm a i l l l yi n c l u d e st h e b e l o ws e v e r a lp a r t s o fc o n t e n t s ： ( 1 ) m o u s ec a g et y p e 缸e e p h a s e sa s y n c h r o n o u se l e 嘶cs p i n d l ee l e 嘶c a lm o t o r e q u i v a l e n ta i l a l y s i si nc h a p t e r2 f i r s t ，h a v i n ge q u i v a l e n t l y a i l a l y s e dm r e e p h a s e 嬲c h r o n o u sm o t o ra l l de s t a b l i s h e dm ec o r r e s p o n d i n ge q u i v a l 饥ta 1 1 a l y s i sm o d e l ，a n d c a r t i e do nt h ec o r r e l a t i v ec o i n p u t a t i o na b o u te l e c m d t ys p i n m ei nm ea n i c l e o n l 删i s e ， w eh a v ed e t a i l e d l ya i l a l y s e dm em o t i o nc o n 仰lo ft 1 1 r e e - p h a s e 嬲y 1 1 c h r o n o u sm o t o r ， m a i l l l ya b o u ti t ss t 耐a i l ds t o pc 0 舳lm o d e a 1 1 de a c hc h a r a c t 商s t i c ( 2 ) t h ee l e c t r i c a ls p i i l d l em o t o rc o i l 仃o ls y s t e md e s i 萨w i t l lr e l a y 觚dc o n 协c t d e v i c e ，试c h a p t e r3 a c c o r d i n gt 0 也e 舶n t 眦a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n ，w eh a v ec a m e d o nt h ee l e c 臼j c i 锣s p i n d l ec o r l 仃o ls y s t e md e s i 印w i mr e l a y 觚dc o n t a c td e v l c e ，a 1 1 d m a i l l l yi n 仃o d u c e d 也ed e s i 印p r o c e s sa i l ds y s t 锄e l e 硎cp r o t e c t i o nw a y o fr e l a ya i l d c o n t a c td e v i c ec 0 n n 0 1 1 i n gs y s t e m ( 3 ) d e s i 弘o fe l e c 乜o i l i ce l e 嘶c i | t ys p i i l d l em o t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e d0 n i 一 垒皇! 竺璺! ! 一 - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - - - - _ _ _ - l - - _ _ _ _ _ - _ 一 a t 8 9 c 2 0 51m c u ，i nc h 印t e r4 i ti n t r o d u c e sm ed e s i 弘m e t h o do fm o t o r c o n 臼0 1w i m m c u h a v i n gd e s i 鲈e de l e c 仰n i ce l e c 臼i c i t ys p i n d l em o t o rc o n 仃d ls y s t e mb a s e d o n a t 8 9 c 2 0 51m c u ，i tc a i lr e a l i z ea u t o m a t i cc o r l 仃o lo fe l e c t r i c i 哆s p i n m em o t o r 砸n g t 1 1 ew h o l ew o r k i n gp 耐o d ，i tu s e sr e l a yo u t p u tt i m e l ym o t o rc o n t r 0 1 ，i i l c l u d i n g1 3t o18 h 。u r sl o n gt i m ec 0 n 缸0 ld u r i n gt h en o n l l a lw e a v i n gp r o c e s sa n d a b o u t2 5s e c o n d ss h o n t i m ec o r 血o la tt h cp h a s eo fm o t o rb r 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l e t e l y s a t i s 母t l l er e q u e s t so fe n t e 印r i s e a f t e rm e a c t u a lu s i n ge x a m i n a t i o ni nm ee i l t 唧n s e p r o d u c i l l g 丘e l d ，i t sc o n t r o lp e r f o m a n c ea l s oh a v eo b t a i n e dt l l e 饥t 唧d s e ss a t i s f a c t i o n a j l dr e c o 鲥t i o n k e y w o r d s ：s p m i n ga 1 1 dw e a v i n g ， e l e 嘶cs p i n m em o t o r ，呐a l 铋t l y 锄a l y s e ， d y i l 锄i cb r a l ( i n g ，a t 8 9 c 51 m c u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：俐石年石月7 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ， ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：芝丝硷： 日期：加6 年乡月z 7 日 f 第一章课题介绍 1 1 课题来源 第一章课题介绍 本文设计的课题属于一个校企合作的技术改进型项目，旨在帮助企业解决生 产过程中存在的一些困扰企业顺利、高效生产的技术问题。 题目来自于四川宜宾市某知名纺织企业的落丝生产工序现场。该公司位于国 家历史文化名城酒都宜宾市，是宜宾市一家知名的大型企业，四川省优秀企 业、四川省重点优势企业。其主要产品有：棉浆粕、维卡纤维系列产品及绣花线 等。同时该公司也是我国西部唯一的一家以生产维卡纤维和棉浆粕为主的大型国 营企业集团。 我们的课题就是针对该公司维卡粘胶长丝生产设备落丝机的运行控制而 展开的。纺织落丝过程是复杂的纺织生产过程中非常关键的一道工序，处于整个 粘胶长丝生产过程的接近成品的加工阶段，它决定着丝锭产品的最终质量，并对 企业整体的生产成本和顺利进行起着非常重要的影响，因此对于纺织落丝设备的 维护和技术革新，企业非常重视，也投入了很大的人力与财力。记得，当时我们 去企业落丝车间进行现场考察，都是经过了公司部门经理审核批准的，由此可见， 纺织落丝在企业整个生产过程中的重要程度 1 】【2 】。 通过在企业现场的观测，同时根据车间相关技术部门提供的资料，我们简要 了解了纺织生产的过程、过程工艺条件、生产设备及其运行的电气条件等，特别 是对我们将要设计的控制对象落丝电锭电机，进行了较为详细的了解，包括： 其生产功能、相关电气额定参数、运行过程负载情况、对其控制的要求、安装方 式等等，为我们的设计准备了第一手的资料。下面我们就先对纺织粘胶长丝的生 产过程和我们将要设计的控制对象落丝电锭电机，作以必要的介绍。 粘胶长丝的生产过程是一个涉及物理、化学的非常复杂的过程，其详细的工 序过程及技术要求参数等都属于企业的技术机密。我们也只是对其作了大概的了 解，简单的说粘胶长丝纺织生产过程可以分为以下几个步骤：原料的预处理、混 合、熔炼、凝结、熟成、过滤、脱泡、凝固、去酸、加热、纺丝、落丝、烘干、 上色、再烘干等等近几十道工序过程。我们设计的落丝电锭电机控制器，是处于 电子科技大学硕士学位论文 粘胶长丝生产过程纺丝机拉丝后的滚绕落丝工序，通过该工序把上工序中拉出的 粘胶长丝( 线) 卷绕成丝锭。在粘胶长丝纤维生产中，落丝生产的纺丝机是生产 工艺中最为关键的设备，每台纺丝机上装有数十台电锭【l 】。 如下图1 1 ，我们示意出了纺丝电锭及其组件结构。粘胶长丝以速度v 由上道 拉丝工序输出下落入图中所示的落丝导引玻璃杯中，经导引玻璃杯进入高速旋转 的电锭缸筒( 也即上面讲的离心罐) ，在离心力作用下，粘胶丝线被甩开卷绕在电 锭缸筒内壁，并具有一定的粘度，根据生产工艺要求，电锭的转速一般为 8 0 0 0 9 0 0 0 ，m i n ，需要1 6 0 v 1 5 0 h z 的特殊中频电源。 4 3 2 1 5 6 1 电锭电机输出转轴2 电锭离心罐体3 落丝导引玻璃杯 4 一丝线p 导杯支架6 一导杯支架固定结构 图1 1 纺丝电锭组件结构示意图 我们设计要控制的对象就是上图中的带动电锭高速旋转的动力源三相鼠 笼式异步电动机，我们在后面称之为电锭电机。在生产中，由质量工艺条件，对 电锭电机工作状态的要求，主要有：转速稳定、运行可靠，控制操作方便，本文 我们主要是针对电锭电机纺丝过程的电气监控和保护，以及运行状态的可靠控制 进行设计。 文中企业所用的电锭电机是一种纺织设备专用的特种电机，其电参数如下： 单台电锭电机的电气参数： p n = 16 0 w ，u n = 1 6 0 v ，i n = o 7 3 a ； 单台电锭直流电阻：a b 相1 9 8 q 、b c 相1 9 9 q 、c a 相1 9 8 q ； 2 第一章课题介绍 电机定子采用星形接法，中性点不接地，转子为鼠笼式结构； 在工作过程中，我们把三台电锭电机作为一组，并联接在三相1 6 0 v 1 5 0 h z 的 交流电源母线中，三台电机的运行过程步调一致，通过一个控制器对其进行同步 调的控制。 1 2 国内外的研究情况 粘胶长丝俗称粘纤，是纺织辅料中的重要成分，由于具有含湿率最符合人体 皮肤的生理要求，光滑凉爽、透气、抗静电、染色绚丽等特性。现正被广泛应用 于一些高档、潮流服装面料中，市场需求量极大。纺织行业生产粘胶长丝的企业， 在国内就有数十家，如保定天鹅化纤集团公司、吉林化纤厂、石家庄化纤有限公 司、山东潍坊巨龙化纤有限公司和宜宾丝丽雅集团公司等等，均是大型的化纤企 业，每年产量己达数千万吨，粘胶长丝已成为我国出口的一类重要纺织产品【2 】【3 1 。 纺丝机是纺织生产过程中的关键设备，一台纺丝机上装有数十台落丝电锭电 机。一个中型纺织企业所拥有的电锭电机一般都在千台以上，但目前大部分的纺 丝机，电锭电机的控制仍停留在传统的机械开关方式，控制操作比较复杂、而且 自动化程度较低，与企业大规模的生产要求极为不符，因此很多企业都有对已有 纺丝电锭、及其控制进行优化设计的要求。所以，本项目的研制具有明确的应用 对象并极具推广应用价值，可进一步提高纺织业重点设备的技术含量和生产效益、 节约能源与原材料、降低能耗和原材料耗损、降低工人劳动强度。以科技来提升 生产效率，提高企业的核心竞争力。 针对纺丝机这一关键设备，纺丝机电锭控制器是对纺丝机进行控制的重要的 人机操作界面。现在大多数企业纺丝机的电锭控制，普遍采用三相异步电机的反 接制动，一个反接制动开关控制三个电锭落丝。其显著的缺点是：电锭完全停止 的时间为6 0 一9 0 秒，造成落丝时间长，不注意时，丝饼反卷，废丝多，产量低， 工人劳动强度大【5 1 。 基于以上原因，大量企业、研究所与大学科研机构对能耗、可靠性、变频电 源与电锭均进行了攻关，取得了一些专利与成果，现在已有一些解决措施及解决 思路： ( 1 ) 开发“新型电锭一：对电锭电机进行优化改造，设计一种集制动时间短、 功率因数高、惯量小、节省电能的新型电锭，能系统解决现行电锭落丝过程中出 3 电子科技大学硕士学位论文 现的种种问题。但要求企业的技改投入巨大，同时还要淘汰现有大量的纺丝机电 锭，企业的负担过重； ( 2 ) 开发“新型制动开关”：针对现行机械式反接制动开关的种种弊病，探 索一种既能满足电锭落丝工艺要求，又能系统解决制动时间控制、防止电锭电机 反转、并能对电锭电机提供可靠的电气保护等系列问题的新型制动开关。另外， 尽量在开关安装方式上与过去完全兼容，则可以不替换现有的电锭电机，不进行 巨大的技术改造经费投入，完成有效的电锭制动控制落丝过程。 其中有，清华大学与保定天鹅化纤集团公司合作，成功地开发出了功率因数 高、惯量小、节省电能的新型电锭，但其成本较高，而且其设计的控制器与大多 数纺织企业现行的控制方式差别很大，不容易改造，或改造成本偏高，因此其实 用推广较困难【2 】。 我们的设计采用了第二种的设计思路，从制动开关入手，以机电一体化控制 的电力电子智能模块组件来取代过去的机械式制动开关，而且在安装方式上与过 去完全兼容，可以在不替换电锭，不进行巨大的技术改造经费投入的情况下，完 成有效的电锭制动控制落丝过程，这在目前国内外还比较少见，该设计方式技术 改造投入费用少，同时可取得较高的综合效益。在设计过程中，我们以与企业合 作的方式，在充分了解企业目前生产与设备条件的基础上，在控制方式、制动电 力电源提供、系统运行的安全保护等方面进行了合理的分析与设计，设计的控制 器具有：机械与电力电子器件结合、电气原理清晰、系统运行可靠性高、操作简 便、节能等优点。具体的设计与功能介绍见后面相关章节。 1 3 企业现有控制方式分析 在进行新的控制方式设计之前，我们先对企业现有的电锭电机控制器作以介 绍和分析。纺丝机的电锭在落丝过程中，企业采用了三相异步电机的反接制动， 一个反接制动开关控制三个电锭落丝。电锭完全停止的时间为6 0 9 0 秒，造成落丝 时间长；同时该制动方式未解决三个电锭的机电参数不一致的问题，使得三个电 机步调不一致；另外，反接制动还可能造成电锭电机反转而丝饼反卷，因而废丝 多、效率低下；而在操作方式上采用转动开关使得操作较为复杂，而且容易发生 误操作或操作不到位的情况，引起设备误动作等。 在电气运行安全性方面，一个控制器控制三个电锭，如果三个电锭电机的电 4 第一章课题介绍 气特性匹配性不好的话，可能发生在停机制动时，三个电锭电机中某个电机定子 电流偏大，甚至超过额定最大电流而造成系统跳闸或烧保险的情况。 因此，企业现有控制器存在的设计缺点可总结为以下三点： ( 1 ) 制动时间偏长，造成生产效率低下； ( 2 ) 操作复杂，转动开关容易转动不到位，造成误操作； ( 3 ) 可靠性差，由于反接制动定子电流偏大，容易超过额定最大定子电流， 而造成线路跳闸或烧保险等。 1 4 我们的设计方案 我们的设计目的主要是对电锭电机的制动过程实施有效的控制，对企业现有 的反接制动，即机械开关方式进行全面改造和技术升级，开发新一代纺丝机电锭 制动控制系统及其关键部件( 新型制动电锭专用开关) 。在此，对我们将设计的电 子式电锭电机控制器的设计思路先作以简要叙述。 ( 1 ) 从制动开关上入手，以机电一体化控制的电力电子智能模块组件来取代 过去的机械式制动开关，采用机电功能模块，针对传统控制方式的弊病实施改造， 确保制动时间3 0 秒； ( 2 ) 简化操作方式，降低工人劳动强度和维护工作量，提高设备运行的安全 性和可靠性，能更可靠的对电锭电机起到保护作用，延长其使用寿命； ( 3 ) 维持纺丝机现有设备，不淘汰现有的电锭电机； ( 4 ) 在安装方式上与过去完全兼容，不用替换电锭，对设备不进行任何改造， 只是对控制器部分进行改进设计，就可很好的完成电锭落丝过程制动的有效控制， 不需要巨大的技术改造经费投入； ( 5 ) 另外，由于控制方式的改进还可带来降低能耗的效果。 1 5 设计过程及论文结构 整个的设计过程包括：前期的课题调研、控制对象分析、控制目标、控制方 案的讨论确定、具体的设计过程和控制系统的构建、实验平台搭建、实验验证、 生产现场的实际运行验证。在论文中，从第二章开始，我们将分章节对整个电锭 电机控制器的设计过程进行叙述。 5 电子科技大学硕士学位论文 首先在第二章中，我们将对控制对象三相鼠笼式异步电锭电机从理论上 进行电气与机械的分析，建立鼠笼式三相异步电动机的动静态等效模型，并对三 相异步电动机的运行控制问题进行分析，重点是其启动与能耗制动过程控制的详 细分析，并进行有关的计算，为后面的具体设计做好理论基础；在第三章，我们 则将进行具体的电子式电锭电机控制系统的设计，包括：电气原理线路的设计、 相关的电气计算、根据前面的计算选择电气元器件、搭建实验平台进行设计验证、 控制器外观设计；第四章中，我们则融入单片机控制的知识，介绍了a t 8 9 c 2 0 5 1 用于我们的电锭电机控制系统设计的思想，并进行了具体的设计分析。 6 第二章电锭电机的运行分析 第二章电锭电机的运行分析 自从电动机问世以来，电力拖动就在国民经济发展和科技进步中起到了十分 重要的作用。电机拖动系统以其输出功率大、系统能量效率高、噪音低、调速方 便、易于自动控制等突出特点体现了经济、环保、灵活的优势，因此大量应用于 工业生产、交通运输( 尤其是轨道运输) 、国防军事装备等领域，并且占据了主导 地位。 从电机发展史看，直流电机在传统的电机拖动中占有优势地位。由于直流电 机输出转矩大、它的功率可以很大，也可以很小，特别是其优异的可控制性能， 使得直流电机从诞生之日就占据电机拖动的最主要地位。例如，直流拖动在机车牵 引、起重机械、精密伺服系统中占据绝对优势地位。但是，直流电动机必须具备 电刷和换向器，在运行时存在电火花和机械磨损，维护不方便；另外，大容量直 流电机的结构相对复杂、重量很大、消耗贵重的铜材较多、价格相对较高。这些 不足之处使直流电机在许多场合下的应用受到了限制【6 儿7 】。 交流电动机，特别是笼式异步电动机出现后，它以结构简单，坚固耐用，制 造方便，价格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在 工农业生产中获得了广泛的应用。据统计，在上个世纪大部分时间里，约占整个 电力拖动总容量8 0 的不变速拖动系统都采用交流电机【l 】。 交流电机又分为同步电机和异步电机两类，两者的运行原理和结构有很多不 同之处，也有很多相同之处。一般来说，同步电机主要被用作发电机，我们工业 中或其他的电力拖动的场合一般使用的都是异步电动机。 但是由于交流电动机本身是一个非线性、强耦合、时变动态的多变量系统， 其可控性较差，；另外，异步电动机的定、转子没有电路上的直接联系，只有磁路 的联系，要对其进行定量的准确控制、计算，非常复杂，这点和变压器的情况类 似。因此，我们在对电机进行分析、计算、或对其进行控制设计时，往往要对其 进行一定的等效简化，遵循一定的原则，通过等效，把电机定子和转子之间的存 在的电磁耦合关系转化为近似的电路上的联系【l o 】【l 。 本文中涉及的控制对象电锭电机是一种特殊的纺织专用电机，采用三相鼠笼 式异步电动机，工作在1 6 0 v 1 5 0 h z 的特殊中频电源条件下。其工作参数：额定频 7 电子科技大学硕士学位论文 率15 0 h z 、额定工作电压1 6 0 v ，额定转速9 0 0 嘶h i n ，运转精度要求极高，实际工 作中，电机定子为“y 型连接，中性点不接地。 在生产过程中，电锭电机拖动离心罐高速旋转，将进入离心罐中的丝束利用 离心力的作用甩开，并紧贴离心罐内壁卷绕成具有一定捻度的丝饼。整个生产过 程中，电机负载( 丝锭) 变化较小，相对铸铁的离心罐，可以忽略，近似认为电 锭电机工作于恒定负载条件下。 本章主要讨论两部分的内容： 第一：电锭电机( 三相鼠笼式异步电动机) 的等效的问题。包括鼠笼式异步 电动机鼠笼式转子的相数m 、极对数p 、阻抗z 等的等效计算，还有鼠笼转子等效 到定子边的分析、计算问题；运用堵转试验和空转试验计算电机的相关参数；最 后得出等效分析模型。 第二：三相异步电动机的控制分析，主要讨论了其启动、能耗制动控制原理， 并根据等效模型计算了电机启动和制动过程的最大定子电流、最大电磁转矩，分 析了能耗制动过程电机气隙磁场的变化情况。 2 1 三相异步交流电动机的数学分析 交流异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合、多变量的动态系统。电动机 的定子和转子之间没有直接的电气联接、只有磁路上的联系，而磁场的研究讨论 非常地复杂和抽象、不易进行定性和定量的分析计算，因此我们需要把电动机的 定转子之间的磁场关系转化为电气上的直接的联系，来讨论电动机的静动态性能 特点。本文中的的控制对象为三相异步鼠笼式电机，因此其等效问题包括两方面 的内容，首先，我们要对鼠笼式转子进行比较具体的参数化描述，即等效计算出 鼠笼转子的等效相数、磁极对数、等效阻抗等；然后，再把鼠笼转子参数等效折 合到电机定子侧，使得鼠笼转子与定子之间的磁路关系转化为具体可以定量化进 行分析的电路上的关系【7 】【1 2 】。 2 1 1 等效分析模型 在进行等效计算之前，我们先对三相异步电动机等效的理论作以介绍。为讨 论的方便，在不改变异步电机本质的前提下，有如下假设：( 1 ) 忽略空间谐波， 第二章电锭电机的运行分析 假设电机三相绕组对称，所产生的磁动势沿着气隙圆周按照正弦规律分布。( 2 ) 忽略磁饱和，绕组具有恒定的自感和互感。( 3 ) 忽略铁损。( 4 ) 各个绕组的电阻 恒定。( 5 ) 将电机转子等效成为绕线转子，折算到定子侧，而且折算后的三相绕 组匝数相等。这样得到三相异步电机的物理模型如图2 1 。由此可以写出由电压方 程、磁链方程、转矩方程、运动方程组成的异步电机数学模型。 图2 1 三相异步电机的物理模型 a 、b 、c 为定子三相绕组轴线；i a 、i b 、i c 为定子三相绕组电流；u a 、u b 、 u c 为定子三相绕组电压；a 、b 、c 为转子三相绕组轴线；i 。、i 。、i 。为转子三相绕 组电流；u 。、u b 、u 。为转子三相绕组电压。 2 1 2 电压方程 定子三相绕组的电压平衡方程为： 9 电子科技大学硕士学位论文 圹讹+ 警 旷r + 警 铲乇墨+ 警 转子三相绕组折算到定子侧的电压平衡方程为： 其中，“c ，“。，定子、转子相电压瞬时值； ，f c ，屯，之定子、转子相电流瞬时值； ，虬，虬各相绕组的全磁链； r ，心定子和转子绕组的电阻。 把上面两个式子写成矩阵形式，并且用微分算子p 代替微分算符，得到： d f 兄oo o o 0 0 冠 00 o0 oo冠o o 0 0 o0 见o0 o o 0o 足0 o 0 0 o0 见 + p 中a 哕b y c 虬 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 向量形式如下： “= 尉+ ( 2 4 ) 式中“= 【“一“丑“c “。“。“。r ；f = 如屯r ； y = j f ，彳 y 占矿cy 。y 6y 。】r ； l o 盟班盟出盟以 + + + r 尺 尺 吃 k l l = i i 以咖以以如以 第二章电锭电机的运行分析 r = 墨 0 o o 足 o o o 墨 o 0 0 o 0 0 o 0 0 2 1 3 磁链方程 0 0 0 o oo 0 0o r o o o 恐o 0 0 恐 因为每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和， 所以六个绕组的磁链方程可以表示为： ￥ ￥c 收 或者向量形式：y = 髓 三= 匕 屯 乞 乙 k 厶c l b c l c c 厶c 厶c k 厶c l b c k 厶c k k 幺。 l b d k 瓦 k 乞 l 。 l b 4 乞 乞 乞 乞 幺。 l b b 如 厶。 k 厶 l 。 l b b k k k k l 。 l b c k k k 乞 l 。 岛。 k 乞 k 乞 讨论： ( 1 ) 自感：公式( 2 6 ) 中，因为定、转子各相绕组对称，有： 匕= k = k = k + 厶1 ； k = k = 乞= 厶：= 厶：； 其中：乙。定子互感；定子漏感； ( 2 5 ) ( 2 6 ) b七k毛助伽励伽伽励劬助励励细力， 坳坳助伽励如 电子科技大学硕士学位论文 乙：转子互感：厶：转子漏感； 又因为折算后，定、转子绕组的有效匝数相等，且各个绕组之间的互感磁通都经 过等效的磁路，所以可认为厶。= 厶： ( 2 ) 互感：各相绕组的互感由两部分构成。 第一部分：定子三相之间和转子三相之间相对位置因电机的结构确定而保持 不变。由于已经假定气隙磁通为正弦分布，故第一部分的互感由下式确定： 厶1c o s l 2 0 。2 厶1c o s ( 一1 2 0 。) 2 一寺厶l 也就是：匕= 厶c = k = 如= k = l c = 一去厶。 和k = k = k = k = 厶= 乞= 一寺厶。 第二部分：定、转子绕组问的互感，根据图2 1 ，可以简单地计算出： 厶。= = k = k = k = k = 乙。c o s 口 厶。= 乙= k = k = 屹= k = 厶l c o s ( 秒+ 1 2 0 。) l 。= 乞= k = k = k = k = 厶。c o s ( 目一1 2 0 。) 于是，磁链方程可以写成下面分块阵的形式： 卧匮地 协7 ， 式中、i ，= r ；v ，= 【虬虬虬】r ； i ，= 七r ；i ，= 【乞 f c 】r 子块： 陬+ 厶一 厶陬+ 厶：_ 厶= l 厶上j ，| 。+ 厶 i ；厶= i + 厶： 【- 岛+ 厶- j【_ 厶 - c o s 口0 0 s ( 口一l 驸) c o s ( 9 + 1 射) 厶= 巧= k l 酗+ 1 埘)懿口即一l 笱) i o o s ( p 一1 2 0 。) c o s ( 口+ 1 2 盯) c o s p i 1 2 第二章电锭电机的运行分析 = 蠢= 厶i0 0 c 妒一1 缈) l瞄口 0 0 8 ( 9 + 1 2 c r ) s p + 1 2 盯) s 口 锨妒一1 2 c r ) 可见电感阵虽然是一个高阶的矩阵，其子块的结构很有规律，瓦、厶均为对 称常数阵；k 、k 是三角函数阵，要复杂些，但是厶、k 互为转置。把握这些 特点，会给进一步的数学处理带来便利。显然，系统的强耦合非线性特征由厶、o 两个余弦函数矩阵表达出来，这就是异步电机控制非线性的根源所在。 将公式( 2 2 ) 代入公式( 2 1 ) ，展开得到： “= 月z + p 垆尉+ 三妄+ 警z = 尉+ 三鲁+ 等警z ：尺f + 堕+ 丝刎 ( 2 - 8 ) 其中：孚脉变电动势，又称为变压器电动势； 考研旋转电动势。 2 1 4 运动方程 电动机的机械运动方程为： z ：瓦+ 三粤+ 旦+ 竺臼 刀p 口f咒p靠p 其中：z 电机系统额定输出转矩； ( 2 9 ) 正负载阻力转矩； ，机组的转动惯量； d 与转速成正比的阻转矩阻尼系数； k 扭转弹性转矩系数； 甩。电机极对数。 一般正常运行情况时，系统处于平衡状态，这时d = 0 ，定= 0 ，那么有： 1 3 门川“川ii一 笱剪， 脚脚口 一 十 蓐 p 口 苏| ； 电子科技大学硕士学位论文 z 却丢鲁 2 2 电动机的动态过程s i m ui - n k 仿真分析 ( 2 1 0 ) 对于三相异步电动机的数学分析，我们也可以借助m a t l a b 工具分析软件来 进行，运用其s 咖l i n k 仿真工具包，对三相异步电机通过s m m l i n k 建立仿真 模型进行动态过程的仿真分析。对于本文中电锭电机能耗制动的过程分析，我们 可以利用s m m l i n k 中的电力系统模块集s 却o w e r 建立相应的动态仿真模型， 对电锭电机能耗制动过程的相关电参数和机械特性进行模拟分析。 在s m u l i n k 中的电动机模型库中，提供了三相交流异步电机的仿真模型， 该模型向用户提供了电机接法、负载输入端、电机参数( 额定功率、额定电压、 额定频率、极对数、定子绕组漏感、转子绕组漏感、定转子互感、定子电阻、转 子电阻、转动惯量等) 设置方式等，还提供了电机动态参数输出端子。在仿真过 程中使用该模型是很方便的。根据2 1 节中异步电动机的数学模型表示公式，可以 以系统方框图形式建立起异步电动机的仿真模型结构如下图2 2 所示。 图2 2 异步电动机的仿真模型 利用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块库分别建立起异步电动机模块、坐标变换 模块( 图2 2 种的3 2 变换模块) 、定子电源模块，然后连接起来组成三相异步电 动机的仿真模型，通过仿真模型可以计算出电机在动态运行过程中的相关特性数 据，包括本文中要用到的时间原则能耗制动控制的时间确定。 1 4 第二章电锭电机的运行分析 在这里，我们只就电动机的动态过程s i m u l i i l k 仿真分析方法作以简单介绍， 后面具体的设计中，能耗制动时间我们则是通过实际试验来确定的。 2 3 本文中鼠笼式锭电机的等效分析 前面描述的三相异步电动机的等效是以绕线转子异步电动机进行分析的，而 鼠笼式三相异步电动机的等效问题还包括：鼠笼式转子本身的( 极数、相数、转 子每相电阻r 2 、每相电抗x ，等) 参数等效计算；然后，进一步把转予等效到定子 边的计算问题( 等效电阻、等效电抗x ：) 最终建立了鼠笼式三相异步电动机的 电路上的等效模型。 2 3 1 等效原理 异步电动机定、转子之间没有电路上的联系，只有磁路的联系。经过等效， 也并不是定、转子真正在电路上有了联系，而仅仅是转子折合后磁通势平衡关系 变成可以用电流关系来进行分析。 从定子边看转子只有转子旋转磁通势岛与定子旋转磁通势e 起作用，只要维 持转子旋转磁通势最的大小、相位不变，至于转子边的电动势、电流，以及转子 每相串联有效匝数是多少都无关紧要，根据这个道理，我们设想把实际的电动机 的转子抽出，换上一个新转子，他的相数、每相串联的匝数以及绕组系数都分别 和定子的一样，在转换后，转子的感应电动势为e ；、电流为i ：，转子漏阻抗为 z ：= + j x ：，但产生的转子旋转磁通势并没有改变，所以等效变换并不会改变定 子和转子之间的相互磁路关系，而把转子的电路及其电参量等效转化到了定子边， 使得电机的定转子之间的相互关系变的更为直接【1 3 】。电锭电机鼠笼转子的等效参 数确定。 下面我们就分两步对本文中的三相鼠笼式异步电动机进行等效分析。 2 3 2 电锭电机鼠笼转子的等效参数确定 1 5 电子科技大学硕士学位论文 鼠笼式异步电动机是因为，其转子结构形式，如果去掉转子铁心，只剩绕组， 其形状就象一个鼠笼而得名的。由于其结构简单，制造加工容易，因此被广泛应 用，据统计，三相异步电动机的应用中采用鼠笼式转子结构的占到了8 0 左右。 我们一般在资料中所看到的三相异步电动机的等效分析主要都是针对绕线式 转子三相异步电动机进行的，但是，分析得到的三相异步电动机的等值电路，也 完全适合于鼠笼式三相异步电动机。鼠笼转子的绕组形式是由转子两端的端环将 所有到条短接起来构成的，因此所有导条是并联连接的。和定子绕组的安排规则 相比，单从鼠笼转子本身来看，其极数与相数无法确定，但鼠笼转子和定子组装 在一起时，其极数与相数便是确定的。我们下面就对先对鼠笼转子极数、相数、 匝数、绕组系数、相阻抗等问题进行分析，然后再按绕线式转子三相异步电动机 的等效问题进行等效计算。 首先，先对鼠笼式电动机的转子相关参数进行等效计算或测量，包括：鼠笼 转子的极数、相数、匝数w ，和绕组系数七舻，的计算，阻抗的实验测量【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 2 3 2 1 极数 鼠笼绕组本身并没有固定的极数，它的极数