能耗制动matlab仿真

注 考生属哪种类别请划 博士 在校硕士 工程硕士 师资硕士 同等学力 研究生班 辽宁工程技术大学 研 究 生 考 试 试 卷 考试时间 2011 年 6 月 30 日 考试科目 现代电力电子学 考生姓名 丁永峰 评 卷 人 考试分数 注 意 事 项 1 考前研究生将上述项目填写清楚 2 字迹要清楚 保持卷面清洁 3 试题 试卷一齐交监考老师 4 教师将试题 试卷 成绩单 一起送研究生学院 专业课报所在院 系 三项异步电动机能耗制动分析及三项异步电动机能耗制动分析及matlab仿真仿真 1 三相异步电动机制动介绍 1 1制动的分类 一 再生回馈制动 再生回馈制动是在外加转矩的作用下 转子转速超过同步转速 电磁转矩 改变方向成为制动转矩的运行状态 再生回馈制动与反接制动和能耗制动不同 再生回馈制动不能制动到停止状态 二 反接制动 反接制动是在电机定子三根电源线中的任意两根对调而使电机输出转矩反 向产生制动 或者在转子电路上串接较大附加电阻使转速反向 而产生制动 三 能耗制动 电机在正常运行中 为了迅速停车 在电机定子线圈中接入直流电源 在 定子线圈中通入直流电流 形成磁场 转子由于惯性继续旋转切割磁场 而在 转子中形成感应电势和电流 产生的转矩方向与电机的转速方向相反 产生制 动作用 最终使电机停止 于惯性继续旋转切割磁场 而在转子中形成感应电 势和电流 产生的转矩方向与电机的转速方向相反 产生制动作用 最终使电 机停止 1 2 能耗制动的原理 当电机停止按钮按下 电机断开三相电源做惯性运行 我们在定子绕组通 入半波直流电源 使之产生固定磁场并与定子相切割 产生感应直流电 制动 原理如图 1 1 所示 此直流电在磁场中受力与旋转方向相反 使之产生制动并 停车 N S F F n 0 图 1 1 能耗制动原理图 如果三相异步电动机定子绕组断开三相电源后 则电机内无磁通势 从而 电磁转矩 T 0 电动机在负载转矩作用下 自然停车 这是自然制动过程 能 耗制动的电路接线及保护接线图如图 1 2 所示 三相异步电动机定子绕组切断 三相交流电源后 1K 断开 同时 在定子绕组任意两相上接入直流电流 I I 也称直流励磁电流 即接通开关 2K 从而在电机内形成一个不旋转的空间位 置固定的磁通势 F 最大幅值为 F 在三相交流电源切断后的瞬间 电动机转 子由于机械惯性其转速 n 不能突变 而继续维持原逆时针方向旋转 此时 直 流电流 I 产生的空间固定不转的磁通势 F 相对于旋转的转子是一个旋转磁通势 旋转方向为顺时针 转速大小为 n 这种相对运动导致了转子绕组有感应电动 势 E 并产生电流 I 和电磁转矩 T 根据左手定则可知 T 的方向与磁通势 F 相 对于转子的旋转方向是一样的 但与转速 n 的方向相反 电动机处于制动运行 状态 电机转速迅速下降 直到转速 n 0 时 磁通势 F 与转子相对静止 E 0 I 0 T 0 减速过程结束 电动机将停转 实现了快速制动停车 如果负载是 反抗性负载 则电机转速 n 将停车 如果负载是位能性负载 则电机转速 n 0 时必须立即用机械抱闸 将电机轴刹住停车 S SB B 8 8 S SB B1 1 F FR R K KM M2 2 1 1 K KM M1 1 K KM M2 2 K KM M1 1 K KM M 2 2 F FR R Q QS S L L1 1 L L2 2 L L3 3 F FU U1 1 F FU U2 2 P PE E M M 3 3 K KM M 2 2 7 7 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 K KT T K KT T 6 6 K KM M K KT T 2 2 K KM M2 2 V V9 9 R R K KM M1 1 N N U UV VW W 图 1 2 能耗制动控制接线图 由于制动过程 转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上 因此 称为能耗制动 2 异步电动机能耗制动的特性分析 三相异步电动机能耗制动的机械特性的推导类似于三相异步电动机固有机 械特性的推导 当异步电动机切断三相交流电源 接入直流电流 I 时的等值电 路如图 2 1 所示 它是转子绕组相数 匝数 绕组系数及转子电路的频率都折 合到定子边界的结果 图 2 1 能耗制动的等值电路 图 2 2 能耗制动的电流关系 图中 S 为能耗制动转差率 当直流磁通势 F 于转子之间相对转速 既转差 不变时 即 0 n n 且 F 的相对转子的转速即同步转速为 则 11 n 60f p 2 1 1 Sn n 转子绕组频率为 2 2 21 v fsf 图中 I1为等值电流 它是通过三相异步电动机定子绕组接入直流电流 换 算得到的 利用三相交流电流产生的旋转磁通势 F 效替代直流磁通势 F 推导 出关系如下 当电动机定子绕组为 形接法时 有 2 3 1 2 3 II 当电动机定子绕组为 形接法时 有 2 4 1 2 3 II 根据等值电路画出能耗制动时各电流之间的关系图如图 2 2 所示 则 2 5 22222 12020220202 2cos 90 22sinIIII IIII I 忽略励磁电阻r的铁损耗作用 则 2 6 22 122222 02 mmmmv EEI ZIr IX XXXXs 对于转子功率因数角有 2 7 2 2 22 2 2 sin v X r X s 代入整理各得 2 8 2 2 12 1 22 2 2 m v I X I r XX s 则 2 9 1 222 22 11 1 22 2 2 33 2 2 60 m vvM m v rr IpI X ssP T n r fXX s 上式为能耗制动的机械特性表达式 和电动机运行状态时的机械特性参数表达 式推导方法一样 可导出能耗制动时的最大转矩 TmT相应的转差率SV为 2 10 22 1 2 2 2 3 4 m mT m v m pI X T f XX r S XX 画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图 2 3 所示 图中曲线 1 为直 图 2 3 能耗制动的性 图 2 4 能耗制动过程 流电流为 I 子串入电阻 R 0 性 曲线 2 为直流电流为 I 子串入电阻 R 非 0 曲线 3 为直流电流为 I 转子串入电阻 R 0 曲线 4 为电机运行的固有特性 制动过程分析 三相异步电动机工作于电动运行状态时 采用能耗制动停车 电动机的运 行点如图 2 4 所示 即 A B 0 I 小而改变制动转矩的大小 从而改变制动时 间的大小 直流电流I选择 对于三相鼠笼式异步电动取 2 11 0 3 55 II 对于三相绕线式异步电动机取 2 12 0 23 II 2 13 2 2 0 20 4 3 N N E R I 式中I0电动机的空载电流 能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合 也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度 使重物保持匀 速下降 只需改变直流电流 大小 调节电位器 RP 或改变转子回路串电阻 R 值 则可达到目的 3 异步电动机的能耗制动 matlab 仿真 在交流电力拖动系统中 异步电动机既可运行于电动状态 又可运于电磁 制动状态 随生产机械的不同要求而定 三相异步电动机的能耗制动 是通过 将运行在电动状态的异步电机的定子脱离交流电源时 立即在定子两相绕组通 入直流励磁电流的方法 使定子产生静止磁场的 当转子由于惯性仍在旋转时 其导体切割此磁场便感应电流并产生与转子转向相反的电磁制动转矩而实现制 动 本节用MATLAB SIMULINK 建立了三相异步电动机能耗制动系统的仿真模型 通过实例进行仿真 这一方法可以构成更完备的电动机能耗制动和保护方案 改善电动机的运行状况 更好地满足生产的需要 MATLAB 是一个功能强大的科学计算软件 SIMULINK 是MATLAB 的动态仿真 工具 它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口 用户只要根据所建立的 仿真模型和一些具体的仿真要求 从模块库中拖放合适的模块组合在一起即可 实现系统的仿真 已下便是仿真过程分析实例 模型的建立 创建三项鼠笼式异步电动机能耗仿真模型如图3 1所示 电机断电后 将直 流电 电压U 80V 经限流电阻 R 1 通入定子绕组 进行能耗制动 鼠笼式三相异步电动机参数设置对话框如图3 2所示 断路器breaker的参数设置对话框如图3 3所示 图3 1 异步电动机能耗制动仿真模型 图3 2 异步电动机参数设置对话框 图3 3 breaker 参数设置对话框 模型的仿真及其仿真结果仿真波形如图 3 4 3 5 3 6 所示 依次是电机 定子电流 i 电机的转速 n 电磁转矩 T 由图可见 在 1s 前电机转速 n 为额 定速度 在 1s 后交流电源切断 直流电经限流电阻通入定子绕组 进行能耗制 动 在制动转矩的作用下电机转速快速下降 再经 0 2 秒电机速度下降接近 0 其后转速就在 0 附近波动 而定子与转矩还有较大波动并逐渐衰减到 2s 仿 真结束 能耗制动 2 秒结束比自由停车 10s 才停下来 其工作效率还是高很多 1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 图 3 4 定子电流 i 1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 200 100 0 100 200 300 400 500 图 3 5 电机转速 n 1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 80 60 40 20 0 20 40 60 图 3 6 电磁转矩 结论 能耗制动是一种优越的交流电机制动制方式 它能取得比自由停车平稳高 效的控制效果由于制动具有不稳定难观测的特点 所以采用MATLAB仿真研究是 一个很好且很方便的方法 但是MATLAB毕竟是软件模拟实现 仅仅从原理上证 实了设计的准确性 我们还必须搭建实际系统并进行调试才能最终确定合适的 调节器模型参数 从仿真结果上看 在制动转矩的作用下电机转速快速下降 再经0 2s三电 机速度下降接近0 其后转速就在0附近波动 而定子与转矩还有较大波动 能 耗制动2s三结束比自由停车10s才停下来 其工作效率还是高很多 说明该电机 的能耗制动还是不错的 从时间来看 它的响应时间也能满足要求 参考文献参考文献 1 陈伯时 电力拖动自动控制系统 第 3 版 机械工业出版社 2004 2 李德华 电力拖动控制系统 运动控制系统 电子工业出版社 2006 3 裴润 宋申明 自动控制原理 上册 哈尔滨工业大学出版社 2006 4 黄忠霖 自动控制原理的 MATLAB 实现 国防工业出版社 2007 5 曾岳南 无速度传感器矢量控制原理与实践 2006 6 陆文伟 谈异步电动机能耗制动控制线路的设计 J