异步电动机的反接制动控制设计讲解

1、摘要I.1课题的原理及意义 11.1课题原理11.2课题意义21.3相关参数计算22相交流异步电动机的结构和工作原理 52.1三相交流异步电动机的结构 52.2三相异步电动机的工作原理 53三相异步电动机的制动方法 63.1何谓三相异步电动机的制动 63.2机械制动63.3反接制动73.4能耗制动103.5回馈制动113.6速度继电器的构造、原理及使用 114仿真与结果测试134.1 MATLAB 简介134.2仿真结果135.总结16参考文献17异步电动机(asynchronous motor)又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕 组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机

2、械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式：有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。 目前MATLAB 产品族可以用来进行：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、 数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、 财务与金融工程。SIMULINK 是基于MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种 动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建，电力拖

3、动基础课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环 节之一，主要以小型实用性电力拖动系统的软、硬件设计为主。本课程设计的目的和任 务是通过对设计鼠笼式异步电机的反接制动控制的设计，是通过改变电动机电源相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子惯性旋转的方向相反，因而产生制动作用。使电动机 转速迅速下降,直至停止。并且用 MATLAB对本设计的异步电机反接制动的模拟图 进行仿真。熟悉异步电动机的制动原理，熟练掌握MATLAB的用法。进而全面熟练掌握电力拖动的应用，使学生掌握小型电力拖动应用系统设计的步骤，通过设计过程对 进一步锻炼和培养学生的动手能力。1课题的原理及意义 1.1课题原理1 .制动冋

4、题反接制动电机的一种制动方式，它通过反接相序，使电机产生起阻滞作用的反转矩 以便制动电机。其特点是：设备简单，制动力矩较大，冲击强烈，准确度不高。在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到 某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动 问题。实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。电磁制动是使电机在制动时 使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩，其特点是制动转矩大，操作控制方便。现代通用电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动2.反接制动原理改变电动机任意两相电源相序以产生制动转矩(| |FUKX2图1.1说明:(1).反接制动时，当电

5、动机的转速接近于零时应及时切断电源，否则电机将反转此控制求可由速度继电器实现。SB2J> KM1=1n > 100 r/min KS=1 工作SB1J> KM1=1 KM2=1 n < 100 r/min KS=1 KM2=1 由停车反接制动的电流(制动冲击力)较大，在主电路中串入限流电阻R。10kw以上电动机的定子电路中串入对称电阻或不对称电阻，称为制动电阻。以限制制动电流和 减少制动冲击力。(3).注意速度继电器触点的方向。1.2课题意义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

6、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，特别是三相鼠笼式异步电动机，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，在工业生产中得到 了极广泛的应用，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占有很大的比重，这是因为

7、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传动要求。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1.3相关参数计算在任务书中可以查到参数：PN=75kW，U1N=380V，nN=720r/min，I1N=148A，U2N =213V ，I2n=220A， Kt=2.4，口N = 90.5%,cos®1N = 0.85。首先计算电机的固有机械特性，计算过程如下：首先计算电机的固有机械特性，计算过程如下:T n =9550=955075 k994 .8 N m120TmaK订&

8、quot;2.4 994.8 = 2387 .5N mn0 二 750r / min6 0f3 0 0 0p4n0750匕=750 一720 =0.04n750為二 sn(Kt、K： -1) =0.04 (2.4 , 2.410.183(380朋产 40.03X2-0.0314211210x2.4x994.8/二 0.353 1U*p J_2 _11 rR| )nm = (1 -sm)n° 二(1 -0.183) 750 = 612.75r /minX =壯 210KtTnXI =X2 =0.5X =0.5 0.353 =0.175门sin 1N = 1 匚cos2_?1N 二 1

9、匚0.852 =0.527;额定工作点（nN,I0 =liN(sin 1N -cos 1Ntg 2n) =148 (0.527 0.85 0.216) = 50.82A固有机械特性的几个点：同步转速点（no, 0）为（750, 0）Tn)为(720,994.8）；最大转矩点（nM，Tmax）为（612.75,2387.5）；起动点(0,Tst)2f3p鸯2* 2X1 X22(380 3 4 一 0.064:匕3丿2兀 %50x 阪0314+0.064j+0.35321=880.04N m画出固有机械特性如图1.2所示T图1.2电动机固有机械特性电动机在额定状态下运转，为了停车采用反接制动，如果

10、要求制动转矩在起动时 为2TN，求每相串接的电阻的计算。SBng0".96，如果对应的电磁n°转矩为-2Tn，另外，此时为电源反接制动，因此no=-75Or/min。由TemBA二2Tn得到SB + SmIISmSBSm+丘=241.962 4I2-1.96 1.2 -1 =3.652或 1.052，因此应串入的电阻值Rsb =珂牆一° O.0224"1。6门或RsB =珂3652“)0.0224=0.424。0.1832相交流异步电动机的结构和工作原理 2.1三相交流异步电动机的结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们

11、都 由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端 盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图 2.1所示。图2.11轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子;8定子绕组；9机座；10后端盖；11 风罩；12风扇2.2三相异步电动机的工作原理当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动 势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下， 转子导

12、体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱 动转子沿着旋转磁场方向旋转。析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度）， 通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子 绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下 将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向 与旋转磁场方向相同。3三相异步电动机的制动方法 3.1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

13、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。3.2机械制动1.闸断电制动控制电路电磁抱闸断电制动控制电路如图 3.1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 3.2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

14、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。图3.1图中2Z 接点分别摞 图】中接点图3.22.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3.3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

15、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。图3.3闸通电制动控制电路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。3.3反接制动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

16、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。反接制动制动力强，制动迅速。2 反接制动的缺点及解决方法缺点是：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。.反接制动有一个最大的缺点，就是：当电机转速为 0时，如果不及时撤 除反相后的电源，电机会反转。解决此问题的方法有以下两种：(1) .在电机反相电源的控制回路中，加入一个时间继电器，当反相制动一段时间后，断开反相后的电源，从而避免电机

17、反转。但由于此种方法制动时间难于估算，因而制动 效果并不精确。(2) .在电机反相电源的控制回路中加入一个速度继电器，当传感器检测到电机速度为0时，及时切掉电机的反相电源。由于此种方法速度继电器实时监测电机一转速，因 而制动效果较上一种方法要好的多。3 反接制动的特点分析反接制动是通过改变电动机电源相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子惯性旋 转的方向相反，因而产生制动作用。使电动机转速迅速下降，直至停止。如果当电动机 转速n二0时仍未把反向电源断开，则电动机反转。反接制动控制的任务就是恰到好 处地把握n0的瞬间，及时切断反向电源。由于反接制动时，定子旋转磁场与转子的 相对速度接近于二倍同步转速

18、。所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于电动机全压启动电流的二倍。因电动机作反接制动运行时，除了容量很小，一般应在定子回路串接限 流电阻。制动限流电阻的作用，除了限流，也起到了减缓制动冲击的作用。控制任务是提 出来了，如何实现控制目的就成了突出的问题，靠人工来实现n0时切断制动电源显 然带有很大的局限性，于是人们应用了速度继电器。4.由得到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

19、近零时， KS的常开触头断开，切断接触器的5制动控制线路工作原理分析：图3.6单向启动原理图3.4能耗制动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. 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

20、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. 能耗控制控制电路对于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。3.5回馈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n 1

21、，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n 1,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。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n>n1，电动机产生发电制动作用。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

22、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。3.6速度继电器的构造、原理及使用1. 速度继电器的工作原理相似于感应电动机转动的原理。其基本结构由笼型定子 （实际上也可动）、永磁转子、触头机构三个部分构成。速度继电器安装于与电动机同轴 转动处,被控电机转动时，带动速度继电器的永磁转子以相同的速度转动，转子转动所产生的旋转磁场与定子笼型绕组感应电流相互作用，使可动的定子以一定的滑差随转子转动，但只转过一个很小角度就因受到结构限位而停止。定子的转动通过杠杆使触头 动作,即常闭触头断开，常开触头闭合。被控电动

23、机的转向不同，速度继电器定子因滑差而转动的方向相应不同，其所带动的触头也分属于独立的不同对触头。可见，速度继电器总体上可运用于正转及反转的场合。但其触头则应根据不同转向正确选用。速度继电器不但可用于反接制动控制，也可用于能耗制动电路。速度继电器在电气图3.7所示。DlI* y_ 1 I继电器转子常开触头 常闭触头+j图3.7速度继电器2. 速度继电器的安装与使用有如下特点：(1) .速度继电器转子与电动机转轴同轴联接，安装过程应使二者轴线重合。(2) . JY1型的工作范围是100-3000转/分,转子速度达到120转/分以上,常闭 触头断开，常开触头闭合，当转子速度降到100转/分以下，触头

24、复位。(JY1型采用“切 换”触头)通过旋动触头机构的调节螺丝，可使其动作值有所改变。(3) .进行触头动作值调整操作时，应在断开电源后进行，以免造成短路事故。4仿真与结果测试 4.1 MATLAB 简介MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵 的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量 的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真 和设计工作，而且利用 MATLAB 产品的开放式结构，可以非常容易地对 MATLAB 的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MA

25、TLAB 产品以提高产品自身的竞争能力。目前 MATLAB产品族可以用来进行：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、 数字图像处理、数字信号处理、 通讯系统设计与仿真、财务与金融工程SIMULINK是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建 模、分析和仿真，它的 建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建， 例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，。 SIMULINK 提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 SIMULNK还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用 SIMUL

26、INK几乎 可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。4.2仿真结果1. SIMULINK仿真模拟三相异步电机反接制动模型如图 4.2所示ConiinuDus-4AC Voltage Sour«iAC Voltage SoiircelVol'curnert Irj< Statb wirrant Ieji WOu Rqt&r fpnd (wiJO图4.2异步电动机反接制动模型CACThree-PhaseSeries RLC LoadAsvoohronDus MachiniB SI UnitsThree-PhiaseBaralNel RLC Branch图4.1三相异步电机反接制动模型"I