《机电控制技术》-单元十二

项目１机械制动任务１电磁抱闸断电制动控制线路电磁抱闸断电控制也称断电型电磁抱闸控制，是指电磁抱闸通电时，闸瓦和闸轮分离，电动机正常工作，失电时进行制动。这种制动方法在电梯、吊车和卷扬机等一类机械上得到了广泛的应用。图１２－１所示为电磁抱闸断电制动控制线路图。其动作原理如下：合上电源开关ＱＳ，按启动按钮ＳＢ２，接触器线圈ＫＭ得电，吸引磁铁使衔铁与铁芯闭合，衔铁克服弹簧拉力，使杠杆沿顺时针方向转动，从而使闸瓦与闸轮分开，电动机正常运行。当按下按钮ＳＢ１时，接触器线圈失电，ＫＭ主触头恢复断开，电动机断电。下一页返回项目１机械制动同时电磁抱闸线圈也断电，杠杆在弹簧恢复力的作用下，沿逆时针方向转动，使闸瓦与闸轮紧紧抱住，电动机被迅速制动而停转。这种控制方法在按动停止按钮时，电动机断电，电磁抱闸就会立即使闸瓦抱紧闸轮，使电动机迅速制动停转，这样重物就可以准确定位。另外，如果电路发生断电或者停电的紧急情况时，电磁抱闸也将迅速使电动机制动，从而避免了重物下落和电动机反转造成的事故，因此具有相当高的安全性能。任务２电磁抱闸通电制动控制线路通电制动控制与断电制动控制相反。电动机通电运行时，电磁抱闸线圈无电，闸瓦与闸轮分开。上一页下一页返回项目１机械制动在电动机主电路断电的同时，使电磁抱闸线圈通电，这时闸瓦抱住闸轮开始制动。具体的电路原理如图１２－２所示。工作原理如下：合上电源开关ＱＳ，按下启动按钮ＳＢ１，接触器线圈ＫＭ１得电，主触头闭合，电动机正常转动。因其常闭触头ＫＭ１断开使接触器ＫＭ２线圈断电，因此电磁抱闸回路不通电，电磁抱闸的闸瓦与闸轮分开，电动机正常转动。当按下复合按钮ＳＢ２时，ＫＭ１线圈失电，ＫＭ１常闭触头复原，ＫＭ２线圈得电。上一页下一页返回项目１机械制动所以电动机主电路失电，而ＫＭ２常开触头闭合，使得电磁抱闸线圈得电，吸引衔铁，使闸瓦抱住闸轮实现制动。松开ＳＢ２时，ＫＭ２线圈断电，电磁抱闸线圈也断电，闸瓦和闸轮分开，电路恢复常态。此方案只能用于电动机所拖动的机械不会产生自由滑动的场合，相比前一种安全性不够高。上一页返回项目２三相交流电动机电气制动任务１反接制动控制线路反接制动是将运动中的电动机电源反接（即将任意两根相线对换）以改变电动机定子绕组中的电源相序，从而使定子绕组的旋转磁场反向，这样一来转子受到与原旋转方向相反的制动力矩而迅速停转。其基本原理如图１２－３所示。图中要使正以转速为ｎ２旋转的电动机迅速停转，可先拉开正转接法的电源开关ＱＳ，使电动机与三相电源脱离，转子由于惯性仍按原方向旋转，再将开关ＱＳ投向反接制动侧，这时，由于Ｌ２和Ｌ３两相电源线对调了，产生的旋转磁场方向与先前的相反。因此，在电动机转子中产生了与原来相反的电磁转矩，即制动转矩。依靠这个转矩，使电动机转速迅速下降而实现制动。下一页返回项目２三相交流电动机电气制动在上述制动过程中，当制动到转子转速接近零值时，如不及时切断电源，则电动机将会反向启动。为此必须在反接制动结束时，采取一定的措施，保证当电动机的转速被制动到接近零值时迅速切断电源，不会发生反向旋转的情况。在一般的反接制动控制线路中常利用速度继电器进行自动控制。阶段１单向启动反接制动控制线路单向启动的反接制动控制线路如图１２－４所示。它的主线路与正反转控制的线路基本相同，只是增加了３个限流电阻Ｒ。图中ＫＭ１为正转运行接触器，ＫＭ２为反接制动接触器。速度继电器ＫＳ与电动机Ｍ用虚线相连表示同轴。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动工作原理如下：启动时按下ＳＢ２，ＫＭ１通电吸合并自锁，电动机接通电源直接启动。当电动机转速升高到一定值时（此数值可调），速度继电器ＫＳ的常开触点闭合，因ＫＭ１常闭触点已断开，这时ＫＭ２线圈不通电，ＫＳ的接通为反接制动做好准备。停车时，按下停止按钮ＳＢ１到底，接触器ＫＭ１首先断电释放，电动机瞬时失电作惯性旋转。同时ＫＭ１常闭触点闭合，使ＫＭ２接触器通电吸合，电动机便串入限流电阻进行反接制动。当电动机转速下降到某一数值（例如１００ｒ／ｍｉｎ）时，速度继电器ＫＳ的常开触点断开，ＫＭ２接触器失电释放，制动过程结束，电动机及时脱离电源，自由停转。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动由于反接制动时，旋转磁场与转子相对速度较高，感应电动势很大，所以转子电流比直接启动时的电流还大，必须加限流电阻加以限制。反接制动电流一般为电动机额定电流的１０倍。根据经验可知，当电动机额定电压为３８０Ｖ时，若要反接制动电流不大于启动电流，那么在主电路中所加的限流电阻为阶段２双向启动反接制动控制线路双向反接制动的控制线路如图１２－５所示。工作原理如下：正转启动过程：上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动停车制动过程：上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动相反方向的启动和制动控制原理和上述相同，只是启动时按动的是反转启动按钮ＳＢ２，电路便通过ＫＡ４接通ＫＭ２。三相电源反接，使电动机反向启动。停车时，通过速度继电器的常开触点ＫＡ５－２和中间继电器ＫＡ２控制反接制动的完成。但是，这时的接触器ＫＭ１便成为反转运行的反接制动接触器。反接制动的优点是制动力矩大，制动速度快，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。此外在反接制动时，电动机既吸取机械能又吸收电源的电能，并将这两项能量消耗在电枢绕组上，因此消耗能量大。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动所以反接制动一般只适用于１０ｋＷ以下的小容量电动机，且系统惯性较大，制动要求迅速但并不频繁启动的场合。任务２能耗制动控制线路阶段１能耗制动的原理所谓能耗制动，就是在电动机脱离电源后，在定子绕组上加一个直流电压，通入直流电流，利用转子感应电流受静止磁场的作用达到制动的目的。其制动原理如图１２－６所示。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动制动时，先将电源开关ＱＳ断开，电动机脱离交流电源，但转子因惯性仍继续旋转，这时立即合上ＳＡ，电动机定子绕组就接到了直流电源上，这时在定子中会产生一个静止磁场，转动着的转子绕组便切割这个磁场而在它的导体中产生感应电路。根据右手定则判定，转子电流的方向上面为⊕，下面为☉。电流一旦产生，马上就会受到静止磁场的作用力，用左手定则可以确定这个作用力的方向如图中的Ｆ箭头所示。可以看出作用力Ｆ在电动机转轴上所形成的转矩与转子运转方向ｎ相反，所以它是一个制动转矩，会使电动机迅速停止运转。这种制动方法，实质上是把转子原来储存的机械能转变成电能，然后消耗在转子的制动上，所以叫能耗制动。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动能耗制动时制动转矩的大小，与通入定子绕组的直流电流的大小有关。电流越大，静止磁场越强，产生的制动的转矩就越大。但通入的直流电流不能太大，一般约为异步电动机空载电流的３～５倍，否则会烧坏定子绕组。阶段２无变压器半波整流能耗制动控制线路容量１０ｋＷ以下的电动机，可采用无变压器半波整流能耗制动自动控制线路，如图１２－７所示。这种线路结构简单、体积小、附加设备少、成本低。工作原理如下：先合上电源开关ＱＳ。启动过程：上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动停车制动过程：上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动制动时的直流电源是由电源Ｌ３、ＫＭ２触点、Ｕ、Ｖ绕组、Ｗ绕组、二极管Ｖ和中线Ｎ，构成的半波整流回路提供。例如，电动机Ｙ形连接时直流电源通过绕组的情形，如上图１２－７所示。阶段３有变压器全波整流能耗制动控制线路１０ｋＷ以上的电动机能耗制动一般采用有变压器全波整流能耗制动的自动控制线路。其线路如图１２－８所示。能耗制动的优点是制动准确平稳和能量消耗较小；缺点是需附加直流电源装置，制动力量较弱，特别是在低速时，制动转矩较小。能耗制动一般用于制动要求平稳准确的场合，如磨床、立式铣床等的控制线路中。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动任务３短接制动控制线路阶段１直接短接制动当电动机切断电源后其转子还具有一定的剩磁，这个剩磁与定子间也同样会产生电磁感应现象，如果加以利用也可以成为一种制动方案，这就是短接制动。前提是在电动机需要制动时切断驱动电源，并要让定子绕组形成回路，以形成感应电流（在不形成回路时，也存在电磁感应现象但只有感应电动势没有感应电流）。这时定子感应电流与转子剩磁间也有一个力的作用，很明显这个力产生的转矩会阻碍转子的旋转成为制动转矩。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动但由于电动机转子剩磁很微弱，故而其制动效果并不太明显，制动时间是自由停车时间的３／４左右，所以仅适用于那些要求不高的场合。图１２－９所示是电动机的直接短接制动方案。接触器的两个常闭触点把电动机的定子短接，启动时两个常闭触点打开，电动机通电运转，制动时在电动机断电的同时也就把定子短接了，从而起到制动效果。由于接触器常闭触点的容量有限，所以当电动机容量较大时，可以专用一个接触器对定子进行短接。阶段２电容短接制动上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动鉴于前述直接短接制动的效果不明显，所以又出现一种电容短接制动。它是通过三个电容对电动机进行短接的，有三角形接法，也有星形接法，前者效果更好一些。由于电容的接入使定子电路的电流超过前电压，对转子具有一定的励磁作用，从而加强了制动的效果。电容制动的控制线路如图１２－１０所示。工作原理如下：启动过程：上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动停车制动过程如下：图１２－１０电路中Ｒ１是调节制动转矩的电阻，Ｒ２是电容的泄放电电阻，其阻值较大，但不影响正常的工作，只在停车以后和电容形成回路，使电容上的电荷泄放掉，以防发生意外。电容器的容量可按下式估算：△接法的电容：Ｙ接法的电容：电容制动设备简单，制动迅速，无需外界供给能量。一般用于１０ｋＷ以下的小容量电动机制动频繁的场合。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动任务４超同步制动超同步制动又称为发电制动、回馈制动或者再生制动。其实这种制动严格来说不是制动，而是限速。电动机由于势能性负载的存在，在带动重物下降时，势能转化为动能，产生转子转速高于同步转速的现象时会自然地产生这种制动效果。这时电动机运行在发电动机的模式下，要产生电能回馈给电网，故这种制动方式又有发电制动、回馈制动或再生制动之说。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动对于异步电动机，当定子磁场转速大于转子转速时，电动机处于运行状态，此时定子磁场驱动转子转动，转子阻碍定子磁场的转动；当二者同速时，达到理想同步状态，彼此无力的作用；当转子转速大于定子磁场转速时，电动机工作于发电动机运行状态，这时是定子磁场阻碍转子的转动。在电动机带动重物下降时，电动机是不需要做功的，反之重物要对电动机转子做功，这样电动机转子转速升高，会达到并超过同步转速。从前面的分析可知，这时电动机运行于发电动机模式下，定子对转子有一个阻力矩的作用，这个力矩与发电产生的感生电流有关。上一页下一页返回项目２三相交流电动机电气制动电流越大阻力越大，而重物下降时产生的动力矩不变，那么重物上的加速度，从开始时的最大，逐步减小，直到变成零。重物的速度从开始时的零，逐渐增大，直到最后的匀速下降。其速度和加速度的变化情况如图１２－１１所示。上一页返回项目３三相同步电动机的控制线路任务１同步电动机的启动控制线路由于同步电动机的启动转矩为零，不能自行启动，所以常采用异步启动法进行启动。所谓异步启动法，就是在同步电动机的转子表面装上与异步电动机相同的短路绕组。在同步电动机定子绕组接通电源时，转子表面的短路绕组像异步电动机一样产生启动转矩。整个启动过程分异步启动和拉入同步两个阶段。在启动过程中，转子绕组是不能通入励磁电流的，否则将增加启动的难度。同时励磁绕组不能开路，否则启动时励磁绕组上将感应出危险的高压，使绕组绝缘击穿，并可能引起人身事故。但如果将绕组短路，又将产生很大的启动电流。下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路因此在启动时，励磁绕组通常是采用电阻短接的方式。这个短接电阻阻值一般为励磁绕组阻值的５～１０倍。在启动结束前，也就是转子转速接近于同步转速时（一般为同步转速的９５％左右称为准同步或亚同步），切除短接电阻并投入励磁绕组。同步电动机的启动控制线路包括：电动机定子绕组电源的控制和转子绕组投入励磁的控制。其步骤是：①先接入定子绕组的电源，开始启动；②当转速到同步转速的９５％时，切除短接电阻，投入直流励磁绕组。同步电动机启动时，定子绕组的电源根据需要可以采用全压启动也可以采用降压启动。上一页下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路其控制线路和异步电动机的全压或降压的启动控制线路基本相同。转子绕组投入励磁的控制时，由于同步电动机启动时，必须待转子转速达到同步转速的９５％以上才能投入励磁，因此必须对电动机转速进行监测。转速监测可由定子回路的电流或转子回路的参数来间接反映，现按照定子回路电流间接反映转速而投入励磁的自动控制线路来阐述。按定子电流的大小投入励磁的简化原理如图１２－１２所示。启动时，定子的电流很大，这个电流使电流互感ＴＡ二次回路的欠电流继电器ＫＩ吸合。上一页下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路ＫＩ的常开触点闭合，当电流很大时，ＫＴ时间继电器的线圈得电，使其常闭延时闭合触点闭合，切断了直流接触器ＫＭ线圈的回路，因此励磁绕组中无电流。通过电阻Ｒ１短接，使得当转速逐步升高时，定子电流逐渐下降，当转速接近于准同步转速时，电流明显减小，则欠电流继电器ＫＩ释放，时间继电器ＫＴ线圈断电。经一定时间后，常闭延时闭合触点闭合，接触器ＫＭ线圈得电吸合，切除短接电阻Ｒ１，并投入励磁电流。同时，ＫＭ的另一对常开触点闭合，将电流继电器ＫＩ的线圈短接，以防止电动机在运转中因某种原因引起冲击电流而产生误动作。自动投入励磁电流的同步电动机实际控制线路如图１２－１３所示。上一页下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路工作过程如下：启动时分别合上电源开关ＱＦ１和ＱＦ２，按启动按钮ＳＢ２，接触器ＫＭ１通电吸合并自锁，电动机经电阻Ｒ１作降压异步启动。由于定子回路的启动电流很大，使得电流继电器ＫＩ动作，它的常开触点闭合使时间继电器ＫＴ１线圈通电吸合，而ＫＴ１的常开延时打开触点瞬时闭合，使时间继电器ＫＴ２通电吸合。同时ＫＴ１的常闭延时闭合触点瞬时断开，避免了ＫＭ３和ＫＭ４接触器的误动作。当电动机转速接近同步转速时，定子电流下降，使欠电流继电器ＫＩ释放，ＫＴ１随之释放，经一定延时后，ＫＴ１的常闭延时闭合触点闭合，接通触电器ＫＭ３并自锁，此时同步电动机在全压下继续启动。上一页下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路同时ＫＴ１的常开延时打开触点断开时间继电器ＫＴ２的线圈电路，ＫＴ２的常闭延时闭合触点经ＫＴ２的延时时间后闭合，则ＫＭ４通电吸合。短接电阻Ｒ３，并给同步电动机接入励磁。ＫＭ４的另一对常开触点短接电流继电器的ＫＩ线圈，ＫＭ４闭合触点断开，使接触器ＫＭ１释放，切断定子启动回路和ＫＴ１、ＫＴ２线圈的电源，至此启动过程结束。ＫＴ１和ＫＴ２分别用于控制降压启动和直流投入励磁的时间。停车时，按停止按钮ＳＢ１，ＫＭ３和ＫＭ４释放，切断定子交流和转子直流励磁电源。上一页下一页返回项目３三相同步电动机的控制线路线路中ＫＡ和ＫＭ２为励磁环节，启动时当合上电源开关ＱＦ１，欠电压继电器ＫＡ吸合，其作用是保证接触器ＫＭ２不被吸合，使启动时直流励磁发动机产生正常的电压值。在运行过程中，当电网电压过低时，同步电动机的输出转矩将下降，电动机工作就趋于不稳定。为此，