三相异步电动机能耗制动系统设计

课程设计说明书

作 者:

学 院: 专 业: 题 目:

hh 学 号： kk pp jj 三相异步电动机能耗制动系统设计

hh hh 指导者：

目录

1、引言 ............................................................ 1

1.1课程研究背景 ................................................. 1

1.2课程研究的价值 ............................................... 1

1.3课程设计的任务 ............................................... 2

2、三项异步电动机的基本结构和工作原理 .............................. 2

2.1三项异步电动机的基本结构 ..................................... 2

2.1.1定子 .................................................... 2

2.1.2转子 .................................................... 3

2.2三项异步电动机的工作原理 ..................................... 4

3、三相异步电动机的能耗制动 ........................................ 5

3.1能耗制动的原理 ............................................... 5

3.2能耗制动的设计 ............................................... 6

3.2.1电器元件的选择 .......................................... 6

3.2.2计算与校验 .............................................. 6

3.2.3能耗制动原理图 .......................................... 7

3.3能耗制动的分析 ............................................... 7

3.3.1能耗制动特点........................................... 7

3.3.2能耗制动控制线路 ........................................ 8

结论 ............................................................... 8

参考文献： ......................................................... 9 [9]

1、引言

1.1课程研究背景

三相异步电动机又称三项感应电动机, 它的应用非常广泛，几乎涵盖了农业生产和人类生活的各个领域。随着电气化、自动化技术的发展，三项异步电动机得到了越来越好的控制。

而电气化控制相较其他控制方法而言，更简洁便于操作，所以应用比较广泛。本课题的控制是采用PLC 的梯形图编程语言来实现的。梯形图语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。

三相异步电动机切断电源后，由于惯性作用，转子需要经过一定时间才能停止旋转，这往往不能满足有些机械设备的工艺要求，造成运动部件的停机位置不准确，同时也影响生产效率的提高，因此必须对电动机采取有效的制动措施。停机制动方法有两大类，即机械制动和电气制动。机械制动是采用机械制动装置来强迫电机迅速停止，常用的有电磁抱闸制动和电磁离合器制动等。电气制动是使电动机产生一个与原来转子转动方向相反的制动转矩而使其迅速停止常用的有反接制动能、耗制动等。

长期以来，能耗制动始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。由于能耗制动综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超出其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制[10]。 [2]

1.2课程研究的价值

特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩大了能耗制动的功能，使其具有很强的的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业，不管是农业还是工业，都有着举足轻重的作用。

随着科学技术的发展与不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展快速的改变着我国的工业基础整体面貌。

与此同时，该技术的不断发展，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用，它

正朝着智能化、网络化和集成化的方向发展。

1.3课程设计的任务

1. 设计能耗制动系统，合理选择实现能耗制动的电气元件

2. 根据所选电气元件，设计能耗制动主回路及其控制回路

3. 要求三相异步电动机停机后迅速切除电源

2、三项异步电动机的基本结构和工作原理

2.1三项异步电动机的基本结构

三项异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分，在定子与转子之间有一定的空隙，如图4.1所示[7]。

2.1.1定子

定子由铁芯绕组及机座组成。

定子铁芯是磁路的一部分，它由0.5毫米的硅钢片叠压而成一个整体固定于机座上，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁芯的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈如图4.2所示[7]。

定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为3个部分对称地分布在定子铁芯上，称为三相绕组，分别用AX 、BY 、CZ 表示，其中A 、B 、C 称为首端，X 、Y 、Z 称为末端，三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流在定子铁芯中产生旋转磁场。

机座主要用来固定与支撑定子铁芯。中小心型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座。

2.1.2转子

转子由铁芯和绕组组成。

转子铁芯也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成为一个整体装在转轴上。转子铁芯的内圆冲有转子槽，槽中安放线圈如图4.2所示。

异步电动机转子多采用绕线式和鼠笼式两种形式。因此异步电动机按绕组形式的不同分为绕线异步电动机和笼型异步电动机两种。绕线电动机和笼形电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流及产生电磁转矩。

绕线异步电动机转子绕组是由线圈组成，三相绕组对称放入转子铁芯槽内。转子绕组通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，如图4.3所示[7]。

笼型异步电动机转子绕组是在转子铁芯槽里插入铜条，再将全部同条两端焊在两个同端环上组成，如图4.4所示。小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，转子铁芯如图4.5所示[7]。

2.2三项异步电动机的工作原理

三项异步电动机的工作原理，基于定子旋转磁场（定子绕组内三项电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。如图4.13

（a ）所示。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。如图4.13（b ）所示[7]。

3、三相异步电动机的能耗制动

3.1能耗制动的原理

异步电动机能耗制动的电路原理图一般如图4.45（a ）所示。进行能耗制动时，首先将定子绕组从三相交流电源断开（KM1断开），接着立即将一低压直流电源接入定子绕组（KM2闭合）。直流电流通过定子绕组后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统储存的机械能作用下继续旋转，转子导体内就会产生感应电动势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩。在它的作用下，电动机转速迅速下降，此时运动系统储存的机械能被电动机转换成电能后消耗在转子电路的电阻中。

能耗制动时的机械特性如图4.45（b ）所示。制动时系统运行点从特性曲线1的a 点平移至特性曲线2的b 点，在制动转矩和负载转矩的共同作用下，沿特性曲线2迅速减速。直到n 等于0为止，当n 等于0时，T 等于0。所以，能耗制动能准确停车，不像电源反接制动那样，如不及时切断电源会使电动机反转，不过当电动机停止后不应再接通直流电源，因为那样将会烧坏电子绕组

[8]。另外，制动的后阶段随着转速的降低能耗制动转矩也很快减小，所以制动较平稳，但制动效果比电源反接制动差。可以用改变定子励磁电流I f 或转子电

路串接附加电阻绕线异步电动机的大小来调节制动转矩，从而调节制动的强弱，由于制动时间很短，所以通过定子的直流电流I f 可以大于电动机的电子额

定电流，一般取I f =（2～3）I 1N [7]

3.2能耗制动的设计

3.2.1电器元件的选择

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9. 三相异步电动机 接触器FR 热继电器FU 开关SB 时间继电器KT 滑动变阻器 R 整流装置 变压装置 继电器KM

10. 二极管

11. 热敏电阻PTC

设计要求电动机自选，其主要参数为：

3.2.2计算与校验

能耗制动的强弱与通入直流电的大小和电动机转速有关系。在同样转速下，直流越大制动作用越强，一般直流电为电动机空载电流的3-4倍。电机的空载电流按不同磁极有所不同的，空载电流与额定电流之比有一定的关系：2极：20～30% 6极：35～50% 4极：30～45% 8极：35～60% [4]

所以先根据电机磁极数和额定电流计算出空载电流I, 然后算出电机两相之间的电阻R ，根据欧姆定律，即可计算出直流电压：U=3IR。知道了电机两相电阻，和直流电压，可以根据自己的需要来选择限流电阻了，想要直流电流为，则=U/（R+)，和U,R 已知，就可以计算出了。

已知技术参数和条件，根据电机数据可得：P=60f/n0=3，确定电机是6极的。额定定子线电流为=12.8A，所以取空载电流I=×40%=5.12A。制动时的直流电流为3I=15.36A。再算电机定子相电阻。由=(-)/Ns=0.04, R=0.95/,所以可以算出R=0.65Ω。再确定经整流后的电压。因为采用的是桥式整流，任意两相电流电压=220V，整流电路输出电压平均值U=0.9=198V。制动时的电流由上面

可知为15.36A 。所以选的可调电阻最小=(U/3I)-R=12.24Ω。故可调阻>12.24Ω。

因为异步电动机制动直流电流为15.36A ，故桥式电路中所选二极管流过的电流为0.5×15.36=7.68A,其所能承受的电压为×198=225.8V。二极管应选承受的最大电流大于7.68A, 最大电压大于226V 。交流继电器和时间继电器应该是能受的最大电压大于130V 。直流电压为：U=3IR=9.984V。

根据经验，取定时器（1.5-2s ）/kw，所以定时器取TON,T37，设置参数45

3.2.3能耗制动原理图

能耗制动原理图如下：

[5]

由于延时继电器在延时所设置的时间后便自动断开主触点，所以不用担心电机转速为零时依然接入直流电源的问题。

3.3能耗制动的分析

3.3.1能耗制动特点[9]

制动作用的强弱与直流电流的大小和电动机转速有关，在同样的转速下电流越大制动作用越强。一般取直流电流为电动机空载电流的3～4倍，过大会使定子过热。电动机能耗制动时，制动转矩随电动机的惯性转速下降而减小，故制动平稳且能量消耗小，但是制动力较弱，特别是低速时尤为突出；另外控制系统需附加直流电源装置。一般在重型机床中常与电磁抱闸配合使用，先能耗

制动，待转速降至一定值时，再令抱闸动作，可有效实现准确、快速停车。能耗制动一般用于制动要求平稳准确、电动机容量大和起制动频繁的场合，如磨床、龙门刨床及组合机床的主轴定位等等。

3.3.2能耗制动控制线路

切断电动机的三相交流电源后，立即在定子绕组中通入一个直流电源，以产生一个恒定的磁场，而因惯性旋转的转子绕组则切割磁力线产生感应电流，继而产生与惯性转动方向相反的电磁转矩，对转子起到制动作用。当电动机转速降至零时，再切除直流电源。这种消耗转子的机械能，并将其转化成电能，从而产生制动力的制动方法，称为能耗制动法。

启动控制：

按下SB2→KM1线圈得电→ [4]

制动控制： 需停时间

KT 延时断开常闭触点断开KM2

线圈断电→

结论

本次课程设计主意为：设计一个三相异步电动机能耗制动的主电路和控制电路。一开始我以为这个课程设计很容易完成，因为这学期刚学的PLC 书上有

这个讲解，现成的控制电路图和主电路，需要的图我都可以在书上找到然后用手机软件扫描下来，粘贴到word 。所以我就放心大胆地去做了。后来重新看课程设计的要求才知道，不仅是要设计系统，还要针对某一具体电动机选定滑动变阻器阻值产生某一具体直流电流来产生反转转矩，这就牵扯到一系列的计算。好在后来查到了有关资料，算出了相应的参数，成功解决了问题。再来还需设定具体的时间继电器的定时时间，保证在电机完全停止或停止之前时间继电器开始工作，断开主触点的开关。虽然要求说的是：电动机在速度为零的时候迅速切断电源，本来我是想用速度继电器来完成这个任务的，但查阅资料后发现没有哪种速度继电器能满足这个要求，所以只能通过设定时间继电器，在电机停止转动之前断开主触点，切断电源。在网上查了资料后发现，根据经验来说, 能耗制动大概是(1.5-2s)/kw[9], 所以我选择通电延时的时间继电器，定时

4.5秒。因为断开电源越早越好，所以定时时间宜短不宜长，就取1.5s/kw，电动机额定功率3kw ，定时4.5秒就应该断开了。

还有就是主电路要求是过流保护，这个对我来说比较生疏，而过载保护过热保护是比较熟悉的。之后查阅资料之后发现在主电路中串联PTC 热敏电阻[1]就能完成过热保护了。这些问题也就得到了解决。

参考文献：

[1]沈广鸿, 过荣霞等. 小型三相异步电动机保护电路的设计[D].安徽蚌埠:蚌埠坦克学院实验中心,2002

[2]黎觉钢. 三相异步电动机的制动控制简述[J]. ISSN：1673-8918,2011,(13):190-191

[3]罗德荣, 江岳春等. 三相异步电动机能耗制动的数值仿真[D].湖南长潲:湖南大学,2002

[4]沈阳机电学院电机系. 三相异步电动机[M].沈阳:科学出版社,1977

[5]唐婷. 电机与电器控制[M].北京：北京邮电大学出版社.2014.5

[6]吴亦锋, 侯志伟, 陈德为等.[M].5.北京:电子工业出版社，2013.1

[7]冯清秀, 邓星钟等. 机电传动控制[M].5.武汉：华中科技大学出版社，2014.4

[8]山东, 申世忠. 三相异步电机常用的几种制动方法[N].电子报.2009-05-31（012）

[9]杨耕，罗应立. 电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社.2006.3

[10]丛亮. 三相异步电动机以及PLC 控制[D].吉林:吉林省工程技师学院,2013

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