三相异步电动机能耗制动系统

《电机与拖动》

课程设计

三相异步电动机能耗制动系统

System of three phase asynchronous motor

energy consumption braking

学生姓名 刘庆 _

学生学号 [1**********]

学院名称 信电工程学院

专业名称 电气工程及其自动化

指导老师 韩成春

2015 年 1月 22

日

摘要

本文介绍了基于三相异步电动机的制动方法——能耗制动。正常运行的电动机，切断电动机定子侧的三相交流电源，并将电动机的定子绕组任意两相出线端接到直流电源上，则直流电源将在定子内形成固定磁场，转子靠惯性旋转并切割此固定磁场，在转子绕组中产生感应电动势并形成感应电流，此电流与固定磁场相互作用，便产生电磁转矩，这个电磁转矩与转子转动方向相反，达到制动状态。转子动能消耗在转子电阻内，这个过程就是能耗制动。

关键词 三相异步电动机；能耗制动；直流电源；制动转矩；定子绕组

目 录

1、绪论.......................................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景.................................................................................................. 1

1.2 课题研究意义.................................................................................................. 1

1.3 课程设计的目的和任务.................................................................................. 1

2、三相异步电动机的结构和工作原理...................................................................... 2

2.1三相异步电动机的结构................................................................................... 2

2.2三相异步电动机的工作原理........................................................................... 2

2.2.2 转差率........................................................................................................... 3

3、三相异步电动机的能耗制动.................................................................................. 4

3.1三相异步电动机能耗制动的原理................................................................... 4

3.2三相异步电动机能耗制动电路....................................................................... 4

3.3 能耗制动过程分析.......................................................................................... 6

4、三相异步电动机的选取和制动参数的计算.......................................................... 7

4.1三相异步电动机的型号................................................................................... 7

4.3计算直流电压、电流以及串入电路的电阻值............................................... 8

4.4制动时间的确定............................................................................................... 9

结论.............................................................................................................................. 10

心得.............................................................................................................................. 11

参考文献...................................................................................................................... 12

附录.............................................................................................................................. 13

附录1.................................................................................................................... 13

附录2.................................................................................................................... 14

致谢.............................................................................................................................. 15

1.1 课题研究背景 1、绪论

异步电动机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电动机也可作为发电动机，用于风力发电厂和小型水电站等。

三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。

1.2 课题研究意义

正是因为三相异步电动机的大量使用，一旦发生故障将造成生产和生活的巨大损失，所以三相异步电动机的的控制就显得极为重要。其中电动机的制动方面自然而然的就成为人们研究的热门课题。

三相异步电动机的制动方法有很多种，本文将重点分析三相异步电动机的能耗制动方式。

1.3 课程设计的目的和任务

（1）掌握电机相关的基础知识

（2）学会将理论知识转化为实际操作的能力

（3）掌握三相异步电动机能耗制动的的工作原理及方法

（4）设计出能够应用与实际的电动机能耗制动的系统

2、三相异步电动机的结构和工作原理

2.1三相异步电动机的结构

定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。

图2-1鼠笼式三相异步电动机 图2-2 绕线式三相异步电动机

2.2三相异步电动机的工作原理

2.2.1旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如下图所示。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。

图2-3 三相异步电动机旋转磁场

若定子每相绕组由P 个线圈串联，绕组的始端之间互差360°/P，将形成P 对磁极的旋转磁场。旋转磁场的转速（同步转速）可用下式表示：

60f n 0=p

式(2.1)

定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，如下图：

图2-4 转子绕组的旋转方向

转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩) ，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序) 一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。

电动机长期稳定运行时，电磁转矩T 和机械负载转矩T2相等，即T=T2。 由此可知，三相异步电动机的工作原理可以简述为：定子三相电压U 1产生定子三相电流I 1，三相电流通过定子三相绕组产生旋转磁场Φ，由于转子与旋转磁场存在着相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势E 2。由于转绕组是闭合的，因而产生了感应电流I 2，I 2与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩T ，从而使转子拖动生产机械以转速n 运转。

2.2.2 转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。用符号s 表示，转差率的计算公式为：

n 0-n N s=n 0 式(2.2)

在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅在0．01--0．06之间。

3、三相异步电动机的能耗制动

三相电动机在切断电源后，由于惯性，总要经过一段时间才能完全停止。有时候，要求电机在断电后能迅速而又准确的停止运转，这就需要对电动机进行制动。

制动方法大致可分机械制动和电气制动两类。常用的机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种。电气制方法有反接制动、能耗制动、回馈制动和电容制动等。

能耗制动具有制动准确可靠、能耗少、制动转矩平滑、对电网及机械设备冲击小等优点，在各个领域有着广泛的应用。

能耗制动消耗的能量较少，制动所需电流小。能耗制动的效果与通入定子绕组的电流的大小和电动机的转速有关，在转速一定时，直流电流越大，制动效果越好，所以能耗制动适合一些电动机容量较大的环境，要求制动平稳的场合。不足的地方是，在电机低速时制动力矩也随之减小，制动效果并不理想。

3.1三相异步电动机能耗制动的原理

能耗制动方法是将正常运行的电动机，切断电动机定子侧的三相交流电源，并将电动机的定子绕组任意两相出线端接到直流电源上，则直流电源将在定子内形成固定磁场，转子靠惯性旋转并切割此固定磁场，在转子绕组中产生感应电动势并形成感应电流，此电流与固定磁场相互作用，便产生电磁转矩，这个电磁转矩与转子转动方向相反，达到制动状态。转子动能消耗在转子电阻内，这个过程就是能耗制动。

3.2三相异步电动机能耗制动电路

(a)能耗制动主电路部分 (b)能耗制动控制电路部分

图3-1 能耗制动电路原理图

图3-2 能耗制动电路实物图

图3.1（a ）为能耗制动的控制电路。图中，KM1为单向运行接触器，KM2为能耗制动接触器，TC 为整流变压器，VC 为桥式整流电路，R 为能耗制动滑动变阻器。

图3.1（b ）为单向运行能耗制动控制电路。电动机启动时，合上电源开关SQ ，按下启动按钮SB2, 接触器KM1的线圈得电吸合，KM1的主触点闭合，电动机启动运转。

3.3 能耗制动过程分析

停车时，按下停止按钮SB1，接触器KM1的线圈失电释放，接触器KM2和时间继电器KT 的线圈得电吸合，KM2的主触点闭合，电动机定子绕组通入全波整流脉动直流电进入能耗制动状态。当转子的惯性转速接近于零时，KT 的动断触点延时断开，接触器KM2的线圈失电释放，KM2的主触点断开全波整流脉动直流电源，电动机能耗制动结束。图中KT 的瞬时常开触点的作用是为了防止发生时间继电器线圈断线或者机械卡住故障时，电动机在按下停止按钮SB1后仍能够迅速制动，两相的定子绕组不至于长期接入能耗制动的直流电源。所以，在KT 发生故障后，该电路具有手动控制能耗制动的能力，即只要停止按钮处于按下状态，电动机就能够实现能耗制动。

能耗制动的制动效果与定子直流电流I 的大小有关。I 大，产生的恒定磁场Φ大，制动转矩T 大，制动快，I 的大小可以通过调节滑动变阻器R 来实现。能耗制动时的特性曲线如图所示：

图3-3 能耗制动时的机械特性

4、三相异步电动机的选取和制动参数的计算

4.1三相异步电动机的型号

本次课程设计选用一台Y2-160M-4笼型7.5kW 的三相异步电动机。电动机的各项参数见表2-1：

表2-1 Y2-160M-4笼型三相异步电动机的相关参数

4.2制动参数的计算

能耗制动时，所需的直流电流和直流电压可按照下列式子进行计算： 直流电压的计算为：

U =IR 15C 式(4.1)

直流电流的计算为：

I =(3.5~4) I o 式(4.2)

笼型电动机为：

U =(3.5~4) I o R 15C 式(4.3)

绕线型电动机为：

U =(2~3) I o R 15C 式(4.4)

式中 I o ——电动机的空载电流（A ）；

I N ——电动机额定电流（A ）；

U 、I ——分别为直流电压（V ）和直流电流(A)；

R 15C ——接入直流电源的定子绕组在15C 时电阻值（Ω）。

空载电流可以通过实验测得也可以下列关系估算得到，空载电流与额定电流之比有如下关系：

2极：20%-30%

4极：30%-45%

6极：35%-50%

8极：35%-60%

磁极对数的计算公式：

p =

式中 p ——磁极的对数。

60f N

式(4.5) n 0

定子绕组的电阻值既可以在实验室用万用表测量出来也可近似用一下公式求出：

S N =

(n 0-n N )

式(4.6)

n 0 式(4.7)

R

利用已知电机相关参数计算得到结果后，调节滑动变阻器的电阻来达到改变电路中的电流和电压值，以便达到合理的制动效果。

4.3计算直流电压、电流以及串入电路的电阻值

磁极对数：

式(4.8)

所以磁极为6极。 空载电流：

式(4.9)

制动时直流电流：

式(4.10)

额定转差率：

式(4.11)

定子侧电阻：

式(4.12)

制动时的直流电压：

U=IR=225.8V 式(4.13)

因为整流变压器一次侧的电压为380V ，整流电路输出的电压平均值为：

式(4.14)

由于制动时的直流电流为I=151.2A，所以电路中的总电阻为：

式(4.15)

串入直流电路中的电阻为：

式(4.16)

所以将滑动变阻器的电阻值调到1.49 便可以满足能耗制动的要求。当然为了保护电机，制动电阻的阻值一般偏大一些。

4.4制动时间的确定

能耗制动的制动电阻的大小对制动时间的影响如下： (1) 电阻越小，制动电流越大，制动得时间越短； (2) 反之，电阻越大，制动电流越小，制动时间越长。

在实验室中，可以通过多次实验然后找出他们的近似关系。首先保持制动是的直流电源电压U 一定，然后调节R 值得大小就可以改变制动磁场的强度，从而改变制动转矩，获得不同的制动时间t 。为了寻找R -t 的关系，可以借助实验的方法，通过测试不同制动电阻时的制动时间，可获取R -t 的多组实验数据。采用最小二乘原理对这些数据进行拟合或者通过实验数据画出图形求出R -t 之间的近

似关系，就可以得出拟合曲线的方程。例如图4-1。

t

R

图4-1 R -t 的拟合曲线

当我们得到电路中所需串入的能耗制动电阻的大小后，就可以通过拟合曲线方程算出制动所需的时间，然后再通过时间继电器进行时间的设定。

经过一系列的比较与分析，三相异步电动机的能耗制动相比于不加制动的系统，极大的缩短了电机从断开电源到完全停止运行的时间，这也就为生产生活中使用三相异步电动机的安全性能得到了很大的提高。能耗制动对于其他制动系统来说，它能耗少、对电网及机械设备冲击小，这对于广泛被使用的三相异步电动机来说节省了大量能源和资源，也对电机起到一定的保护作用，增加电机的使用寿命。对于一些对电机制动准确性要求比较高的的环境，能耗制动就显得尤为重要。

不同的环境和对电机的不同性能的要求，决定了我们对不同的制动方法进行选择。由于能耗制动适合一些电动机容量较大的环境，要求制动平稳的场合，所以在这种情况时我们可以采用能耗制动。其他情况可以选择其他的制动方式，这样才能发挥每种制动方式最大的优势。

通过本次课程设计，锻炼我很多方面的能力。首先，面对一个陌生的题目应该如何运用自己所学过的知识将其解决；其次，这也能检验我能否将所学过的理论知识运用到实际生活当中去，这也是当前很多学生所面临的问题；然后，学会怎样在遇到问题时从网上和相关的书上查找资料，进而运用它解决问题。

在刚开始看到题目时真的是无从下手，到处都是问题，不知道先解决哪一个和怎么解决。后来向学长请教、与同学们讨论、参考网上的相关论文，慢慢开始找到思路和方法；然后从最基础的问题进行分析进而逐个进行击破。中间肯定会遇到一些自己没有想到的难题，几乎是一点思路都没有，不过在和同学的谈论当中突然找到思路，然后开始查阅各种资料去找寻解决问题的不同方法，最终确定一个最佳的方案。

课程设计就像一门课程一样，我认识到自己必须有足够扎实的专业基础知识，因为只有这样才能在解决问题时文思泉涌，达到游刃有余的境界。与他人进行讨论固然很重要，不过遇到难题首先要独立思考才是一种好的学习和认知的习惯；动手能力同样是必不可少的，实践是检验真理的唯一标准，只有亲自进行进行实验操作，才能知道自己的理论拖到结果有没有出错。实际情况往往和理论推导存在不少误差，实际操作过后再进行理论修改是理论更符合实际的情况，这样才能使我们所学的知识更有实用价值和实际意义。

参考文献

[1]顾绳谷. 电机及拖动基础［M ］ .北京：机械工业出版社， 2005 [2］顾绳谷. 电机及拖动基础［M ］ . 北京：机械工业出版社， 2007 [3] 魏炳贵. 电力拖动基础[M] .北京：机械工业出版社， 2002

[4] 黄永红. 电气控制与PLC 应用技术[M] .北京：机械工业出版社，2011 [5] 唐介. 电机与拖动[M] .北京：高等教育出版社，2007

[6] 石幸利. 三相异步电动机制动方法及计算 . 重庆:重庆石油高等专科学校，2001-12 [7] 程亮，黄海波. 求取能耗制动R-t 拟合曲线的试验方法 . 成都：四川工业学

院电气系，2003-4

附录

附录1

设备与元件清单

附录2

a)KM1吸合时控制电机运行

b ）KM2吸合时电机制动状态

C ）时间继电器控制制动时间

致谢

感谢学校和老师能够给予我这次做课程设计的机会，同时也为我们提供了实验室方便进行理论转化为实践，验证本次课程设计的实用性。

感谢各位老师对专业课和基础课程的负责教学和平时任务的严格要求，正因如此才能为本次课程设计打下了良好的理论基础。

感谢同学能够在我遇到困难时与我进行探讨并提供各种帮助，他们让我明白了团队的强大力量以及分享一些资料和编辑软件的快乐，更重要的是从中学到了很多以前并不了解的知识。