三相异步电动机能耗制动控制.docx

三相异步电动机能耗制动控制.docx

《三相异步电动机能耗制动控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相异步电动机能耗制动控制.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

三相异步电动机能耗制动控制

江苏科技大学苏州理工学院

20届毕业设计（论文）

三相异步电动机能耗制动控制

系部：

电子信息系

专业名称：

电气工程及其自动化

班级：

学号：

作者:

指导教师:

二零年六月

江苏科技大学苏州理工学院本科毕业论文

三相异步电动机能耗制动控制

Threephaseasynchronousmotorenergyconsumptionbrakecontrol

摘要

近几十年来，伴随着微电子技术、电力电子技术、电力拖动技术以及现代控制理论的研究和发展，中功率甚至小功率的电动机在人们日常活动中以及在社会工业农业生产都有极为普遍的的使用。

尤其是在城镇企业以及普通的家用电器里，就会要使用更多的中功率和小功率的电动机机器。

由于电动机是当今的工业农业生产、日常的生活和交通运输的重要设备，与电动机配套的控制设备机能依旧变为用户眷注的核心主题。

电动机的控制，包含了电动机的启动、调速以及制动电机。

异步电动机因为具有结构简单、体积小、性价比高、运行可靠、维修方便、运行的效率比较高、工作特性较好等优点，普遍的应用于电力拖动平台。

根据部分统计数据显示，异步电动机的耗电量约占全国宗发电量的40%前后。

伴随着节约型社会建设的口号和电动机生产技术的提高的现状，节约现有能源和改善电动机的制动效率具有非常重要的意义。

异步电动机的耗制动耗材多线路复杂，并要耗损一定的能量资源，需要额外加上一些直流的电源装置，因此看来设备的投资成本比较高，同时能耗制动的制动力较弱，在低速的时侯制动力矩太小，制动的冲击力太大,能量的消耗也大，这些始终是一项机电专家学者们探讨的重要的课题。

本文章是对三相异步电动机能耗制动控制做出了深刻的分析与设计，三项异步电动机是一种具备高效率、低磨损、低噪声的电动机的机种.本论文在介绍三相异步电动机中，解释了关于几种经常使用的制动方法的特色，对于各种制动的方式进行互相之间的技术比较，详细的解析了能耗制动的适用场所，对三相异步电动机能耗制动控制进行模拟仿真实验，为实际应用提供了科学的理论依据。

关键词：

三相异步电动机；能耗制动；仿真控制

Abstract

Inrecentyears,withthedevelopmentofmicroelectronicstechnology,powerelectronicstechnology,electricdrivetechnologyandmoderncontroltheoryresearchanddevelopment,motorpowerandsmallpowerinpeople'sdailyactivitiesintheindustrialsocietyandagriculturalproductionareextremelywidespreaduse.Especiallyinurbanenterprisesandcommonhouseholdappliances,willbethemotormachineusesmorepowerandsmallpower.Becausethemotoristheindustrialandagriculturalproduction,dailylifeandanimportanttransportationequipment,andmotorcontroldevicecanstillbecomethecorethemeofuserinterest.Themotorcontrol,includingthemotorstarting,speedregulationandbrakingmotor.Asynchronousmotorbecausehastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,highcostperformance,reliableoperation,convenientrepair,operationefficiencyishigh,theadvantagesofbetterworkingcharacteristics,widelyusedinelectricdrivesystem.Accordingtothestatisticaldatashows,thepowerconsumptionofasynchronousmotoraccountedforabout40%ofcasesgeneration.Alongwiththesloganandthemotorproductiontechnologyofbuildingaconservationorientedsocietytoimprovethepresentsituation,hasveryimportantsignificanceforsavingenergyandimprovingtheexistingbrakingefficiencyofmotor.Asynchronousmotorbrakematerialconsumptionmultilinecomplex,ittakessomeenergyresources,needtosupplysomeadditionalDCdevice,sotheequipmentinvestmentcostisrelativelyhigh,atthesametime,energyconsumptionbrakingbrakingforceisweak,whenthebrakingtorqueatlowspeedistoosmall,theimpactforceofthebrakeistoolarge,energyconsumptionalso,thesehavealwaysbeenanimportantissueofanelectromechanicalexperts.Thisarticleistomaketheanalysisanddesignofdeeponthethree-phaseasynchronousmotorenergyconsumptionbrakingcontrol,threeasynchronousmotorisakindofmotorwithhighefficiency,lowwear,lownoisemodel.Thisthesisintroducesthethree-phaseasynchronousmotor,explainsthemethodofbrakingonseveralfrequentlyusedfeatures,forvariousbrakingmodeformutualcomparison,detailedanalysisoftheapplicableplacebrakingenergyconsumption,thethree-phaseasynchronousmotorenergyconsumptionbrakingcontrolsimulationexperiment,providingscientificbasisforpracticalapplication.

Keyword：

Threephaseasynchronousmotor;Dynamicbraking;SimulationControl

3.2三相异步电动机的结构8

第一章绪论

1.1研究背景及意义

在科学技术高速发展的现代，三相异步电动机及其相关产业正焕发出蓬勃的生机。

与传统直流电动机相比而言，其具有更经济实惠，结构简单，可靠运行，重量轻，价格便宜等优势，得到极为广泛的运用。

能耗制动是将在运转中的电动机，从交流电源上断开并且即刻接通直流电源，其中在定子绕组连接至直流电源的时侯，直流电流应该在定子的绕组里面产生个稳定的直流励场，转子靠着惯性的作用在励磁磁场中旋转，并且在转子的导体中会产生感应电势，伴随着感应电流的流过，并且和恒定的磁场会产生相互的作用，消费转子的惯性能量，从而产生制动力矩，同一时刻让电动机发生迅速的减速行为，直至到最后电机休止转动。

在制动实施方面，能耗制动最易施行，其原理较为简单。

伴随着节约型社会建设的口号和电动机生产技术的提高的现状，节约现有能源和改善电动机的制动效率具有非常重要的意义。

21世纪国际的竞争是能源的竞争，从钢铁，石油，煤炭，再到在世界范围寻找新型能源。

生活的主题将是节水节电、低碳健康，工业生产将会以环保、节能为主题，而科技发展是为改善人们的生活水平。

在20世纪中叶，西方的世界以发达国家为主体的一些国家执行了“能源流体化革命”，为他们的经济发展带来了巨大的生机。

从70年代至今，西方世界的发达国家，把节约能源行动置于重要地位，制定一系列法规标准和严格政策，同时推动新能源的开发和现有能源的节约，发扬节能研究事业和激励研制高新的节能产品，提高群众的节约能源意识和环境保护意识，大力推进和发展节能产品的市场，研究出更加适合可持续发展条件的管理方法和资源分派方式。

随着我国科学技术的迅速发展，对能源的需求量愈来愈大，开发新能源和节约旧能源已迫在眉睫。

现代工商业的产品大都是以交流异步电动机做为动力源，涵盖吹风机、抽水泵、排油泵、压缩机等，这些电动机能源消耗巨大，尤其石油化工行业中，风机泵类电动机的能源消耗量占产品生产的总能源消耗的80%以上。

异步电动机是按最高负荷选定设计，但在实际使用中，异步电动机主要在轻载甚至在空载状态下运行，因此能源浪费是非常常见的现象，譬如煤矿矿场常见的胶带压风机、绞车、带式输送机、刮板机等大型电机设备在变负荷运行时绝大多数机等大型设备的电动机大，他们的平均时间的输出功率和最高时候的输出功率之比为3：

4，甚至有些还更低。

异步电动机的负载率低，工作的效率不高，能源的浪费现象十分的惨重。

在1996年国家统计局的统计数字表明，在我国全国年发电量的60%被各种工用民用电机设备所消耗，假设这些异步电动机总计能够节约用电10%，那么光电费就可每年节约25亿元人民币，为国家节省大量能源和节约大量费用，实现开源节流的目标。

因此，在我国工业生产与科技水平不断发展进步，能源的须求日趋紧张，环保的呼声越来越高涨的情况下，如何提高电机运行效率和制动的效率可以极大缓解能源紧缺的状况，对于提升国民的经济收益和实现环保节能的目标，拥有非常重要的现实的意义。

1.2国内外研究现状与缺点

1.国内外研究现状

从1917年到现在为止我国的电动机的产业已经有了97年的历史，这个产业在国内已经产生了相当完整的产业体系。

在国外几十年以来，依靠着机械的生产技术不断地更新以及发展，对于异步电动机的制动能力与效率也提出愈来愈高的挑战。

电动机已经成为最重要的动力装置，被广泛的应用在工商业、农牧业、交通运输、国防建设设施以及日常生活中。

在此之中三项异步电动机在各类型的电动机中的应用最为广泛，同时需求量也是最大的，有这些现状的原因是三项异步电动机拥有着延长使用设备的寿命，拥有强健的降噪功能，操作相比较而言较为智能化，同时电机具有维护简便、适用性较强等特性。

另据有其他的操作效率更高和更好的性能，可以满足大多数工业生产机械旋转的需求。

国内外对各种电动机的节能控制方面做出了许多的研究，获得了不错的节能控制成果。

根据电动机的制造工艺和设计方法这些方面着手，可以研发出很多更加高效节能的电动机设备，工作的效率得到显著的提高，可节省大量能源。

对于大多数运行的电动机，尤其那些我国现有的主流设备所拥有的电动机，怎么才能让已经存在的运行的电动机工作效率提高成为现实。

目前，研究的方向主要从对电机的控制角度出发，用一个合适的控制方法来合理的控制电动机，由此达到节约能源的目的。

2.三相异步电动机能耗制动控制的缺点及局限性

在制动的性能方面，能耗制动性能最为平稳、制动效果最为准确，制动时候的能量消耗比较小。

缺点是能耗制动耗材多线路复杂，并要耗损一定的能量资源，需附加直流电源装置，因此看来设备的投资成本比较高，同时能耗制动的制动力较弱，在低速的时侯制动力矩太小，制动的冲击力太大,能量的消耗也大。

因此能耗制动通常用在不需要经常启动和制动的电动机里。

正因为这些缘故，能耗制动控制成为一个严峻的研究课题。

1.3本文的主要研究内容

能耗制动主要的作用是控制容量相对大的电动机制动也可以是需要频繁制动的设备需要准确以及平稳的制动的电动机设备，譬如常用的工业磨床、工业立式铣床之类，但是能耗制动不适用在需要紧急制动停止的电动机上。

动态制动也可用时间继电器更换速度继电器的制动控制。

在本次课题设计中共分为五大章节，第一章为课题进行介绍，在其中说明了本课题的设计背景、意义以及本课题的主要工作。

第二章是对于模拟仿真软件Matlab/simulink的介绍，内容包括了仿真软件的简介以及使用方法。

第三章着重的介绍了三项异步电动机的各类制动方法以及各种制动方法的结构与原理。

第四章介绍了三相异步电动机能耗制动控制的模型组成部分以及能耗制动控制电路设计方案。

第五章阐述了三相异步电动机能耗制动控制的模拟仿真实验的实验结果，含有部分仿真模拟的调试截图以及部分波形的画面分析。

本课题在研究设计过程中，针对三相异步电动机能耗制动的控制方法，基于MATLAB/Simulink仿真软件的使用，熟练的掌握三相异步电机的原理以及结构，绘制出仿真模型。

按照三相异步电动机能耗制动的设计原理绘制出电气原理图，同时按照所设计的电路要求，挑选出所需要的断路器、三相断路器、电动机、阶跃信号发生器、三相并联负载、三相程控电源、示波器、以及整流电路等。

在Matlab/Simulink模拟仿真系统中构筑三相异步电机能耗制动控制系统的基本模型，同时对三相异步电动机能耗制动控制编写程序，并进行I/O口指令分配。

最后，把仿真实验的过程中所出现的阻碍找出来并加以检查和修正，对三相异步电动机的能耗制动过程进行仿真模拟，以能够成功的实现仿真制动为目标。

在查询相关网络资料和图书馆资料，在老师和同学的无私的帮助之下，成功完成了相关模拟仿真系统的设计。

但是由于个人专业的知识与设计的水平有限，在仿真实验中难免有疏漏和不妥的地方，敬请老师和同学们的斧正，谢谢！

第二章Matlab/Simulink仿真软件

2.1Matlab软件简介

Matlab计算机软件产品家族史美国MathWorks公司开发的用语概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想集成环境。

自1980年问世以来，其完整的专业体系和先进的设计开发思路使得MATLAB在总舵领域都有着广阔的应用空间。

特别是在Matlab的主要应用方面，即科学计算、建模仿真和信息工程系统的设计开发上，已经成为行业内首选设计工具，在生物医学工程领域、图像信号处理领域、信号分析领域、时间序列分析领域广泛应用。

同时在电信、控制论和系统论等各个领域也应用广泛。

Matlab的名称的由来是根据Matrix和Laboratory两个词汇的前三个字母的编合形成的，在20世纪70年代末，当时担任美国新墨西哥大学计算机的科学系主任CleveMoler教授，为了减轻他的学生们对于编程难度的降低为动机，帮助学生们设计出了调用LINPACK和EISPACK库程序、具有通俗易用的接口的工具，这个就是利用FORTRAN编写的、处于萌芽状态的最原始Matlab软件。

Matlab自问世以来，即以数值计算见长。

Matlab具有很强的数值运算功能，在Matlab的环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可供使用。

复数数组是作为Matlab实行数值计算的最基本单位，由于这个原因使得Matlab具有非常高的“向量化”。

在经历了很多年的程序完善和素材库的扩充，在线性代数课程里面Matlab现在已发展成为一个常用的标准工具。

因为Matlab并不需要定义数组的维数，同时又给出了详细的矩阵函数和特殊矩阵专用的函数库，在解决诸类似信号处理、系统建模、仿真模拟、自动识别、优化控制等领域的问题时，更加凸显出简洁、高效、方便等优点，是其他高级程序语言所无法媲美的。

Matlab主要产品构成如下：

（1）Matlab集成开发环境

（2）Matlab数学函数库（3）Matlab图形用户接口（4）Matlab的专用领域工具箱（5）MatlabCompiler（6）MatlabSimulink（7）Stateflow（8）Real-timeWorkshop。

2.2Simulink模块简介

1990年，MathWorks软件公司为Matlab软件提供新型的控制系统模型化图形输入与仿真工具，同时命名为SIMULAB。

这个工具很快就得到社会广泛的认可，使仿真软件进入了模型化图形组态阶段。

1992年，该软件被正式更名为Simulink.

Simulink有两个功能：

simu（仿真）和link（连接），即该软件可以使用鼠标直接在模型窗口上实现出所需要的控制系统的模型，然后利用Simulink所提供的便利方法来对所需的系统进行系统仿真和系统分析。

与此同时，Simulink模块和Matlab程序之间的互相联系十分的便捷，所涉及的程序可以运用于一个灵活的操作系统以及更为详细的设计工具。

Simulink除了拥有可以建模和仿真的功能以外，可以通过利用其他的软件包与产品合作可以完成更多的任务分析。

Simulink是一种具有可视化能力的模拟仿真的软件，它是基于MATLAB软件的设计环境，可以实现建模的动态系统、仿真模拟以及软件包的分析，被极为广泛的应用于常用的线性系统、非线性系统、数字控制系统和数字信号处理的仿真建模等里面。

Simulink可以使用连续型采样时间、离散型采样时间亦或是两种采样时间混合的的方法来进行模拟仿真建模，而且它也支持着多速率的系统，就是在系统中每个不相同的部分，都拥有着不相同的采样速率。

Simulink提供了一个建模方块图，作为图形用户接口（GUI）来创建动态系统模型，凭借着这个创建的过程只需要使用单击与拖动鼠标这些简单的操作就可以完成设计的工序，为人们提供了更为直接简洁明了的一种设计方式，同时用户可以立刻实现并研究到系统的仿真结果。

Simulink模块作为基于模型设计的工具通常用于嵌入式系统和动态系统的多领域的仿真模拟。

对于包括着控制、通讯、视频处理、信号处理和图像处理系统的各种时变系统，Simulink模块对其进行设计、仿真、执行和测试提供一种交互式的图形化工作环境以及可定制模块库。

2.3Matlab/Simulink仿真模拟的特点

2.3.1Matlab软件的特点

（1）具有更为高效的数值计算以及符号计算的功能，把用户从繁琐的数学运算与分析的工作变得轻松；

（2）具有更为完善的图形处理功能，能够实现部分模拟编程以及计算结果更为直观，甚至是可视化；

（3）较为友好的用户界面以及更为自然接近数学表达式的语言，使得用户更易掌握，更加便于学习和使用；

（4）拥有丰富的应用工具箱功能（譬如信号处理工具箱以及通信工具箱类），提供了大量方便实用的处理工具，被使用该软件的用户所接受。

2.3.2Simulink模块的特点

（1）Simulink中提供了许多类似于“scope”的可视化显示模块。

而这种和实际示波器输出相似的图形化显示结果功能，正是Simulink的一个重要特性。

（2）Simulink模型第二个特点是层次性。

（3）Simulink的另外一个重要的特点是它为用户提供了一种封装子系统的功能，用户自定义该子系统的图标和设置参数对话框。

第三章三相异步电动机及制动简介

3.1电动机及异步电动机的原理

电动机（Motors）是一种把电能转换成机械能的设备，是一种旋转式电动机器，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。

是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩，即在定子绕组旋转磁场的作用下，在电枢鼠笼式铝框中有电流通过同时受磁场的作用而使其转动。

电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机。

电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。

电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

图3-1直流电动机原理图

异步电动机又称为“感应电动机”，把转子放置于旋转磁场里，在旋转磁场的作用下，获得了一个转动力矩，由此转子转动。

转子是可转动的导体，通常是呈鼠笼状。

定子是电动机里不可转动的部分，主要作用是产生个旋转磁场。

旋转磁场是交流电通过数对电磁铁，使它的磁极性质循环改变，因此相当一个旋转磁场。

这类电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所使用交流电的种类分为单相电动机和三相电动机，单相电动机用在洗衣机，电风扇等；三相电动机则较多作为工厂的动力设备。

3.2三相异步电动机的结构

1.定子

三相异步电动机定子的组成主要：

定子绕组、定子铁芯、机座和端盖。

（1）三相异步电动机的定子绕组：

是电动机的电路部分，通入三相交流电，可以产生旋转磁场。

构造：

由在空间互隔120°电角度、对称排列的三个结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

（2）三相异步电动机的定子铁心：

是电机磁路的一部分，并把定子绕组放置放在上面。

构造：

定子铁心一般是由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆中分布有均匀的槽，可用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种：

半闭口型槽：

虽然电动机的效率和功率因数较高，但是绕组嵌线和绝缘都较困难。

因此一般用在小型低压电机中。

半开口型槽：

可嵌放成型绕组，一般可用于大型、中型低压电机。

所谓成型绕组就是绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽：

用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

（3）三相异步电动机的机座：

用来固定定子铁心与前后端盖以便支撑转子，并起防护、散热等作用。

构造：

机座通常作为铸铁件，大型异步电动机的机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。

封闭式电机的机座外面布有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

2.转子

三相异步电动机转子主要由转子铁芯、转子绕组等组成。

（1）、三相异步电动机的转子铁心：

作为电机磁路的一部分及在铁心槽内放置转子绕组。

构造：

所用材料和定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。

通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。

一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

（2）、三相异步电动机的转子绕组作用：

切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造：

分为笼式转子