异步电动机的反接制动控制设计.docx
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异步电动机的反接制动控制设计
目录
摘要I
1课题的原理及意义1
1.1课题原理1
1.2课题意义2
1.3相关参数计算2
2相交流异步电动机的结构和工作原理5
2.1三相交流异步电动机的结构5
2.2三相异步电动机的工作原理5
3三相异步电动机的制动方法6
3.1何谓三相异步电动机的制动6
3.2机械制动6
3.3反接制动7
3.4能耗制动10
3.5回馈制动11
3.6速度继电器的构造、原理及使用11
4仿真与结果测试13
4.1MATLAB简介13
4.2仿真结果13
5.总结16
参考文献17
摘要
异步电动机（asynchronousmotor）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MatrixLaboratory，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.制动问题
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。
图1.1
说明：
（1）.反接制动时，当电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。
SB2↓—→KM1=1n>100r/min→KS=1工作
SB1↓—→KM1=1KM2=1n<100r/min→KS=1—→KM2=1自由停车
（2）.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，
。
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：
固有机械特性的几个点：
同步转速点（n0，0）为（750，0）；额定工作点（nN，TN）为（720，994.8）；最大转矩点（nM，Tmax）为（612.75，2387.5）；起动点（0，Tst）
由
画出固有机械特性如图1.2所示。
s
-n0
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，如果要求制动转矩在起动时为2TN，求每相串接的电阻的计算。
，如果对应的电磁转矩为-2TN，另外，此时为电源反接制动，因此n0=-750r/min。
由
得到
得
，因此应串入的电阻值
或
。
2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2.1
1—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3.2
2.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=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n→0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。
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n→0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.反接制动的控制线路如图3.4所示。
图3.4反接制动控制电路
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3.5反接制动原理图
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n1，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n1，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。
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
4.1MATLAB简介
MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，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MATLAB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SIMULINK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。
图4.2异步电动机反接制动模型
图4.1三相异步电机反接制动模型
2.仿真结果
制动之前，先运行稳态仿真模型，并在 MATLAB指令窗口执行如下指令：
>>xInitial=xFinal
再修改三相交流电的相序，重新运行模型。
仿真结果如图4.2和图4.3所示。
有仿真结果可知制动时电磁转矩为负转速迅速下降至零，反接制动与启动时电流相比电流叫大这是因为旋转磁场为反向旋转磁场，s>1。
图4.2制动以前
图4.3制动以后
5总结
我在本课程设计中，原件的选择和功能做一个查阅，尽量选取最合适的器件来完成最精准的实习结果。
本设计通过分析异步电动机的结构、工作原理，查阅相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合。
经过查阅各种资料以及我们所学的《电力拖动基础》教材，使得我认识到电力拖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。
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。
其次我也通过这次设计对于MATLAB的应用有了一个更本性的提高。
本人深知自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。
由于时间的原因，设备的原因，实验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。
可以肯定，随着技术的不断发展，异步电机的反反接制动控制应用前景将越来越宽阔。
本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。
参考文献
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华中科技大学出版社，2010.
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机械工业出版社，2000.
[3]李维波.MATLB在电气工程中的应用[M].北京：
中国电力出版社，2007.
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高等教育出版社，2004.
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