电动机课程设计方案_电动机课程设计

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摘要:

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。三相异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速和变转差率调速。其中变转差串调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串级调速和降压调速。三相异步电动机有三种制动状态：能耗制动、反接制动(电源两相反接和倒拉反转)和回馈这三种制动状态的机械特性曲线、能量转换关系及用途、特点等均与直流电动机制动状态。本文主要针对三相异步电动机三种制动状态作出了详细研究。2010-2011第二学期综合课程设计任务书

一 设计题目

三相绕线转子异步电机制动方法的应用与研究

二 课程设计的内容

1、论证三相绕线转子异步电机制动方法及其特点。

2、根据已知条件为一台三相绕线式异步电机设计制动方法及设备参数：PN＝7.5kw，nN＝1430r/m，r2＝0.06欧。今 将此电机用在起重装置上，加在电机轴上的静转矩Mc＝4kg·m，要求电机以500r/m的转速将重物降落。问此时在转子回路中每相应串入多大电阻（忽略机械损耗和附加损耗）。

三 课程设计要求

1、对各种制动方法进行论证，画出电气原理图，给出工作原理描述。

2、绘制各制动方法的人为特性曲线。

3、参数计算准确。

4、写出课程设计过程中自己的体验与收获。

5、文字通顺，全文要求打印。

四 课程设计时间安排

2011.6.17------2011.6.19查阅资料 2011.6.20----2011.6.21原理分析设计

2011.6.22------2011.6.23参数设计及电路图绘制 2011.6.24-完成设计报告书

五 课程设计成绩

六 指导教师签字

刘 霞 七 教研室审核

同 意。

一 概述

1.制动的定义

所谓制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转（或限制其转速）。制动的方法一般有两类：机械制动和电气制动。

2.制动的目的机械特性位于异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速，对于位能性负载，制动运行可获得稳定的下降速度。3.制动的方法概述

电机的制动分为三种方法：回馈制动，反接制动，能耗制动。

1.回馈制动：

再生回馈制动是在外加转矩的作用下，转子转速超过同步转速，电磁转矩改变方向成为制动转矩的运行状态。再生回馈制动与反接制动和能耗制动不同，再生回馈制动不能制动到停止状态。

2.反接制动：

反接制动是在电机定子三根电源线中的任意两根对调而使电机输出转矩反向产生制动，或者在转子电路上串接较大附加电阻使转速反向，而产生制动。

3.能耗制动:

电机在正常运行中，为了迅速停车，在电机定子线圈中接入直流电源，在定子线圈中通入直流电流，形成磁场，转子由于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电势和电流，产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电势和电流，产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。

二

电气制动

1.能耗制动:（1）能耗制动的原理

如果三相异步电动机定子绕组断开三相电源后，则电机内无磁通势。从而电磁转矩 ＝0，电动机在负载转矩作用下，自然停车，这是自然制动过程。

能耗制动的电路原理图如图1所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流

（也称直流励磁电流)，即接通开关2K，从而在电机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁通势，最大幅值为

。在三相交流电源切断后的瞬间，电动机转子由于机械

产惯性其转速 不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转。此时，直流电流

生的空间固定不转的磁通势 为顺时针，转速大小为 并产生电流

相对于旋转的转子是一个旋转磁通势；旋转方向，相

。这种相对运动导致了转子绕组有感应电动势，根据左手定则可知，的方向与磁通势 和电磁转矩

对于转子的旋转方向是一样的，但与转速 状态，电机转速迅速下降，直到转速 ＝0, ＝0,的方向相反，电动机处于制动运行时，磁通势

与转子相对静止，, 减速过程结束，电动机将停转，实现了快速制动停车。如果

将停车。如果负载是位能性负载，则电机负载是反抗性负载，则电机转速 转速 时必须立即用机械抱闸，将电机轴刹住停车。

图1 能耗制动接线图

由于制动过程，转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上，因此，称为能耗制动。

（2）能耗制动的机械特性

三相异步电动机能耗制动的机械特性的推导类似于三相异步电动机固有机械特性的推导。当异步电动机切断三相交流电源，接入直流电流

时的等值电路如图2所示。它是转子绕组相数、匝数、绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边界的结果。

图2 能耗制动的等值电路

图3 能耗制动的电流关系 图中 为能耗制动转差率。当直流磁通势

于转子之间相对转速（既转差）不变时，即，且 的相对转子的转速即同步转速为，则转子绕组感应电动势

图中的大小和频率为：

为等值电流，它是通过三相异步电动机定子绕组接入直流电流

等效替代直流磁通势

换算的办得到的。利用三相交流电流产生的旋转磁通势 法，可推导出 与的关系如下：

当电动机定子绕组为ㄚ 形接法时，有

当电动机定子绕组为△形接法时，有

根据等值电路画出能耗制动时各电流之间的关系图如图3所示，则

(01)忽略励磁电阻 的铁损耗作用，则

(02)对于转子功率因数角，有

(03)将式（02）、（03）代入式（01），整理各得

则

(04)上式为能耗制动的机械特性表达式。

和电动机运行状态时的机械特性参数表达式推导方法一样，可导出能耗制动时的最大转矩 及相应的转差率

为

(05)根据式（04）画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图 4所示，图中曲线

图4 能耗制动的机械特性 图5 能耗制动过程 1为直流电流为 转子串入电阻 电阻，转子串入电阻

时的特性；曲线2为直流电流为

（＞，时的特性；曲线3为直流电流为)，转子串入时的特性；曲线4为电机运行的固有特性。

（3）制动过程分析

三相异步电动机工作于电动运行状态时，采用能耗制动停车，电动机的运行点如图5所示。即

。改变直流电流的大小而改变制动转矩的大小，从而改变制动时间的大小。4.直流电流 的选择对于三相鼠笼式异步电动机取

对于三相绕线式异步电动机取

式中 为异步电动机的空载电流，一般取。

（4）适用范围

能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流 的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到目的。（5）注意事项

只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于

10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制变频器专用型能量回馈制动单元动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。

（6）功率流程

当工作机械要求快速制动，而在所要求的时间内，变频器再生能量在中间环节电容器在规定的电压范围内储存不了或者内接的制动电阻来不及消耗掉而使直流部分“过压”时，需要加外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度。

2.反接制动

三相异步电动机的反接制动分为定子电源反接的反接制动和倒拉反接制动两种 1.定子电源反接的反接制动（1）反接制动原理

三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图6电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速，电机将停转，从而实现了快速制动停车。

（2）机械特性

电动机的固有特性如图7所示的曲线1。当定子两相反接时，旋转磁场改变方向，则同步转速为，转差率，反接制动机械特性变为曲线2。根据异步电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻 功率为

即负载向电动机内输入机械功率。而定子传递到转子的电磁功率为，则机械

表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。由于

表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。（3）制动过程分析

三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K 闭合2K 断开。当电机定子电源反接时，开关1K 断开2K 闭合，同时转子回路串入大电阻，即3K 断开，电动机的运行点以，使得电动机快速停车。如果电动机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速 点。

时切断电源并停车，否则电动机将反向起动到

图6 图7

（4）适用范围及方法

实现反接制动可有转速反向和定子两相反接两种方法，分别讨论如下：

① 转速反向的反接制动（或称倒拉反转制动）

转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻，机械特性的最大转矩点到了

产生的负载转矩相第IV象限。当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物反，而且，在重物的作用下，迫使电动机反的方向旋转，并在重物下降的方向加速。此时转差率及均增大，直到转矩增至定运行点在第IV象限的，转速稳定为，随着的增加，、，此时重物以等速下降，稳

点，如图15-9b所示，图中机械特性在第IV象限的部分（用实线表示）即为异步电动机转速反向的反接制动。

(a)

(b)图15-9 三相绕线式异步电动机转速反向的反接制动电路图和机械特性

(a)电路图

(b)机械特性

这种制动与前述回馈制动一样，可用于起重机的重物下放，这也属于一种稳定运行状态。

电动机在反接制动状态时，它由轴上输入机械功率（为负），同时，定子又通过气隙向转子输送电功率，这两部分合起来消耗在转子电路的总电阻中。

② 定子两相反接的反接制动

异步电动机带动生产机械原在正向电动状态稳定运行（图15-10b中的点），为了迅速停车或反向，可将定子两相反接（如为绕线式转子，可同时在转子回路中串联电阻，见图15-10a），定子相序改变，旋转磁场方向也改变，转子转向未变，转差率变为，、、及均与正向电动运行时相反，从而得到反向的机械特性如图15-10b所示。定子绕组刚反接瞬间，工作点由转移到，然后在电动机的转矩

和负载转矩

共同作用下，电动机转点，如不切断电源，电速很快下降，相当于机械特性的段。在转速为零的动机将反向加速，进入反向电动运行状态，如果是位能性负载，将继续加速进入反向回馈运行。

(a)

(b)

图15-10 定子两相反接的反接制动的电路图与机械特性

(a)电路图

(b)机械特性

定子两相反接的反接制动就是指机械特性的段。

本次实验要做的是转速反向的反接制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其反向旋转，模拟位能性负载。

（5）注意事项

反接制动时，转子与定子旋转磁场间近于2倍同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动制动电流相当于全电压直接启动时的2倍，通常只适用于10KW以下的小容量电机。且进行反接制动时，必须在电动机每相定子绕组中串联一定的电阻，以限制反接制动电流，避免绕组过热或和机械冲击

3.回馈制动

（1）基本原理

前面所述反接制动机械特性，如图7所示曲线2或曲线3。当三相异步电机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负相序 象限的 点（称为回馈制动运行点），对应的电磁转矩

时，电动机运行于第Ⅳ，转速，且, 则称为反向回馈制动运行。同理，正向回馈制动运行是指电动机工作于第Ⅱ象限，且电机转速，电磁功率

中，转子送出的电磁功率,转差率，电动机的输入功率

。电动机输入的机械功率。即正向回馈制动过程

外，其余的回, 除了定子绕组上的铜损耗

馈给定子电源了。例如下章叙述的变极或变频调速过程，则为正向回馈制动过程。

（2）机械特性

图15-8 异步电动机回馈制动的机械特性

(a)正向回馈制动

(b)反向回馈制动

当电动机处于正向电动运行时，转速高于同步速为正向回馈制动，如图15-8a所示；当电动机处于反向电动运行时，转速高于同步速为反向回馈制动，（3）适用范围

当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。

（4）功率流程

正向回馈制动运行是指电动机工作于第Ⅱ象限，且电机转速,转差率

机的输入功率。电动机输入的机械功率，电磁功率，电动, 除

。即正向回馈制动过程中，转子送出的电磁功率

外，其余的回馈给定子电源了 了定子绕组上的铜损耗

（5）注意事项

经济性好，将负载的机械能转换为电能反送电网，但应用范围不广。电容制动对高速、低速运转的电动机均能迅速制动，能量损耗小设备简单，一般用语10KW以下的小容量电动机，可适用于制动频繁的场合.4.各制动方法的比较

三相异步电动机的各种运行状态和制动方法的比较 当 与 反方向，机械特性及其稳定运行点在第Ⅱ、Ⅳ象限。能耗制动、反接制动、倒拉反接制动和回馈制动点等各种制动运行过程和状态根据上述分析结果绘于图8中。

例题：根据已知条件为一台三相绕线式异步电机设计制动方法及设备参数：PN＝7.5kw，nN＝1430r/m，r2＝0.06欧。今 将此电机用在起重装置上，加在电机轴上的静转矩Mc＝4kg·m，要求电机以500r/m的转速将重物降落。问此时在转子回路中每相应串入多大电阻（忽略机械损耗和附加损耗）

解：

因为能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一

图8 类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到目的。所以本题应采用能耗制动。

n11500r/m

S150014300.0467

N1500

额定输入转矩

MN＝

PN50.1 N·m N

所以Mc4kgm40 Ｎ·m时转差

SMcMSN0.0373

N

下放重物时

S'150050015001.333

又因为当Mem不变时

r2r2rtSS

所以每相串入电阻

rtS'1.333Sr2r2(0.03731)0.062.08结论

本文主要研究了三相绕线转子异步电机制动方法的应用。电机制动是现代电机制动技术的主要方向，如能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合，也可应用于起重机一类带位能性负载的机械上，用来限制重物下降的速度，使重物保持匀速下降。

四、设计总结、心得体会

短短两周的课程设计已经结束了，通过这次的课程设计锻炼了我们的实践能力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练和考察过程。现在是一个高科技的时代，电机已经成为当今高科技应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在的。因此对于我们这一专业的同学来说，学好电机拖动，并正确应用是非常重要的。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富。参考文献

[1] 曹承志．电机、拖动与控制．机械工业出版社．2004年1月．

[2] 绍群涛．电机及拖动基础．机械工业出版社．2008年5月．

[3] 黄立培．变频器应用技术及电动机调速．人民邮电出版社．1998年7月．