異步電動機制動及其仿真分析

引言

異步電動機的制動就是在電動機軸上施加一個與電動機轉(zhuǎn)速相反的電磁轉(zhuǎn)矩,使電動機轉(zhuǎn)動快速停下,此時異步電動機機械特性運行在第二、第四象限。制動可應(yīng)用在很多場合,如電梯上升或下降停止的過程,汽車的制動過程,數(shù)控機床等生產(chǎn)機械。異步電動機制動的方法有能耗制動、反接制動和回饋制動3種。

實驗儀器可以對電機與拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進行較好地觀察,但由于電機的動態(tài)過程較短,對其動態(tài)過程進行測試與觀察較為困難。而Matlab/simulink仿真軟件有電力系統(tǒng)模塊,可以通過原理圖構(gòu)造simulink模型進行仿真。本文采用Matlab/simulink仿真軟件,仿真異步電動機制動的動態(tài)過程,進一步研究異步電動機的各種制動情況。

1異步電動機制動原理

1.1能耗制動工作原理

能耗制動時,儲存在轉(zhuǎn)子中的動能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅耗,以達到迅速停車的目的,所以這種方式稱為能耗制動,能耗制動接線圖如圖1所示。能耗制動具體操作為電動機在運行的情況下,將開關(guān)s1打開,電動機的定子與三相交流電源斷開,立即將開關(guān)s2閉合使定子繞組內(nèi)接入直流電流,產(chǎn)生一個在空間上不動的靜止磁場,此時轉(zhuǎn)子由于慣性作用仍然按原方向進行轉(zhuǎn)動,電機轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)動切割恒定磁場將會產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流與恒定磁場之間相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,此轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子由于慣性作用而與轉(zhuǎn)動的方向相反,因此電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用,使轉(zhuǎn)子停下來。當轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動時,就不再切割磁場,不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,制動狀態(tài)運行完成,電機停止。

連接定子繞組的直流電流的大小、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快慢,決定了能耗制動速度的快慢。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度一定時,接入電機定子繞組的直流電流越大,制動速度越快。

能耗制動適用于大型電機,適用于轉(zhuǎn)速降低平穩(wěn)、制動較為頻繁的場合。

1.2反接制動工作原理

三相異步電機運行時,如果改變外加三相交流電源的相序,使電機氣隙磁場旋轉(zhuǎn)方向反向,感應(yīng)在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動勢和電流反向,由于轉(zhuǎn)子慣性作用,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變,所以由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反,電機處于反接制動狀態(tài),使轉(zhuǎn)速迅速降低。由于定子相序發(fā)生改變,相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)?n1。此時,由于s大于1,所以電機處于制動狀態(tài)。這種制動方法的優(yōu)點是制動迅速,設(shè)備簡單,適用于5kw以下容量的電機,不適合頻繁制動:缺點是制動電流很大,需要采取限流措施,并且制動時能耗大,振動和沖擊力也較大。

1.3回饋制動工作原理

回饋制動是指三相異步電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速的一種制動狀態(tài),當在電機轉(zhuǎn)子上作用的轉(zhuǎn)速超過磁場轉(zhuǎn)速n1時,電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反,從而限制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,起制動作用。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升后,電能從電機的定子返給電網(wǎng),該制動稱為發(fā)電制動。此時轉(zhuǎn)子軸上輸出的總機械功率Pmec<0,電機向電網(wǎng)饋電?；仞佒苿映Ｓ糜诟咚偾乙髣蛩傧路胖匚锏膱龊?比如電梯等。

2異步電動機制動建模與仿真

2.1能耗制動建模與仿真

圖2為能耗制動仿真模型,選擇鼠籠式異步電機,極對數(shù)為2,相電壓220V,頻率50Hz,電機負載為3N·m,測量模塊監(jiān)測電機定子三相電流、轉(zhuǎn)子三相電流、轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩,并通過示波器顯示出來。電阻R為10Ω,直流電為100V,電動機運行到1s時,三相開關(guān)將電動機定子繞組從三相電源上斷開,同時電動機定子繞組A相和B相,加入直流電100V,電機進入能耗制動狀態(tài)。圖3為能耗制動仿真波形圖,從圖中可以看出,電機經(jīng)過0.4s,電動機就迅速停機。

2.2反接制動建模與仿真

圖4為反接制動仿真模型,電動機運行到1s時,三相開關(guān)將電動機定子繞組相序進行交換,A相電源接定子B相繞組,B相電源接定子A相繞組。電機轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)保持原方向轉(zhuǎn)動,電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子方向相反,電機處于制動狀態(tài)。圖5為反接制動仿真波形圖,從圖中可以看出,經(jīng)過0.25s,電機制動過程結(jié)束,電機的轉(zhuǎn)速下降非?？?與理論是一致的。

2.3回饋制動建模與仿真

圖6為回饋制動仿真模型,回饋制動的電路模型是將電機負載轉(zhuǎn)矩改為負值,當電機轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時,電動機將進入發(fā)電狀態(tài),產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩,限制轉(zhuǎn)速。異步電動機運行到1s時,進行回饋制動仿真。圖7為回饋制動的仿真波形圖,從圖中可以看出,在1s時電動機進入回饋制動,轉(zhuǎn)速升高,電能從電機的定子返給電網(wǎng),與理論相一致。

3結(jié)語

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件,構(gòu)造了異步電機制動的各種仿真模型,仿真異步電機制動的動態(tài)曲線,這對加深異步電機制動過程的理解以及設(shè)計異步電機準確停機具有一定的意義。