异步电动机制动及其仿真分析

引言

异步电动机的制动就是在电动机轴上施加一个与电动机转速相反的电磁转矩,使电动机转动快速停下,此时异步电动机机械特性运行在第二、第四象限。制动可应用在很多场合,如电梯上升或下降停止的过程,汽车的制动过程,数控机床等生产机械。异步电动机制动的方法有能耗制动、反接制动和回馈制动3种。

实验仪器可以对电机与拖动系统的稳态进行较好地观察,但由于电机的动态过程较短,对其动态过程进行测试与观察较为困难。而Matlab/simulink仿真软件有电力系统模块,可以通过原理图构造simulink模型进行仿真。本文采用Matlab/simulink仿真软件,仿真异步电动机制动的动态过程,进一步研究异步电动机的各种制动情况。

1异步电动机制动原理

1.1能耗制动工作原理

能耗制动时,储存在转子中的动能转变为转子铜耗,以达到迅速停车的目的,所以这种方式称为能耗制动,能耗制动接线图如图1所示。能耗制动具体操作为电动机在运行的情况下,将开关s1打开,电动机的定子与三相交流电源断开,立即将开关s2闭合使定子绕组内接入直流电流,产生一个在空间上不动的静止磁场,此时转子由于惯性作用仍然按原方向进行转动,电机转子绕组转动切割恒定磁场将会产生感应电流,感应电流与恒定磁场之间相互作用,产生电磁转矩,此转矩与转子由于惯性作用而与转动的方向相反,因此电磁转矩起制动作用,使转子停下来。当转子不再转动时,就不再切割磁场,不产生感应电动势和感应电流,制动状态运行完成,电机停止。

连接定子绕组的直流电流的大小、电机转子转速的快慢,决定了能耗制动速度的快慢。当转子转动速度一定时,接入电机定子绕组的直流电流越大,制动速度越快。

能耗制动适用于大型电机,适用于转速降低平稳、制动较为频繁的场合。

1.2反接制动工作原理

三相异步电机运行时,如果改变外加三相交流电源的相序,使电机气隙磁场旋转方向反向,感应在转子中的感应电动势和电流反向,由于转子惯性作用,转子转向不变,所以由转子电流产生的电磁转矩方向与转子转向相反,电机处于反接制动状态,使转速迅速降低。由于定子相序发生改变,相应的同步转速由n1变为-n1。此时,由于s大于1,所以电机处于制动状态。这种制动方法的优点是制动迅速,设备简单,适用于5kw以下容量的电机,不适合频繁制动:缺点是制动电流很大,需要采取限流措施,并且制动时能耗大,振动和冲击力也较大。

1.3回馈制动工作原理

回馈制动是指三相异步电机转子实际转速超过同步转速的一种制动状态,当在电机转子上作用的转速超过磁场转速n1时,电磁转矩与转子转动方向相反,从而限制转子转速,起制动作用。当转子转速上升后,电能从电机的定子返给电网,该制动称为发电制动。此时转子轴上输出的总机械功率Pmec<0,电机向电网馈电。回馈制动常用于高速且要求匀速下放重物的场合,比如电梯等。

2异步电动机制动建模与仿真

2.1能耗制动建模与仿真

图2为能耗制动仿真模型,选择鼠笼式异步电机,极对数为2,相电压220V,频率50Hz,电机负载为3N·m,测量模块监测电机定子三相电流、转子三相电流、转子角转速、转矩,并通过示波器显示出来。电阻R为10Ω,直流电为100V,电动机运行到1s时,三相开关将电动机定子绕组从三相电源上断开,同时电动机定子绕组A相和B相,加入直流电100V,电机进入能耗制动状态。图3为能耗制动仿真波形图,从图中可以看出,电机经过0.4s,电动机就迅速停机。

2.2反接制动建模与仿真

图4为反接制动仿真模型,电动机运行到1s时,三相开关将电动机定子绕组相序进行交换,A相电源接定子B相绕组,B相电源接定子A相绕组。电机转子由于惯性继续保持原方向转动,电磁转矩与转子方向相反,电机处于制动状态。图5为反接制动仿真波形图,从图中可以看出,经过0.25s,电机制动过程结束,电机的转速下降非常快,与理论是一致的。

2.3回馈制动建模与仿真

图6为回馈制动仿真模型,回馈制动的电路模型是将电机负载转矩改为负值,当电机转速超过同步转速时,电动机将进入发电状态,产生反向转矩,限制转速。异步电动机运行到1s时,进行回馈制动仿真。图7为回馈制动的仿真波形图,从图中可以看出,在1s时电动机进入回馈制动,转速升高,电能从电机的定子返给电网,与理论相一致。

3结语

本文利用Matlab/Simulink仿真软件,构造了异步电机制动的各种仿真模型,仿真异步电机制动的动态曲线,这对加深异步电机制动过程的理解以及设计异步电机准确停机具有一定的意义。