毕业设计（论文）磨床中异步电机能耗制动仿真.doc

目录摘 要IAbstractII1磨床发展概述11.1磨床的发展和现状11.2磨床的类型11.3能耗制动在磨床电机中的应用21.4能耗制动参数计算22异步电动机能耗制动原理32.1异步电动机制动的基本方式32.2回馈制动（又称发电制动、再生制动）32.3异步电动机反接制动制动分析32.4能耗制动73 ATLAB实现电机仿真93.1 Matlab/Simulink动态仿真软件93.2 Simulink对电机系统仿真概述103.3 异步电动机能耗制动仿真分析103.3.3能耗制动仿真结果分析134.异步电动机能耗制动的完善与改进意见13参考文献14致 谢15摘 要磨床中三相异步电动机的能耗制动模块，实际上通过利用异步电动机电磁原理来实现的。三相异步电动机的能耗制动是一种平稳，准确，能量消耗小的制动控制方式。本文分析了异步电动机的电气制动原理及其能耗制动的基本控制方式，介绍了Matlab的使用方法。重点讨论了Simulink工具在电机仿真中的应用，并给出三项异步电动机能耗制动的仿真演示。技术上，应用的仿真软件是Matlab/Simulink软件。本课题共分为三个大部分，即磨床发展部分；异步电动机能耗制动部分；MATLA仿真部分。各部分相互独立，同时又围绕主题构成统一的整体。改变输入电流形式，我们可以得到非常真实和多变的条件。为使该系统工作稳定，利用MATLAB仿真软件对制动过程中电流、转速、转矩等进行对比研究。本文重点介绍了磨床电机能耗制动系统的总体构成，控制方法，仿真步骤和数据分析。此外还先关简要介绍了一些其他电气制动的相关基础理论。最后提出了能耗制动模块有待于进一步完善发展的方向。关键词：磨床、电动机、能耗制动、电气制动、控制仿真、Matlab、SimulinkABSTRACTThe dynamic braking module of three-phase asynchronous motors used for grinders, in fact, makes use of the inductive principle of electromagnetic induction motors to realize. The dynamic braking module of three-phase asynchronous mortors is a smooth, accurate, energy-efficient mode. This thesis introduces the electric braking principle of the three-phase asynchronous motors,the basic controlling mode of dynamic braking, the use-method of the Matlab. Above all,this paper introduces the use of simulink tool and gives examples of the dynamic braking module of three-phase asynchronous motors.Technically, the application of emulatio is the Matlab/Simulink software. This topic is divided into three big parts:the development of grinde, the dynamic braking of asynchronous motor module,the emulation of Matlab. In order to constitute a unified integral,each part is not only independent, but also unitive.We can get real and changeful conditions by change the forms of the input current. By comparing the current, speed, torque in the braking process,wo can make the system work stably on Matlab.This paper,importantly,introduces the dynamic brakings general structure,controlling method,simulational steps,and data analysis.In additon,it introduces some basic therories relate to other electrical brakings.At last,the thesis puts forward a direction of the dynamic brakings development which needs to be improved in the future.Keywords: grinder, motor, dynamic braking, electrical braking,controlling simulation, Matlab,Simulink.1磨床发展概述磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。 大数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。1.1磨床的发展和现状十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。 1.2磨床的类型随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床 的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 (1)外圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形外表面的磨床。 (2)内圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表面的磨床。 (3)座标磨床：具有精密座标定位装置的内圆磨床。 (4)无心磨床：工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，主要用于磨削圆柱形表面的磨床。 (5)平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。 (6)砂带磨床：用快速运动的砂带进行磨削的磨床。 (7)珩磨机：用于珩磨工件各种表面的磨床。 (8)研磨机：用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面的磨床。 (9)导轨磨床：主要用于磨削机床导轨面的磨床。 (10)工具磨床：用于磨削工具的磨床。 (11)多用磨床：用于磨削圆柱、圆锥形内、外表面或平面，并能用随动装置及附件磨削多种工件的磨床。 (12)专用磨床：从事对某类零件进行磨削的专用机床。按其加工对象又可分为：花键轴磨床、曲轴磨床、凸轮磨床、齿轮磨床、螺纹磨床、曲线磨床等。 1.3能耗制动在磨床电机中的应用大多数磨床都是要求用砂轮对工件的表面的进行磨削加工，是一种控制精密的仪器。通过磨削，是工件表面的形状、精度、和光洁度等都达到预期的效果。其中以平面磨床最为普遍。结构主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱（又称磨头）、滑座和立柱等部分组成。如图：为调整砂轮位置，磨头升降采用点动控制。为了停位准确，应有制动控制（采用能耗制动）。上下极限位置应有位置保护。在磨削加工中应保证砂轮架不能升降移动。与其他制动控制方式相比能耗制动由于制动平稳、准确、能量消耗小、经济且电机使用寿命长等显著优点被广泛应用于磨床异步电机控制中。1.4能耗制动参数计算制动电流ID1.5IN直流电压UDRID 整流变压器二次侧交流电流I2 ID /0.9电压U2UD/0.9整流变压器容量S= I2 U22异步电动机能耗制动原理所谓能耗制动，即在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用已达到制动的目的。2.1异步电动机制动的基本方式三相异步电动机的制动的方法一般有两类：机械制动和电气制动。能耗制动属于电气制动的一种。2.1.1机械制动利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫机械制动。机械制动常用的方法有：电磁抱闸和电磁离合器制动。2.1.2电气制动2电动机产生一个和转子转速方向相反的电磁转矩，使电动机的转速迅速下降。三相交流异步电动机常用的电气制动方法有回馈制动、反接制动和能耗制动。2.2回馈制动（又称发电制动、再生制动）多速异步电动机上。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。2.3异步电动机反接制动制动分析2.3.1.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。反接制动的优点是：制动力强，制动迅速。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。2.3.2.反接制动的控制线路图2-1单向启动反接制动控制线路当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，切断接触器的线圈电路。2.3.3反接制动控制线路工作原理分析（1）单向启动：图2-2 单向启动流程图（2）反接制动：图2-3 反接制动流程图（3）单向启动反接制动控制线路原理示意图图2-4 单向启动线路控制图图2-5反接制动原理示意图1图2-6反接制动原理示意图22.4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。2.4.1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。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。2.4.2 能耗制动控制线路2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。图2-7单向启动能耗制动控制线路2.4.3 线路工作原理分析（1）单向启动运转：图2-8单向启动能耗制动流程图（2）能耗制动停转：图2-9 能耗制动停转流程图3 ATLAB实现电机仿真MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。3.1 Matlab/Simulink动态仿真软件 由美国Mathwork公司推出的Matlab软件是目前国内外最流行的计算机仿真软件，旗下的Simulink动态建模仿真工具，具有建模方便、直观、更改参数容易，能动态显示图形等优点，在自动控制、电机拖动仿真领域得到了广泛应用。3.2 Simulink对电机系统仿真概述对电机系统进行仿真分析主要采用Simulink下的SimPowerSystem库。它包括6个子模块库：电源（Electrical Sources）字库：含有单相交流电源，直流电压源、受控源，三相交流电源等；元件（Elements）字库：含有各种支路、负载和开关、变压器等主要电力设备元件；附加字库（Extra Libarary）：含有附加的控制、测量模块和特殊变压器的模块；电机字库（Machines）：含有直流、交流、控制等各种电机；测量字库（Meaturement）：含有电压、电流和阻抗等测量元件；电力电子库（Power Electronic）里有GTO、IGBT、MOSFET、Thyristor的各种电子元器件。3.3 异步电动机能耗制动仿真分析异步电机是生活中应用比较广泛的电机，相对于直流电机来说，其理论概念更加抽象。采用Simulink 仿真可以把抽象的控制方法形象化，有利于掌握异步电动机的各项原理及性能特点7异步电机的能耗制动方式，与直流电机起动控制一样也是动态过程，在实验室不容易观测，借助于Simulink 仿真效果就比较好由于能耗制动过程涉及模型结构的变化，因此整个仿真过程分成两个阶段进行：3.3.1稳态模型首先建立制动前的稳态运行模型，在Simulink 模型窗口，选择3 个单相交流电压源(AC Voltage Source)、电压测量(VoltageMeasurement)、异步电机(AsynchronousMachine)、示波器(Scope)和总线选择器(Bus Selector) 等模型 图3-1 三相异步电机能耗制动前(稳态) 仿真模型按图3-1，进行连接，建立仿真模型仿真时把3 个单相交流电压源的幅值设置为311V，初相位分别设置为0°、120°、-120°，异步电机设置为鼠笼型(Squirrel-cage)3.3.2 制动模型图3-2 三相异步电机能耗制动后仿真模型其仿真模型如图3-2所示，去掉交流电源，而在异步电机A、B两相引入220v直流电源，并串入制动电阻Rz，其他元件、参数均不变由于异步电机稳态运行的参数是其能耗制动的初始状态，要在Simulink 中实现这一功能，须按如下过程操作：(1)模型运行前先打开“Simulation/ConfigurationParameters/Data Import/Export”的“Save to workspace”项，选中“Final states”选项(其中变量为xFinal)，然后按“OK”(2)运行稳态仿真模型(如图3-1所示)，结果如图3-3 所示它展示了三相异步电机从起动到稳定运行的过程(3)在Simulink 窗口按图3-2 所示修改仿真模型(4)接下来在Matlab 的指令窗口执行如下指令：“xInitial=xFinal”(5)再打开“Simulation/ConfigurationParameters/Data Import/Export” 的“Load from workspace” 项，选中“Initial state”选项(其中变量为xInitial)，然后按“OK”(6)最后运行修改后的仿真模型，结果如图3-4所示，它展示了异步电机从稳态到制动的动态过程。图3-3 制动前，三相异步电动机能耗制动仿真图3-4 制动后，三相异步电动机能耗制动仿真结果3.3.3能耗制动仿真结果分析从磨床电机制动前的运行状态可以看出：制动开始前，电机已进入稳态运行。电流、转速和转矩基本保持不变。在此基础上，通过输入直流电后，电机的转子和定子电流在出现了浮动，但是都保持在额定电流的1.5倍左右，符合电机使用安全要求。电机转速和转矩在0.4秒内快速下降到零。既满足了磨床使用中对快速、准确停转的要求，又将制动转矩对电机的冲击时间降到了最低，体现了能耗制动在磨床使用中的优点。4.异步电动机能耗制动的完善与改进意见电动机的能耗制动，主要是通过时间继电器KT的一个延时断开的触点来实现。由于继电接触器控制系统机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性也较差，因此满足不了现代化生产过程日益复杂多变的控制要求。可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子装置，是直接应用于工业环境，用程序来改变控制功能，易于与工业控制系统连成一体的工业计算机。他主要用于开关量逻辑控制、运动控制、过程控制数据处理和通讯联网领域。PLC控制与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、能耗低、体积小维修方便等优点。因此将PLC控制技术应用在异步电动机能耗制动将会得到更好的控制和经济效益。参考文献1 吴大榕，电机学（上、下册）M.水利电力出版社，1979.11.2 胡虔生 胡敏强 电机学M. 中国电力出版社 2005.3 王正林，刘明. 精通MATLABM. 北京：电子工业出版社，2006.4 MATLAB实用教程M. 北京：电子工业出版社，2004.5 周向明.控制系统MATLAB计算机及仿真实训M.北京：国防工业出版社，2006. 6 姚若玉，冶继民.基于MATLAB7.X的系统分析与设计控制系统M.西安：西安电子科技大学出版社，2005.7 罗德荣.三相异步电机能耗制动的数值仿真J.维特电机，2002，(4).8 魏新亮，王云亮，陈志敏.MATLAB语言与自动控制系统M.北京：机械工业出版社2003.9 胡寿松. 自动控制原理（第五版）M. 北京：科学出版社，2007.10 刘瑞华,李力,杨启文. 基于MATLAB的自动控制原理CAI软件设计 J. 河海大学常州报,2002(01). 11 王兆安、黄俊主编.电力电子技术.第4版M.北京：机械工业出版社，2000.12 陈伯时，李发海，王岩.电机与拖动M.北京：中央广播电视大学出版社，198致 谢本文是在谢宁鲁老师的精心指导下完成的。论文从选题到完成的整个过程中，得到了谢老师的热情帮助与细心指正。谢老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、敏锐的学术眼光、精益求精的精神给我留下了深刻的印象，并对我的学习和工作产生极大的促进作用。在论文完成之际，我要感谢谢老师对我在四年学习和生活中的关心和教诲，特向谢老师表示深深的感谢！在此，还要感谢魏强，唐校等老师的精心授业和在四年的学习中给我的帮助和支持。他们所讲授的自动控制原理，Matlab教程与实训，电机学等课程给我思想的启迪，从他们所讲授的课程中我学到了自动控制原理与Matlab的方法，这些方法在我研究的过程中发挥了巨大作用，使我能够顺利完成课题的研究和论文的写作。感谢所有任课老师的精心授业和教辅人员的辛勤工作！本文在写作的过程中参考了大量的文献资料，主要文献资料已开列出来，本文的有些句子或段落来自这些参考文献。在此向所有的作者表示深深的感谢！