目 录

摘要 2

一．能耗制动 4

1．能耗制动的原理和制约过程 4

2.能耗制动的机械特性 5

3.对能耗制动的机械特性的理解 5

二．电动机概述 5

1.基本知识 5

2.基本分类 6

3.三相异步电机结构 7

3.1 定子 7

3.2 转子 8

3.3 气隙以及其他部分 8

3.4 三相异步电动机工作原理 8

三．时间继电器概述 9

四．交流接触器概述 10

五．电路设计 12

1.主回路设计 12

2.控制电路设计 12

3.整流桥的设计 12

4.电路原理图 13

六．系统电路各器件的选型 14

1.电动机 14

2.熔断器 14

3.热继电器 14

4.接触器KM1、KM2、KM3 14

5.时间继电器 14

6.刀开关的选择 15

7.控制按钮SB1、SB2、SB3 15

七．实验心得 15

八．主要参考文献 16

电机可逆运行能耗制动控制系统

学生:何继涛 （指导老师:卢承领）

（皖西学院机械与电子工程学院）

摘要：可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动化控制技术、计算机技术与通迅技术为一体而发展起来的崭新的工业自动化控制装置，目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC跃居工业自动化三大支柱的首位。

生产机械往往要求拖动电动机能作正、反向旋转，并使用能耗制动进行停止，由电机原理可知改变三相电源的相序就能改变电动机的转向，然后切除三相交流电源之后，定子绕组通入直流电流，在定转子之间的气隙中产生静止磁场，惯性转动导体切割该磁场，形成感应电流，产生与惯性转动方向相反的电磁力矩而制动。按启动按钮SB1，KM1合，电机正转。按启动按钮SB2，KM2合，电机反转。 按下SB3，KM1或KM2停，电动机进行能耗制动。FR动作，KM1或KM2释放电机自由停车。

关键词：可编程控制器 电机正反转 能耗制动 自动控制装置

Reversible Motor Brake Control System Snsrgy Consumption

Student: HeJiTao(Faculty Adviser：LuChengLing)

Abstract:Programmable Logic Controller (PLC) is a microprocessor core, the automation and control technology, computer technology and communication technology as a whole and developed a new industrial automation control devices, the current PLC has basically replaced the traditional relay control and widely used in various fields of industrial control, PLC ranks first in the three pillars of industrial automation.

Production machinery is often required to drag the motor for forward and reverse rotation, and use dynamic braking to stop, we can see by the principle of changing the three-phase motor phase sequence can change the power steering motor, and then removed after the three-phase AC power, DC current into the stator winding through the air gap between stat or and rotor magnetic field generated in stationary, rotational inertia of the conductor cutting the magnetic field, the formation of induced currents, resulting in turn in the opposite direction with the inertia of the electromagnetic torque and braking. Press the start button SB1, KM1 close, the motor forward. Press the start button SB2, KM2 close, the motor reversal. Press the SB3, KM1 or KM2 stop, the motor for braking. FR action, KM1 or KM2 release of the motor free parking.

Keywoed: PLC automatic braking motor reversing control devices

一.能耗制动

1．能耗制动的原理和制约过程
　 三相电动机的能耗制动的原理，设原来电动机接在电网上运行在正向电动状态，其转速为n，制动时把正在运行的电动机的定子从三相交流电源上断开，同时将直流电流通人定子绕组，这样直流电流流过定子绕组将在电动机气隙中形成固定的、不旋转的空间磁场。在电源切除后的瞬间，电动机转子因惯性作用转速不能发生突变，所以相对转速来说，由于直流电流产生的恒定空间磁场是一个旋转的磁场。转子的转速为n逆时针旋转，站在转子上看，恒定的空间磁场则为顺时针方向旋转，转速大小也为n，正如电动机运行在电动状态一样，转子与空间磁场有相对运动，在转子绕组中产生感应电动势E和感应电流I。转子电流，与恒定空间磁场相作用而产生电磁力和电磁转矩Te，此电磁转矩Te的方向与转予转速方向相反，电动机进入制动状态。在Te的作用下，转子的转速降低，如果电动机拖动的是方向负载，电动机的转速很快降低到零。在n=0时，转子与空间磁场无相对运动，转子绕组中感应电动势Er和感应电流Ir均变为零，电磁转矩Te也为零，减速过程结束。此过程是电动机转子的动能转换成动能，消耗在转子回路中了，所以称能耗制动。

2.能耗制动的机械特性

大家都知道，当电动机的机械特性在第一、三象限时是电动运行状态，在第二、四象限时是制动状态。能耗制动时如右图所示，机械特性在第二象限，当转子回路电阻不变而直流励磁电流增加时，产生最大转矩时的转速不变，但最大转矩将增加，如图中特性曲线1与2所示(特性曲线2对于直流励磁电流较大时)；当转子回路电阻增大而直流励磁电流不变时，产生最大转矩时的转速也增大，但最大转矩保持不变，1与3所示(特性曲线3对应于转子回路电阻较小时)。因此，在能耗制动时，转变转子串联电阻或定子直流励磁电流的大小，均可调节制动转矩的数值。
　　在讲解这段时，利用曲线1和2，曲线1和3。看l和2，转速是定值，而转矩是向左增大的；在看1和3，转矩是定值，而转速是向上增大的；所以得到了结论是：转变转子串联电阻或定子直流励磁电流的大小，都可调节制动转矩的数值。这样一来，就不用像以往的教学中，利用公式推导了。因为在公式推导时，理论性太强。学生不易听懂。为此我简化了讲解过程，同时能够使职业学院的学生更容易理解能耗制动的机械特性。

3.对能耗制动的机械特性的理解
　　从特性曲线上看，能耗制动结束时，n=0，Te=0，sd=0这与电动机运行在电动状态时的机械特性不同。这表明：采用能耗制动使电动机转速下降时，其制动转矩也为零，因此能耗制动可用于反抗性负载准确停机，也可用于位能行负载匀速下降。
　　实际上，不同的直流励磁电流以及能耗制动过程中的不同转速时，电动机磁路的饱和程度是不同的。即励磁阻抗Xf并非是常数，这时，电流也就会有变化，制动转矩也会有变化了。因此，能耗制动时的机械特性是否符合制动要求，是有条件限制的。这一点必须讲解明确。

二.电动机概述

1.基本知识

定义：应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械。用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。

2.基本分类

1．按工作原理分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2．按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单 相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

3．按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5．按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

3.三相异步电机结构

三相异步电动按转子结构不同，可分为笼型和绕线型两类。绕线型一般用于启动和调速要求较高的场合；按机壳的保护方式可分为防护式、封闭式、防爆式三类，这些不同的结构可以满足各种不同的环境需要。

3.1 定子

三相异步电动机的定子主要由定子铁芯、定子绕组、机座和端盖组成。

定子铁心 

作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。 构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 定子铁心槽型有以下几种： 半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。 半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。 开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。 

定子绕组 

作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。 

机座 

作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。 构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

3.2 转子 

三相异步电动机转子主要由转子铁芯、转子绕组等组成。

三相异步电动机的转子铁心

 作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。 构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。  

三相异步电动机的转子绕组 

作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。 构造：分为笼式转子和绕线式转子。（1）笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。（2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。 特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。 

3.3 气隙以及其他部分

与其它旋转机一样，异步电动机定、转子之间也必须有一定气隙。异步电动气隙很小，一般为0.2mm-2mm.其他部分还有端盖 、轴承、轴承端盖、风扇。

3.4 三相异步电动机工作原理

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。

通过上述分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。

三．时间继电器概述

时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器 ,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点部分组成。

时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.4～60s和0.4～180s两种) ，它结构简单,但准确度较低。当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹, 上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经出气孔被迅速排出。

四．交流接触器概述

接触器是电力拖动与自动控制系统中重要的一种低压电器，也是有触点电磁式电器的典型代表。接触器按主触头通过电流的种类，可分为交流接触器和直流接触器两种。电磁接触器是利用电磁铁对铁片的吸引力来完成触点开闭功能的器件。接触器是电力拖动与自动控制系统中重要的一种低压电器，也是有触点电磁式电器的典型代表。接触器按主触头通过电流的种类，可分为交流接触器和直流接触器两种。电磁接触器是利用电磁铁对铁片的吸引力来完成触点开闭功能的器件。

五．电路设计

1.主回路设计

由KM1、KM2控制电动机正反转；KM3控制电机制动时将直流电源接入定子回路。电动机M的过载保护由热继电器FR实现，短路保护由熔断器FU实现。直流电源由控制变压器TC将三相线电压降低然后然后用整流装置将交流电变为直流电。

2.控制电路设计

主电动机的启动和停止分别用SB2、SB3和SB1实现。按下SB2电动机正传，按下SB3电动机反转。正反转控制电路用KM1、KM2常闭触点互锁，以保证正反转控制回路不能同时通电。接触器KM1、KM2与控制按钮组成自锁的启停控制。

制动控制回路由接触器KM3和时间继电器KT实现。按下停止按钮SB1，断开线圈KM1、KM2，同时接通KM3和KT,电动机定子回路接入直流电源，同时切断三相交流电源。时间继电器常闭延时触点断开，KM3断开，制动结束。

3.整流桥的设计

整流桥就是将整流管封在一个壳内了.分全桥和半桥.全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起.半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路,

直流电源的估算方法

参数的确定

先用电桥测量电动机定子绕组两相之间的冷态电阻R，也可以从手册中查到；测出电动机的空载电流I，也可根据I=（30%~40%）In来确定，其中，In为电动机的额定电流。一般取直流制动电流为Iz=(1.5~4)In，当传动装置转速高、惯性大时，系数可取大些，否则取小些；一般取直流电源的制动电压为Riz。

变压器容量及二极管放入选择

变压器二次侧电压取U2=1.11Riz。

变压器二次侧电流取I2=1.11Iz

变压器容量为S=U2I2。

考虑到变压器仅在制动过程短时间内工作，它的实际容量通常取计算容量的三分之一左右。

当采用桥式整流电路时，每只二极管流过的电流平均值为1/2Iz，反向电压为√2U2，然后再考虑1.5~2倍的安全裕量，选择适当的二极管。

4.电路原理图

工作过程

如果电动机处于正向运行过程中，需要停止，按下SB1,KM1线圈断电，KM1主触头断开，切断电机三相交流电源。KM3线圈得电，KM3主触点闭合，电机定子绕组通入直流电流，对电机进行正向能耗制动。KT线圈得电，延时一段时间后，KT延时断开的常闭触头断开，电机制动结束。

六．系统电路各器件的选型

1. 电动机

本设计要求对于不需调速的低转速的传动,一般选用稍高转速的电机,通过减速机来传动,但电机转速不应过高.一般,可优先选用同步转速1500r/min的电机,因为在这个转速的电机适应性最好因此本设计选用电机型号为JO2-32；额定功率 3KW 额定电流 6.5A 额定转速 1430r/min。

2. 熔断器

熔体电流为IR=(1.5~2.5)IN,这里选择2IN,故IR=6.5X2A=13A,可选用RL1-15,配用15A的熔体电流。

3. 热继电器

电机额定电流为6.5A，热继电器电流为IRT=(0.95~1.05)IN,这里选IRT=IN=6.5A,所以选用JR16B-20/3型热继电器，热元件额定电流为7.2A，整定电流调节范围4.5~7.2A,工作时将额定电流调节为6.5A。

4.接触器KM1、KM2、KM3

接触器KM1，根据电机的额电电流IN=6.5A，控制回路电源电压为380V,根据主触点额定电流计算公式IC>=PdX10^3/KU,I=7.2A.可知需主触点三对，常开辅助触点1个，常闭辅助触点2个，选用CJ10-10型接触器，线圈额定电压为380V，接触器KM2选用和KM1相同型号。KM3选用CJ10-5型，线圈电压为380V，触点电流为5A。

5.时间继电器

根据要求线圈的额定电压为380V，额定电流为5A，延时时间为0.4~60s，故可选用JS7-1A

6.刀开关的选择

刀开关的额定电压应等于或大于电路额定电压。其额定电流应等于或稍大于电路工作电流。当用刀开关控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍。

7.控制按钮SB1、SB2、SB3

按钮主要根据所需要的触头数、适用场合、颜色标注以及额定电压、额定电流进行选择，故根据要求可选LA-10型，SB2、SB3为红色，SB1为黑色。

8.变压器

三相变压器与同容量的单相变压器组相比较，价格低、占地面积小，而且运行损耗减少12～15％。因此，在330kV及以下电力系统中，一般都选用三相变压器。

七．实验心得

通过本次近两星期的课程设计，我学到了并掌握了很多知识，并且巩固了以前所学习的知识。本次我所做的课程设计是《正反向运行的能耗制动控制电路》，能耗制动是运行中的三相异步电动机停车时，在切除三相交流电源的同时，将一直流电源接入电动机定子绕组的任意两相，以获得大小和方向的恒定磁场，利用转子感应电流与恒定磁场的作用产生制动的电磁转矩，已达到制动目的。同时在做课程设计时，我们还要对元器件进行选择，让我知道了很多元气件型号及其造价。并且通过这次设计，让我明白实践的重要性，只有将所学的知识与实践相互结合，才能更好的吸收和理解所学的。

八．主要参考文献

[1] 郑凤 怎样识读电气控制电路图 人民邮电出版社

[2] 段树成 工厂电气控制电路实例详解 化学工业出版社