電氣工程課程設計-繞線式異步電動機串電阻起動設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　2012年 7 月 18 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程 電氣工程課程設計 </p><p>　　題目

2、 繞線式異步電動機串電阻起動設計 </p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 學號 </p><p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　通常，為了使整個起動盡量保持較大的起動轉矩，在轉子回路接入可以逐級切除的起動變阻器，起動變阻器切換

3、使起動轉矩保持在所設定的起動轉矩最大和最小之間。起動轉矩一般取0.85T左右。</p><p>　　Y 132 M—4三項繞線轉自異步電動機，用其拖動技術數(shù)據(jù)參數(shù)如下：</p><p>　　PN =15kW nN=720r/min. αMT=2.5 U2N=380V I2N=55A. </p><p><b>　　基本要求：</b>

4、</p><p>　　繞線式異步電動機轉子回路串接電阻，一方面可以減小起動電流，另一方面可以增加最初起動轉矩，當串入某一合適電阻時，還能使電動機以它的最大轉矩T起動。當然，所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值之后，最初起動轉矩反而會減小。由于繞線異步電動機的轉子串連合適的電阻，不但可以減少起動電流，而且可以增大起動轉矩，因而，要求起動的轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用繞線型異步電動機。</p><p>

5、<b>　　參考資料：</b></p><p>　　[1]彭鴻才.電機原理及拖動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　[2]李嵐等.電力拖動與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3]唐介.控制微電機[M].北京：高等教育出版社，1987</p><p>　　[4]楊長能

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7、lt;/p><p>　　2012年 7 月 9 日</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　1設計要求1</b></p><p>　　2異步電動機工作原理1</p><p><b>　　2.1旋轉磁場3</b></

8、p><p>　　2.2異步電動機結構3</p><p>　　3電動機的起動指標4</p><p><b>　　3.1起動轉矩4</b></p><p><b>　　3.2起動電流4</b></p><p><b>　　4 起動過程4</b><

9、/p><p>　　4.1串聯(lián)起動電阻和起動5</p><p>　　4.2切除起動電阻R5</p><p>　　4.3切除起動電阻6</p><p>　　5起動級數(shù)未定時起動電阻所計算7</p><p>　　5.1選擇起動轉矩和切換轉矩7</p><p>　　5.2求出起動轉矩比7<

10、/p><p>　　5.3求出起動級數(shù)m7</p><p>　　5.4重新計算，校驗,是否在規(guī)定范圍內9</p><p>　　5.5求出轉子每相繞組的電阻9</p><p>　　5.6計算各級總電阻9</p><p>　　5.7求出各級起動的電阻9</p><p>　　6繞線式異步電動機串電

11、阻起動的優(yōu)點11</p><p><b>　　7結論11</b></p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　1設計要求</b></p><p>　　三相繞線式異步電動機的啟動空機系統(tǒng)設計，學習和掌握三相異步電動機的氣動特性，起動是指電動

12、機從靜止狀態(tài)開始轉動起來，直至最后達到穩(wěn)定運行。對于任何一臺電動機，在起動時，都有下列兩個基本的指標要求：</p><p><b>　　起動轉矩要足夠大</b></p><p>　　堵轉狀態(tài)時電動機剛接通電源，轉自尚未轉動時的工作狀態(tài)，工作點在特性曲線上的S點。這是的轉差s=1，轉速n=0，對應的電磁轉矩稱為起動轉矩。</p><p>　　堵轉

13、狀態(tài)說明了電動機的直接起動能了。以為只有在一般要求，電動機才能起動起來。大，電動機才能重載啟動；小，電動機只能輕載，甚至空載起動。所以只有是，電動機才能改變原來的靜止狀態(tài)，拖動生產(chǎn)機械運轉。一般要求。越大于，起動過程所需要的時間就越短。</p><p>　?。?）設計必須根據(jù)進度計劃按期完成；</p><p>　?。?）設計說明書必須經(jīng)知道老師審查簽字方可答辯。</p>&l

14、t;p>　　2異步電動機工作原理</p><p>　　當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉磁動勢）并產(chǎn)生旋轉磁場。該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動,根據(jù)電磁感應原理,轉子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉子導體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動轉子旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。轉子和旋轉磁場之間轉速差的

15、存在是異步電動機轉動的必要條件，轉速差以轉差率s衡量的。在交流電機中，當定子繞組通過交流電流時，建立了電樞磁動勢，它對電機能量轉換和運行性能都有很大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動勢，該磁動勢可分解為兩個幅值相等、轉速相反的旋轉磁動勢和，從而在氣隙中建立正轉和反轉磁場和。這兩個旋轉磁場切割轉子導體，并分別在轉子導體中產(chǎn)生感應電動勢和感應電流。</p><p>　　該電流與磁場相互作用產(chǎn)生正、反電磁轉

16、矩。正向電磁轉矩企圖使轉子正轉：反向電磁轉矩企圖使轉子反轉。這兩個轉矩疊加起來就是推動電動機轉動的合成轉矩。</p><p>　　不論是正轉磁場還是反轉磁場，他們的大小與轉差率的關系和三相異步電動機的情況是一樣的。</p><p>　　電容分相式起動工作原理：起動是開關K閉合，使兩繞組電流L1，L2相位差約為，從而產(chǎn)生旋轉磁場，電機轉起來；轉動正常以后離心開關被甩開，起動繞組被切斷。<

17、;/p><p>　　罩級式單相電機的工作原理：定子通入電流以后，部分磁通產(chǎn)國短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應電流。短路換種的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，是轉子轉起來。</p><p>　　定子鐵心的作用是電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。它的構造是定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內圓

18、沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組. </p><p>　　定子鐵心槽型分為三種： </p><p>　　半閉口型槽：電動機的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。 </p><p>　　半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內。</p><p>

19、　　開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。</p><p>　　定子繞組的作用是電動機的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉磁場。 它的構造是由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內。</p><p>　　定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及

20、繞組本身間的可靠絕緣） </p><p>　?。?）對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。 </p><p>　?。?）相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。 </p><p>　?。?）匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。 </p><p>　　電動機接線盒內的接線：電動機接線盒內都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，并規(guī)定上排三

21、個接線樁自左至右排列的編號為1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三個接線樁自左至右排列的編號為6（W2）、4（U2）、5（V2），.將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡制造和維修時均應按這個序號排列。</p><p>　　圖1 異步電動機工作原理</p><p><b>　　2.1旋轉磁場</b></p><p>　　設將定子三相繞組聯(lián)成

22、星形接法，三相繞組的首端u1、v1、w1分別與三相交流電的相線a、b、c相連接。為了討論方便，選定交流電在正半周時，電流從繞組的首端流入，從末端流出；反之，在負半周時，電流流向相反。定子繞組在三相交流電不同相位時合成旋轉磁場。定子三相對稱繞組中通以頻率為f的三相對稱電流便會產(chǎn)生旋轉磁場。旋轉磁場的轉速 由下式確定</p><p><b>　　n=</b></p><p&g

23、t;　　式中，P為電機的極對數(shù)。n又稱為同步轉速旋轉磁場的轉向由三相電流通入三相繞組的相序決定。改變電流相序，旋轉磁場的轉向隨之改變。</p><p>　　2.2異步電動機結構</p><p>　　Y形的電阻，或直接通過短路端環(huán)短三相異步電動機主要由靜止的和轉動的兩部分構成，其靜止部分稱為定子。定子是用硅鋼片疊成的圓筒形鐵心，其內圓周有槽用來安放三相對稱繞組：三相對稱繞組每相在空間互差12

24、0°，可聯(lián)接成Y形或Δ形。三相異步電動機轉動的部分稱為轉子，是用硅鋼片疊成的圓柱形鐵心，與定子鐵心共同形成磁路。轉子外圓周有槽用以安放轉子繞組。轉子繞組有鼠籠式和線繞式兩種。鼠籠式：將銅條扦入槽內，兩端用銅環(huán)短接，或直接用熔鋁澆鑄成短路繞組。線繞式：安放三相對稱繞組，其一端接在一起形成Y形，另一端引出連接三個已被接成路。</p><p><b>　　3電動機的起動指標</b><

25、;/p><p>　　起動是指電動機從靜止狀態(tài)開始轉動起來，直至最后達到穩(wěn)定運行。對于任何一臺電動機，在起動時，都有下列兩個基本的要求。</p><p><b>　　3.1起動轉矩</b></p><p>　　起動轉矩要足夠大。堵轉狀態(tài)時電動機剛接通電源，轉子尚未轉動時的工作狀態(tài)，工作點在特性曲線上的S 點。這時的轉差s=1,轉速n=0,對應的電磁轉

26、矩T稱為起動轉矩。</p><p>　　堵轉狀態(tài)說明了電動機的直接起動能力。一般要求T>（1.1～1.2）T，電動機才能起動起來。大，電動機才能重載起動；小，電動機只能輕載，甚至空載起動。所以只有≧時，電動機才能改變原來的靜止狀態(tài)，拖動生產(chǎn)機械運轉。一般要求>（1.1～1.2）。越大于，起動過程所需要的時間就越短。</p><p><b>　　3.2起動電流</

27、b></p><p>　　對三相異步電動機來說，由于起動瞬間s=1，旋轉磁場于轉子之間的相對運動速度很大，轉子電路的感應電動勢及電流都很大，所以起動電流遠大于額定電流。在電源容量與電動機的額定功率相比不是足夠大時，會引起輸電線路上電壓的增加，造成供電電壓的明顯下降，不僅影響了同一供電系統(tǒng)中其他負載的工作，而且會延長電動機本身的起動時間。此外在起動過于頻繁時，還會引起電動機過熱。在這兩種情況下，就必須設法減小

28、起動電流。</p><p><b>　　4 起動過程</b></p><p>　　繞線型異步電動機的轉子串聯(lián)合適的電阻不但可以減小起動電流，而且還可以增大起動轉矩，因而，要求起動轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常采用繞線型異步電動機拖動。</p><p>　　容量較小的三相繞線型異步電動機可采用轉子電路串聯(lián)起動變阻器的方法起動。起動變阻器通過手柄接成

29、星形。起動先把起動變阻器調到最大值，再合上電源開關S，電動機開始起動。隨著轉速的升高，逐漸減小起動變阻器的電阻，直到全部切除，使轉子繞組短接。</p><p>　　容量較大的繞線型異步電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中都有較大的起動的轉矩和較小的起動電流?，F(xiàn)以兩級起動為例介紹其起動步驟和起動過。原理電路和機械特性如圖1所示。圖中機械特性只畫出了每條特性的nM段，并近似用直線代替。起動步驟如下：</

30、p><p>　　4.1串聯(lián)起動電阻和起動</p><p>　　起動前開關S和S斷開，使得轉子每相串入電阻R″和R′，加上轉子每相繞組自身的電阻R，轉子電路每相總電阻為</p><p>　　然后合上電源開關S，這時電動機的機械特性為圖中的特性，由于轉動轉矩T遠大于負載轉矩T，電動機拖動生產(chǎn)機械開始起動，工作點沿特性a由b點向c點移動。</p><p&g

31、t;　　圖2 電動機特性圖 圖3 電動機特性圖</p><p>　　4.2切除起動電阻R</p><p>　　當工作點到達c點，即電磁轉矩T等于切換轉矩T時，合上開關S切除起動電阻R轉子每相電路的總電阻變?yōu)椋?lt;/p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)樘匦詃。由于切除R的瞬間，轉速來不及改變，故工作點由特性a上的c點平移到特性

32、d上e點，使這時的電磁轉矩仍等于T，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性由e點向f點移動。</p><p><b>　　4.3切除起動電阻</b></p><p>　　當工作點到達f點，即電磁轉矩T等于切換轉矩T時，合上開關S切除起動電阻R。電動機轉子電路短接，轉子每相電路的總電阻變?yōu)椋篟=R。機械特性變?yōu)楣逃刑匦詆，工作點由f點評至h點，使得這時的電磁轉矩T仍正好等于T,電

33、動機繼續(xù)加速，工作點沿特性g由h向i移動，經(jīng)過i點，最后穩(wěn)定運行在P點.整個起動過程結束。</p><p><b>　　5線路保護環(huán)節(jié) </b></p><p><b>　　5.1短路保護 </b></p><p>　　短路時通過熔斷器FU的熔體熔斷切開主電路。 </p><p><b>

34、　　5.2過載保護 </b></p><p>　　通過熱繼電器FR實現(xiàn)。由于熱繼電器的熱慣性比較大，即使熱元件上流過幾倍額定電流的電流，熱繼電器也不會立即動作。因此在電動機起動時間不太長的情況下，熱繼電器經(jīng)得起電動機起動電流的沖擊而不會動作。只有在電動機長期過載下FR才動作，斷開控制電路，接觸器KM失電，切斷電動機主電路，電動機停轉，實現(xiàn)過載保護。 </p><p>　　5.3

35、欠壓和失壓保護 </p><p>　　當電動機正在運行時，如果電源電壓由于某種原因消失，那么在電源電壓恢復時，電動機就將自行起動，這就可能造成生產(chǎn)設備的損壞，甚至造成人身事故。對電網(wǎng)來說，同時有許多電動機及其他用電設備自行起動也會引起不允許的過電流及瞬間網(wǎng)絡電壓下降。為了防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫失壓保護或零壓保護。 </p><p>　　當電動機正常運轉時，電源電壓過分地降低將

36、引起一些電器釋放，造成控制線路不正常工作，可能產(chǎn)生事故；電源電壓過分地降低也會引起電動機轉速下降甚至停轉。因此需要在電源電壓降到一定允許值以下時將電源切斷，這就是欠電壓保護。欠壓和失壓保護是通過接觸器KM的自鎖觸點來實現(xiàn)的。在電動機正常運行中，由于某種原因使電網(wǎng)電壓消失或降低，當電壓低于接觸器線圈的釋放電壓時，接觸器釋放，自鎖觸點斷開，同時主觸點斷開，切斷電動機電源，電動機停轉。如果電源電壓恢復正常，由于自鎖解除，電動機不會自行起動，避

37、免了意外事故發(fā)生。只有操作人員再次按下SB2后，電動機才能起動?？刂凭€路具備了欠壓和失壓的保護能力以后，有如下三個方面優(yōu)點：防止電壓嚴重下降時電動機在重負載情況下的低壓運行；避免電動機同時起動而造成電壓的嚴重下降；防止電源電壓恢復時，電動機突然起動運轉，造成設備和人身事故。</p><p>　　6起動級數(shù)未定時起動電阻所計算</p><p>　　6.1選擇起動轉矩和切換轉矩</p&g

38、t;<p><b>　　一般選擇</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　6.2求出起動轉矩比</p><p><b>　?。?-3）</b></p&g

39、t;<p>　　6.3求出起動級數(shù)m</p><p>　　利用圖所示起動過程中的機械特性，根據(jù)集合關系推導起動級數(shù)m所計算公式如下：由特性2與水平虛線構成的直三角形求得。</p><p><b>　　（5-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　

40、　式中和是工作在h點和i點時的轉速，是與特性g交點在的轉速（即臨界轉速）。，和是與之對應的轉差率。同理可以求得：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由于，對應兩式相除，可得</p><p><b>　　（5-

41、8）</b></p><p><b>　　由于 </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><

42、;p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　若是m級起動，則</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　因此</b><

43、;/p><p>　?。?-13） </p><p>　　由前面的分析還可以得到</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　（5-15） </b></p>&l

44、t;p><b>　　若是m級起動，則</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　此外，在固有特性c上工作時</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　（5-18） </b>&l

45、t;/p><p>　　將這些關系帶入公式，可得</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　兩邊取對數(shù)，便得到了起動級數(shù)m的計算公式</p><p><b>　　（5-20）</b></p><p>　　若m不是整數(shù)可取相近整數(shù)</p>&

46、lt;p>　　6.4重新計算，校驗,是否在規(guī)定范圍內</p><p>　　若m是取相似整數(shù)，則需要重新計算，并求出，校驗T是否在式所規(guī)定的范圍之內。</p><p>　　若不在規(guī)定范圍內，需加大啟動級數(shù)m,重新計算和,直到滿足要求為止。</p><p>　　6.5求出轉子每相繞組的電阻 </p><p>　　轉子每相繞組的電阻可以通過實

47、測或者通過名牌上提供的轉子繞組額定線電壓和轉子繞組的額定線電流I進行計算。</p><p>　　由于轉子繞組為星形連接，相電流等于線電流，因此，在額定狀態(tài)下運行時</p><p>　　由于S很小，SX可以忽略不計，則</p><p><b>　　（5-21）</b></p><p>　　因此求得R2的計算公式為</

48、p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　6.6計算各級總電阻</p><p><b>　　由前面的分析知道</b></p><p><b>　　……</b></p><p><b>　?。?-23）</b>&l

49、t;/p><p>　　6.7求出各級起動的電阻</p><p><b>　　R</b></p><p><b>　　……</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　具體設計如下：</b><

50、;/p><p>　　選擇起動轉矩T1切換轉矩T2</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　（5-26）</b></p><p><b>　?。?-27） </b></p><p><b>　?。?-28）<

51、;/b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　， （5-29）</p><p><b>　?、谇蟪銎鹎修D矩比</b></p><p><b>　?、矍蟪銎饎蛹墧?shù)m</b></p&g

52、t;<p>　　==1.6/0.36=4.4</p><p><b>　　取m=4</b></p><p>　　④重新計算,檢驗是否在規(guī)定范圍內</p><p><b>　　==</b></p><p>　　基本在規(guī)定范圍之內。</p><p>　　由于,所以所

53、選m和合適。</p><p>　?、萸蟪鲛D子每相繞組電阻</p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　⑥計算各級總電阻</b></p><p><b>　?、咔蟪龈骷壠饎与娮?lt;/b></p><p>　　7繞線式異步電動機串電阻

54、起動的優(yōu)點</p><p>　　串聯(lián)電阻啟動是電動機硬啟動的一種，電機在啟動的那一刻，就是一個純電阻電路，霎時電流會非常的大，這種大電流的沖擊對電機和電網(wǎng)都是具有破壞性的，所以在啟動時串入一個電阻，就降低了沖擊電流，正常運轉后，再將串入得電阻切出去，以提高用電效率；另外還有幾種啟動方式，像星三角啟動、降壓啟動、軟啟動等等的、目的都是相同的；串電阻起動是最簡單，最經(jīng)濟的一種方式。</p><p&

55、gt;　　三相異步電動機具有結構簡單，運行可靠，堅固耐用，價格便宜，維修方便等一系列優(yōu)點。與同容量的直流電動機相比，異步電動機還具有體積小，重量輕，轉動慣量小的特點。因此，在工礦企業(yè)中異步電動機得到了廣泛的應用。三相異步電動機的控制線路大多由接觸器、繼電器、閘刀開關、按鈕等有觸點電器組合而成。三相異步電動機分為鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機，二者的構造不同，啟動方法也不同，其啟動控制線路差別很大。</p><p&

56、gt;<b>　　8結論</b></p><p>　　繞線式異步電動機轉子回路串接電阻，一方面可以減小起動電流，另一方面可以增加最初起動轉矩，當串入某一合適電阻時，還能使電動機以它的最大轉矩T起動。當然，所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值后，最初起動轉矩反而會減小。由于繞線異步電動機的轉子串聯(lián)合適的電阻，不但可以減少起動電流，而且可以增大起動轉矩，因而，要求起動的轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用繞線型異

57、步電動機。</p><p>　　轉子回路串三相對稱可變電阻起動，這種方法既可限制起動電流，又可增大起動轉矩，適當增大串接電阻的功率，使起動電阻兼作調速電阻，一物兩用，適用于要求起動轉矩大，并有調速要求的負載。缺點：多級調速控制電路較復雜，電阻耗能大。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]戴龍基,張其蘇,蔡蓉華

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