三相异步电动机降压启动

三相异步电动机降压启动课程设计 课程设计指导书课程设计题目：三相异步电动机降压启动 专 业： 电气自动化 姓 名： 学号： 指导教师： 职称： 日 期： 2011/5/16 课程设计题目：三相异步电动机降压启动专 业 ：电气自动化 专 科 生： （签名）：指 导 教 师： （签名）：摘要随着我国工业的不断发展，三相异步电动机的需求会越来越大，三相的应用越来越广泛。三相异步电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业,家庭生活和办公自动化等一系列应用提供操作平台，而且能够提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大的质量性的提高，摆脱了人力劳动工作的模式，而三相异步电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是三相异步电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中三相交流异步电动机三相异步电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域,在这些应用领域中,三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下,导致产生过流,短路,断相,绝缘老化等事故，应用于大型工业设备重要场合的高压电动机,大功率电动机来说,一旦发生故障所造成的损失无法估量。在生产过程中,科学研究和其它产业领域中,电气控制技术应用十分广泛,在机械设备的控制中,电气控制也比其它的控制方法使用的更为普遍。本论讲述了电动机的降压启动及控制线路关键词：电动机降压 启动目录摘要-I目录-II第1章 绪论-1第2章 三相异步电机工作原理及特性-22.1 三相异步电机的基本结构-22.2 三相异步电机的工作原理-22.3 三相异步电动机工作特性-3第3章 三相异步电机启动出现的问题-63.1 三相异步电动机启动时的要求-63.2 三相异步电动机启动时产生的问题-63.3 工业生产机械不同的起动条-7第4章 三相异步电机的典型启动方式-84.1. 直接启动-84.2 软启动-84.3 降压启动-9结论-14致谢-15参考文献-16第1章 绪论 目前，工业中原动力主要由电动机提供，电动机可分为直流和交流电机。由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供，尤其以鼠笼式电机居多。根据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59%，而异步电机则占总动力负载中的85%，由此可见异步电动机在工农业中的重要性，异步电机的应用范围是非常广的，容量从几十瓦一直到几千瓦，应用在各种行业，例如，在工业方面，中小型的轧钢设备都采用异步电机，它也被广泛地用在各种机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备。在矿山上，它常用来拖动卷扬机和鼓风机等。在农业方面，它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械。此外，它在人民日常生活中也越来越占重要地位，例如电扇，冷冻机，和各种医疗机械钟也都采用异步电机。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，而且随着电气化自动化的发展，它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大。与直流电机相比，交流电机有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点，但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能。作为调速性能，随着变频技术的发展，已经得到了很好的解决，所以一直处于弱势的是其启动性能。因为在该阶段，由于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的现象，所以在工程界比较重视电机的启动问题。第2章 三相异步电机运行原理及特性2.1 三相异步电机的基本结构三相异步电机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分，在定子和转子之间有一定的气隙，叫空气隙。定子由铁心、绕组和机座三部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片自间是绝缘的，以减少涡流损耗。硅钢片的内圈冲有定子槽，槽中安放绕组，铁心被叠压后成为一整体，固定于机座上。定子绕组是电机的电路部分，由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边，分放在两个槽里。三相对称绕组AX,BY,CZ可连接成三角形或星形。机座主要用于固定和支撑铁心定子。转子由铁心和绕组组成。转子铁心压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，转子铁心也是电机磁路的一部分。异步电机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊接在两个铜端环上组成，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成。异步电机的绕组除了鼠笼式还有线绕式。线绕式转子绕与定子绕组一样，转子绕组一般是连接成星形的三相绕组转子绕组组成的磁极数与定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能和调节转速。鼠笼式和线绕式电动机转子构造虽然不同，但其工作原理是相同的。2.2三相异步电机的工作原理 直流电动机是通过一静止的磁场与通入电枢绕组中的电流相互作用而产生一恒定方向上的电磁转矩使电机转动。而异步电机是通过一旋转的磁场与感应在转子绕组内所产生的电流相互作用而产生电磁转矩来实现转动。图2.1 三相异步电动机的工作原理 上图是三项异步电动机的工作原理图，定子上装有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把他们连接成一个整体。当定子接通三项电源后，即在定子、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场顺时针方向旋转，导体相对磁体为逆时针方向切割磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为出来的，用表示；下半边导体感应电势的方向为进去的，用表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，其方向与电势相同。载流导体在磁场中再受到磁力作用 ，其方向由左手定则确定，如图（2.1）。这样，在转子导体上形成一个顺时针方向的电磁转矩。于是 转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动。 综上，三项异步电动机能够转动的必备条件：一是电动机的定子必须产生一个在空间不断旋转的旋转磁场，二是电动机的转子必须是闭合导体。2.3 三相异步电动机工作特性1 三相异步电动机的转矩特性流导体在磁异步电动机的电磁转矩T是由载场中受电磁力的作用而产生的，它使电动机旋转，TCSR2UI2/(f1 R22+f1S2X202)。u1定子绕组线电压有效值，单位伏特（v）；f1定子电源频率，单位是赫兹(Hz)；s电动机的转差率；R2转子绕组一相电阻，单位是欧姆()；X20转子不动时一相感抗，单位是欧姆()；C与电机结构有关的比例常数。为了分析方便，将异步电动机的电磁转矩T代替电动机的输出转矩T2 。由于电动机的转子参数R2及X20是一定的，电源频率f1也是一定的，故当电源电压U1一定时，上式即表明异步电动机的电磁转矩T只与转差率s有关，因此可用函数式T 表示，称为异步电动机的转矩特性，画出其图象则称为转矩特性曲。如下图所示： 图2.2 异步电动机的转矩特性曲线2 异步电动机的机械特性电动机的额定转矩的实用计算式旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积,对于电动机而言,就有P2=T2。当电动机的输出转矩T2用牛米(Nm)作单位，旋转角速度用弧度/秒(rad/s)作单位时，输出功率P2的单位是瓦特。在电动机中计算转矩时输出功率P2的单位是千瓦(kW)，转速n的单位是转/分(r/min)，可以将计算公式简化，在额定状态下转矩公式为:Tn=9550Pn/Nn。图2.3 异步电动机的机械特性曲线电动机在旋转时，作用在轴上的有两种转矩，一种是电动机产生的电磁转矩T，一种是生产机械作用在轴上的负载转矩TL（其它如摩擦转矩忽略不计），当T=TL时，电动机便以某种相应转速稳定运行；当TTL时，电动机则提高转速；当TTL时，电动机将降低转速。 3 异步电动机的机械特性参数额定转矩 ：额定转矩T是指电动机在额定状态下工作时，轴上输出的最大允许转矩。电动机的额定转矩可根据电动机铭牌的额定功率和额定转速用公式来求得。最大转矩与过载系数电动机的额定转矩应小于最大转矩Tm，而且不许太接近Tm，否则，电动机略一过载，电动机便停转，因此，一般电动机的额定转矩较最大转矩小得多。把最大转矩与额定转矩的比值称作过载系数，它是表示电动机过载能力的一个参数。起动转矩与起动能力 电动机的起动转矩Tst是指电动机刚起动瞬间(n=0，s=1)的转矩。起动转矩与额定转矩之比可表示起动能力，用起动转矩倍数来表示，是标明异步电动机起动性能的重要指标。 空载或轻载起动的电动机，起动能力为11.8，一般的电动机起动能力为1.52.4，在重负荷下起动的电动机，要求有大的起动转矩，故起动能力可达2.63。第3章 三相异步电机启动出现的问题3.1 异步电动机启动时的要求1 电动机有足够大的启动转矩。 2 一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好。 3 启动所需设备简单，操作方便。 4 启动过程中功率损耗越小越好。3.2 三相异步电动机启动问题电动机的起动特性中最主要的是它的起动力矩。设起动力矩为，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩加上静摩擦阻力。图3.1电动机负载特性曲线图3.1曲线1表示异步机的MS曲线，曲线2和3表示（如图3.1）两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求a点在b点或c点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个起动过程忠，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩M在整个起动过程中大于负载的制动力矩。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越快。惯量大得机械，起动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。电动机起动特性的另一个问题是起动电流，在起动时电流的大小可以用等值电路来求得。异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍。起动电流太大的影响是：一方面将影响电源的电压，太大的起动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在起动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电机的运行。另一个方面，大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的惯量J较大，起动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机起动的要求是不同的，须看负载的特性，电网的情况等因素而定。有时要求有大的起动力矩，有时要求限制起动电流的大小，有时两个要求须同时满足。总的来说，要考虑下列各问题： 1.应该有足够大的起动力矩，适当的机械特性曲线；2 尽可能小的起动电流；3 起动的操作应该很方便；所用的起动设备应该尽可能简单、经济；起动过程中的功率损耗应尽可能的少。3.3 工业生产机械不同的起动条件用电动机拖动的生产机械有不同的起动条件，有些机械在起动时负载力矩很小，随着速度的增大力矩渐增大到额定值，这些负载的例子如鼓风机，它的负载力矩差不多和转速的平方成正比，起动时只需克服一些静摩擦力矩。有些机械在起动时负载力矩就和额定转速时一样大，这类的例子象卷扬机等起重设备。有些机械则在起动过程中负载较轻，等速度高起来以后再加上负载，例如机床等。此外，起动的频繁程度也是需要考虑的因素。有些机械起动次数少，有些则不断地停而又再起动。这一切因素都将电动机起动性能提出不同的要求。第4章 三相异步电机的典型启动方式4.1 直接启动直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上。在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。图4.1是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。图4.1 电动机单向起动控制线路的电气原理图直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制，过大启动电流可能会使电压下降，影响在同一电网上其他设备的正常运行。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。4.2 软启动以上几种降压启动的方法是有级启动，启动的平滑性不高，应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动，这种方法称为软启动。软启动分为磁控式和电子式两种。磁控式故障率高，已被电子式取代。启动过程电机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压安指定要求上升，被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压，转速相应由零上升到规定转速。软启动能保证电机在不同负载下平滑启动，减少电机启动对电网冲击，又降低对自身承受的较大结构冲击力。软启动可以设定起始电压、 上升方式、启动电流倍数等参数，以适用重载、轻载启动不同情况。4.3 降压启动鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动。这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍。过大的起动电流会降低电动机寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的起动转矩，甚至使电动机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。如何判断一台电动机能否全压起动呢？一般规定，电动机容量在10kW以下者，可直接起动。10kW以上的异步电动机是否允许直接起动，要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定。对于给定容量的电动机，一般用下面的经验公式来估计：Iq/Ie（3/4+电源变压器容量）/（4电动机容量），式中 Iq电动机全电压起动电流；Ie电动机额定电流。若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压起动，否则不予全压起动,应考虑采用降压起动。有时，为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压起动的电动机，也多采用降压起动方式。鼠笼式异步电动机降压起动的方法有以下几种：定子电路串电阻（或电抗）降压起动、自耦变压器降压起动、Y-降压起动、-降压起动等.使用这些方法都是为了限制起动电流,(一般降低电压后的起动电流为电动机额定电流的2-3倍)，减小供电干线的电压降落，保障各个用户的电气设备正常运行。1 串电阻（或电抗）降压起动控制线路 在电动机起动过程中，常在三相定子电路中串接电阻（或电抗）来降低定子绕组上的电压，使电动机在降低了的电压下起动，以达到限制起动电流的目的。一旦电动机转速接近额定值时，切除串联电阻（或电抗），使电动机进入全电压正常运行。这种线路的设计思想，通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻（或电抗）以完成起动过程。在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自动控制来加以实现。图4.2 定子串电阻降压起动控制线路图4.2是定子串电阻降压起动控制线路。电动机起动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动后再将电阻短路，电动机仍然在正常电压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型机床中也有应用。机床中也常用这种串接电阻的方法限制点动调整时的起动电流。图4.2（A）控制线路的工作过程如下：按SB2，KM1得电（电动机串电阻启动），KT 得电 ，KM2得电（短接电阻，电动机正常运行），按SB1，KM2断电，其主触点断开，电动机停车。 只要KM2得电就能使电动机正常运行。但线路图(A)在电动机起动后KM1与KT一直得电动作，这是不必要的。线路图(B)就解决了这个问题，接触器KM2得电后，其动断触点将KM1及KT断电，KM2自锁。这样，在电动机起动后，只要KM2得电，电动机便能正常运行。 串电阻起动的优点是控制线路结构简单，成本低，动作可靠，提高了功率因数，有利于保证电网质量。但是，由于定子串电阻降压起动，起动电流随定子电压成正比下降，而起动转矩则按电压下降比例的平方倍下降。同时，每次起动都要消耗大量的电能。因此，三相鼠笼式异步电动机采用电阻降压的起动方法，仅适用于要求起动平稳的中小容量电动机以及起动不频繁的场合。大容量电动机多采用串电抗降压起动。2 串自耦变压器降压起动控制线路在自耦变压器降压起动的控制线路中，限制电动机起动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。自耦变压器的初级和电源相接，自耦变压器的次级与电动机相联。自耦变压器的次级一般有3个抽头，可得到3种数值不等的电压。使用时，可根据起动电流和起动转矩的要求灵活选择。电动机起动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦起动完毕，自耦变压器便被切除，电动机直接接至电源，即得到自耦变压器的一次电压，电动机进入全电压运行。通常称这种自耦变压器为起动补偿器。这一线路的设计思想和串电阻起动线路基本相同，都是按时间原则来完成电动机起动过程的。图4.3 定子串自耦变压器降压起动控制线路在自耦变压器降压起动过程中，起动电流与起动转矩的比值按变比平方倍降低。在获得同样起动转矩的情况下，采用自耦变压器降压起动从电网获取的电流，比采用电阻降压起动要小得多，对电网电流冲击小，功率损耗小。所以自耦变压器被称之为起动补偿器。换句话说，若从电网取得同样大小的起动电流，采用自耦变压器降压起动会产生较大的起动转矩。这种起动方法常用于容量较大、正常运行为星形接法的电动机。其缺点是自耦变压器价格较贵，相对电阻结构复杂，体积庞大，且是按照非连续工作制设计制造的，故不允许频繁操作。3 Y降压起动控制线路线路设计思想：Y降压起动也称为星形三角形降压起动，简称星三角降压起动。这一线路的设计思想仍是按时间原则控制起动过程。所不同的是，在起动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压220V，减小了起动电流对电网的影响。而在其起动后期则按预先整定的时间换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压380V，电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。定子绕组接成Y降压起动的自动控制线路如图8所示。图4.4 Y降压起动控制线路图中，可以看到主电路中有三组主触点，其中接触器KM2和KM3主触点一定不能同时闭合，意味着电源将被短路。所以，控制线路的设计必须保证一个接触器吸和时，另一个接触器不能吸和，这就叫做互锁。也就是说KM2和KM3两个接触器需要互锁。通常的方法是在控制线路中解除其KM2与KM3线圈的支路里分别串联对方的一个动断辅助触电。这样，每个接触器线圈能否被接通，将取决于另一个接触器是否处于释放状态，如解除其KM2已接通，它的动断辅助触点八KM3线圈的电路断开，从而保证KM2和KM3两个接触器不会同时吸合。这一对动断触点叫做互锁触点。Y-降压起动控制线路的工作原理如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，这时，接触器KM1、KM2时间继电器KT线圈通电，解除其KM1主触点和自锁触点闭合。KM2主触点闭合与KM2互锁触点断开，电动机按Y形接法起动，经过所整定延时时间后，时间继电器KT的动合触点闭合和动断触点断开，使接触器KM2线圈断电，接触器KM2主触点断开，电动机暂时断电，同时接触器KM2互锁触点闭合，使得接触器KM3线圈通电，接触器KM3主触点和自锁触点闭合，电动机改为三角形连接，然后进入稳定运行，同时接触器KM3互锁触点断开，使时间继电器KT线圈断电。Y接法的起动的电流仅为接法的三分之一，从而限制了起动电流，但是Y接法的起动转矩为接法的三分之一，所以Y-起动只适用空载或轻载起动。这种方法适用在正常运行时绕组是三角接法的电机。电机定子的六个线头都引出来，接到换接开关上。在起动时先将定子接成星型，这时加在每相绕组上的电压将为额定电压的倍，待起动完成后再改接到三角接法，加上额定电压。下图是星三角启动的接线图。 图4.5 星型三角起动的接线图结论三相异步电动机的启动问题是它运行中的一个特殊问题采用的方法有全压直接启动、自偶减压启动、软启动、变频启动、星三角启动。相对集中方法而言星三角最为实用其优点是附加设备少，操作简便。所以现在生产的小型异步电动机常采用这种方法。为了便于采用星三角启动，小型异步电动机的定子绕组一般设计成三角形连接，刚开始采用星型连接的电流是三角连接的三分之一，从而减小启动电流，保护电网安全，待启动后改为三角形连接，转矩就为开始星连接的三倍，从而保证对电机力矩的要求。致谢毕业论文暂告收尾，这也意味着我在西工院的三年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师王瑞芳老师。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，她都费尽心血。没有王老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。感谢电气自动化的各位同学，与他们的交流使我受益颇多。最后要感谢我的家人以及我的朋友们对我的理解、支持、鼓励和帮助，正是因为有了他们，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了他们，我才有了追求进步的勇气和信心。时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！参考文献1. 李欣电机学 机械工业出版社，北京：2003.12. 王可机电传动控制华中科技大学出版社，2001.34. 秦辉电工学第五版，高等教育出版社，北京，2005.123. 张丽交流电机数字控制系统机械工业出版社，2002.5 - 18 -