毕业论文(设计)：三相异步电动机降压启动设计.doc

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1、毕业论文(设计)：三相异步电动机降压启动设计 摘 要电机的起动电流近似的与定子的电压成正比因此要采用降低定子电压的方法来限制起动电流即为降压起动对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合通常采用压起动此时起动转矩下降起动电流也下降只适合必须减小起动电流又对起动转矩要求不高的场合常见降压起动方法定子串电阻降压起动Y起动控制线路延边三角起动软启动及自耦变压器降压起动当负载对电动机启动力矩无严格要求要限制启动电流且电机满足380V接线条件才能采用降压启动该方法是在电机启动时将电机接成星型接线当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线通过双投开关迅速切换因电机启动电流与电源电压成正比此时电网提供的启动电

2、流只有全电压启动电流的13但启动力矩也只有全电压启动力矩的13在实际使用过程中发现需降压启动的电机从11KW开始就有需要的如风机在启动时11KW电流在7-倍 100 A左右按正常配置的热继电器根本启动不了关风门也没用热继电器配大了又起不了保护电机的作用所以建议用降压启动而在一些启动负荷较小的电机上由于电机到达恒速时间短启动时电流冲击影响较小所以在30KW左右的电机选用15倍额定电流的断路器直接启动长期工作一点问题都没有摘要I目录IV第1章 绪论1第2章 三相异步电动机的根本结构221 定子的结构组成222 转子的结构组成223 工作原理2第3章 异步电动机的分类及优缺点331 三相异步电动机的

3、优点332 异步电动机存在的缺点3第4章 三相异步电机启动出现的问题541 异步电动机启动时的要求542 三相异步电动机启动问题543 工业生产机械不同的起动条件6第5章 三相异步电动机起动方式751 直接启动752 三相异步电动机的Y起动控制853 定子串电阻降压起动控制1054 自耦变压器降压启动1155 软启动14结论15致谢17参考文献18第1章 绪论三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感生电动势和电流并与磁场相互作用产生电磁转矩实现能量变换与单相异步电动机相比三相异步电动机运行性能好并可节省各种材料按转子结构的不同三相异步电动机可分为笼式和

4、绕线式两种笼式转子的异步电动机结构简单运行可靠重量轻价格廉价得到了广泛的应用其主要缺点是调速困难绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环电刷与外部变阻器连接调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速三相异步电动机又称为三相感应电动机感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩从而实现能量转换的一种交流电动机由于转子绕组电流是感应产生的因此称为感应电动机感应电动机与其它电动机相比具有结构简单制造使用和维护方便运行可靠及重量轻本钱低等优点此外感应电动机还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要也有较高的效率和较好的工作特性由于感应电动机

5、具有上述许多优点它是电动机领域中应用最广泛的一种电动机例如中小型轧钢设备矿山机械机床起重运输机械鼓风机水泵和农副产品加工机械等都大局部采用三相异步电动机来拖动第2章 三相异步电动机的根本结构三相异步电动机由两个根本局部构成固定局部定子和转子转子按其结构可分为鼠笼型和绕线型两种21 定子的结构组成定子由定子铁心机座定子绕组等局部组成定子铁心是异步电动机磁路的一局部一般由05毫米厚的硅钢片叠压而成用压圈及扣片固紧各片之间相互绝缘以减少涡流损耗定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的小型电机采用散下线圈或称软绕组大中型电机采用成型线圈又称为硬绕组22 转子的结构组成转子由转子铁心转子绕组转子支

6、架转轴和风扇等局部组成转子铁心和定子铁心一样也是由05毫米硅钢片叠压而成鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽内的裸导条和两端的环形端环连接而成如果去掉转子铁心绕组的形状象一个笼子绕线型转子的绕组与定子绕组相似做成三相绕组在内部为星型或三角型23 工作原理 当定子绕组接至三相对称电源时流入定子绕组的三相对称电流在气隙内产生一个以同步转速n1旋转的定子旋转磁场设旋转磁场的转向为逆时针当旋转磁场的磁力线切割转子导体时将在导体内产生感应电动势e2电动势的方向根据右手定那么确定N极下的电动势方向用表示S极下的电动势用表示转子电流的有功分量i2a与e2同相位所以既表示电动势的方向又表示电流有功分量的方向转

7、子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力fem根据左手定那么在N极下的所有电流方向为的导体和在S极下所有电流流向为的导体均产生沿着逆时针方向的切向电磁力fem在该电磁力作用下使转子受到了逆时针方向的电磁转矩Me的驱动作用转子将沿着旋转磁场相同的方向转动驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行从而实现了电能与机械能之间的能量转换这就是异步电动机的根本工作原理第3章 异步电动机的分类及优缺点31 三相异步电动机的优点 三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感生电动势和电流并与磁场相互作用产生电磁转矩

8、实现能量变换与单相异步电动机相比三相异步电动机运行性能好并可节省各种材料按转子结构的不同三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种笼式转子的异步电动机结构简单运行可靠重量轻价格廉价得到了广泛的应用其主要缺点是调速困难绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环电刷与外部变阻器连接调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速32 异步电动机存在的缺点com应电动机存在以下三个主要缺点1起动转矩不大难以满足带负载起动的需要当前社会上解决该问题的多数方法是提高电动机的功率容量即增容来提高其起动转矩这就造成严重的大马拉小车既增加购置设备的投资又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪

9、费大量电量很不经济第二种方法是增购液力偶合器先让电动机空载起动在由液力偶合器驱动负载这种方法同样要增加添购设备的投资并因液力偶合器的效率低于97因此至少浪费3的电能因而整个驱动装置的效率很低同样浪费电量更何况添加液力偶合器之后机组的运行可靠性大大下降显著增加维护困难因此不是一个好方法3起动电流很大增加了所需供电变压器的容量从而增加大量投资另一方法是采用降压起动来降低起动电流同样要增加添购降压装置的投资并且使本来就不好的起动特性进一步恶化com 绕线型感应电动机2当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性多数不提刷因此运行时存在以下电能浪费集电环和电刷间的摩擦损耗和接触电阻上的电损耗电刷至控制柜短路开

10、关间三根电缆的电损耗假设电动机与控制柜之间距离很长那么该损耗将非常严重并且由于集电环与电刷产生碳粉电火花和噪声长期污染周围环境损害管理人员和周围居民健康3传统绕线型电动机的起动转矩比笼型电动机的有所提高但仍往往不能满足满载起动的需要以至仍然需要增容而形成大马拉小车上述传统感应电动机存在的严重缺点的根本原因在于起动运行和可靠性三者之间存在难以调和的矛盾因此势必顾此失彼不可兼优第4章 三相异步电机启动出现的问题41 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第5章 三相异步电动机起动方式三相交

11、流异步电动机直接起动虽然控制线路结构简单使用维护方便但起动电流很大约为正常工作电流的47倍如果电源容量不比电动机容量大许多倍那么起动电流可能会明显地影响同一电网中其它电气设备的正常运行因此对于鼠笼型异步电动机可采用定子串电阻电抗降压起动定子串自耦变压器降压起动星形三角形降压起动等方式而对于绕线型异步电动机还可采用转子串电阻起动或转子串频敏变阻器起动等方式以限制起动电流51 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

12、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电动机单向起动控制线路的电气原理图1起动电流为三角形直接起动时的131Y起动自动控制图5-2 三相异步电动机Y降压启动控制线路图三相异步电动机的Y起动自动控制如图5-2所示主要元器件介绍a起动按钮SB2手动按钮开关可控制电动机的起动运行b停止按钮SB1手动按钮开关可控制电动机的停止运行c主交流接触器KM1电动机主运行回路用接触器起动时通过电动机起动电流运行时通过正常运行的线电流dY形连接的交流接触器K

13、M3用于电动机起动时作Y形连接的交流接触器起动时通过Y形连接降压起动的线电流起动结束后停止工作e形连接的交流接触器KM2用于电动机起动结束后恢复形连接作正常运行的接触器通过绕组正常运行的相电流f时间继电器KT控制Y变换起动的起动过程时间电机起动时间即电动机从起动开始到额定转速及运行正常后所需的时间g热继电器或电机保护器FR热继电器主要设置有三相电动机的过负荷保护电机保护器主要设置有三相电动机的过负荷保护断相保护短路保护和平横保护等控制原理三相异步电动机Y转换启动的控制原理大致如下a按下启动按钮SB2后电源通过热继电器FR的动断接点停止按钮SB1的动断接点形连接交流接触器KM2常闭辅助触头接通时

14、间继电器KT的线圈使其动作并延时开始此时时间继电器KT虽已动作接点应断开但其延时接点是瞬间闭合延时断开的延时结束后断开同时通过此KT延时接点去接通Y形连接的交流接触器KM3的线圈回路那么交流接触器KM3带电动作其主触头去接通三相绕组使电动机处于Y形连接的运行状态KM3辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1的线圈b主交流接触器KM1带电启动后其辅助触头进行自保持功能自锁功能而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源此时电动机启动过程开始c当时间继电器KT延时断开接点动断接点KT的时间到达或延时到电动机启动过程结束时间后时间继电器KT接点随即断开d时间继电器KT接点断开后那么交流接触器KM3失电KM

15、3主触头切断电动机绕组的Y形连接回路同时接触器KM3的常闭辅助触头闭合去接通形连接交流接触器KM2的线圈电源e当交流接触器KM2动作后其主触头闭合使电动机正常运行于形连接状态而KM2的常闭辅助触头断开使时间继电器KT线圈失电并对交流接触器KM3联锁电动机处于正常运行状态f启动过程结束后电动机按形连接正常运行2Y起动手动控制图5-3 三相异步电动机Y降压启动接线图Y起动手动控制接线如图5-3所示图中手动控制开关SA有两个位置分别是电动机定子绕组星形和三角形连接线路动作原理为起动时将开关SA置于起动位置电动机定子绕组被接成星形降压起动当电动机转速上升到一定值后再将开关SA置于运行位置使电动机定子绕

16、组接成三角形电动机全压运行对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说如果在起动时将定子绕组接成星形待起动完毕后再接成三角形就可以降低起动电流减轻它对电网的冲击这样的起动方式称为星三角降压起动或简称为星三角起动Y- 起动采用星三角起动时起动电流只是原来按三角形接法直接起动时的13如果直接起动时的起动电流以67Ie 计那么在星三角起动时起动电流才223倍这就是说采用星三角起动时起动转矩也降为原来按三角形接法直接起动时的13适用于无载或者轻载起动的场合并且同任何别的降压起动器相比较其结构最简单价格也最廉价除此之外星三角起动方式还有一个优点即当负载较轻时可以让电动机在星形接法下运行此时额

17、定转矩与负载可以匹配这样能使电动机的效率有所提高并因之节约了电力消耗缺点是启动力矩小仅适用于无载或轻载启动53 定子串电阻降压起动控制定子串电阻 电抗 降压起动是指起动时在电动机定子绕组上串联电阻 电抗 起动电流在电阻上产生电压降使实际加到电动机定子绕组中的电压低于额定电压待电动机转速上升到一定值后再将串联电阻 电抗 短接使电动机在额定电压下运行图5-4 定子串电阻降压起动控制线路由上图可见按下起动按钮SB2后电动机M先串电阻R降压起动经一定延时由时间继电器KT确定后全压运行且在全压运行期间时间继电器KT和接触器KM1线圈均断电不仅节省电能而且增加了电器的使用寿命 在鼠笼式电动机的定子绕组中串

18、电阻或电抗而降压起动的方法起动时将电阻或电抗串入鼠笼式电动机定子绕组中降低电压起动待电动机转速上升到一定值后再将电阻或电抗短路电动机在额定电压下正常运转电阻或电抗降压起动法只适用于起动转矩较小而起动次数不太频繁的电动机上54 自耦变压器降压启动对于容量较大且正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机可采用自耦变压器降压起动它是指起动时将自耦变压器接入电动机的定子回路待电动机的转速上升到一定值后再切除自耦变压器使电动机定子绕组获正常工作电压这样起动时电动机每相绕组电压为正常工作电压的1 K 倍K 自耦变压器的匝数比K N1 N2 起动电流也为全压起动电流的1 K2倍 1电动机自耦降压启动自动控制

19、接线图 图5-5 电动机自耦降压起动接线图 图5-5是交流电动机自耦降压启动自动切换控制接线图自动切换靠时间继电器完成用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程不会造成启动时间的长短不一的情况也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故 控制过程如下 a合上空气开关QF接通三相电源 b按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁其主触头闭合将自耦变压器线圈接成星形与此同时由于KM1辅助常开触点闭合使得接触器KM2线圈通电吸合KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压低压抽头例如65将三相电压的65接入电动 cKM1辅助常开触点闭合使时间继电器KT线圈通电并按已整定好的时间开始计时当时间到达

20、后KT的延时常开触点闭合使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁 d由于KA线圈通电其常闭触点断开使KM1线圈断电KM1常开触点全部释放主触头断开使自耦变压器线圈封星端翻开同时 KM2线圈断电其主触头断开切断自耦变压器电源KA的常闭触点闭合通过KM1已经复位的常闭触点使KM3线圈得电吸合KM3主触头接通电动机在全压下运行 eKM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电其延时闭合触点释放也保证了在电动机启动任务完成后使时间继电器KT可处于断电状态 f欲停车时可按SB1那么控制回路全部断电电动机切除电源而停转g电动机的过载保护由热继电器FR完成2电动机自耦降压启动手动控制接线图5-6 电动机自耦降压起

21、动接线图自耦变压器降压起动手动控制接线如图56所示图中操作手柄有三个位置停止起动和运行操作机构中设有机械连锁机构它使得操作手柄未经起动位置就不可能扳到运行位置保证了电动机必须先经过起动阶段以后才能投入运行动作原理为当操作手柄置于停止位置时所有的动静触点都断开电动机定子绕组断电停止转动当操作手柄向上推至起动位置时起动触点和中性触点同时闭合电流经起动触点流入自耦变压器再由自耦变压器的65或85抽头处输出到电动机的定子绕组使定子绕组降压起动随着起动的进行当转子转速升高到接近额定转速附近时可将操作手柄扳到运行位置此时起开工作结束电动机定子绕组得到电网额定电压电动机全压运行停止时须按下SB按钮使失压脱扣

22、器的线圈断电而造成衔铁释放通过机械脱扣装置将运行触点断开切断电源同时也使手柄自动跳回到停止位置为下一次起动做准备自耦变压器备有65和85两挡电压触头出厂时接在65触头上可根据电动机的负载情况选择不同的起动电压自耦变压器只在起动过程中短时工作在起动完毕后应从电源中切除55 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按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

23、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结论异步电动机的起动问题是它在运行中的一个特殊问题常用的方法有自耦变压器降压起动Y-起动软起动定子串电阻降压起动等在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜因为操纵控制方便而且比较经济自耦降压起动器是经常被用来起动较大容量鼠笼式异步电动机的降压起动装置虽然自耦降压起动器是一种老式的起动设备但利用自耦变压器的多触头降压既能适应不同负载起动的需要又能得到更大的起动转矩加之还因装设有热继电器和低电压脱扣

24、器而具有较完善的过载和失压保护所以至今仍被广泛应用直接起动固然起动转矩较大对于重型负载有利但对一般的轻型负载来说就有可能发生机械冲击从而导致传动皮带被撕裂齿轮被打坏等事故尽管直接起动方法简单起动设备也简单价格廉价但为了限制电压和机械的冲击以及保证电网的供电质量在某种场合就得采取降压起动方式或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动星三角起动对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说如果在起动时将定子绕组接成星形待起动完毕后再接成三角形就可以降低起动电流减轻它对电网的冲击采用星三角起动方式时电流特性很好而转矩特性较差所以客观存在只适用于无载或者轻载起动的场合换句话说由于起动

25、转矩小星三角起动的优点还是很显著的因为基于这个起动原理的星三角起动器同任何别的降压起动器相比较其结构最简单价格也最廉价除此之外星三角起动方式还有一个优点即当负载较轻时可以让电动机在星形接法下运行此时额定转矩与负载可以匹配这样能使电动机的效率有所提高并因之节约了电力消耗众所周知自耦降压起动器的最大优点是起动转矩较大当其绕组触头在80处时起动转矩可达直接起动时的64设电动机的起动转矩为其额定转矩的14倍那么在降压起动时线电流为直接起动时的64起动转矩为额定转矩的90然而据调查自耦降压起动器多半工作于65触头处而且起动也颇顺利根据分析此时电动机的起动转矩为直接起动时的42与星三角起动时的13比较只不

26、过大89而已可以预计在这种场合采用星三角起动器也未尝不可何况实际上也有饲料粉碎机水泵等采用星三角降压起动而运转正常的例子如果顾及到高起动转矩异步电动机的推广星三角起动方式的应用更有着广阔的前景综上并非所有的场合采用降压方式都是有利的因为采取降压起动方式一方面要增设起动设备从而增加了投资另一方面有些拖动系统常常需要正反转也有些系统操作很频繁这都要求缩短起动时间以提高劳动生产率所以必须针对具体使用要求对起动方案的技术经济指标统筹考虑合理地选择起动方式和相应的起动设备致 谢在此论文的写作期间得到课题设计指导老师悉心的指导和精心的帮助并在实习时也得到实习老师的帮助在此向各老师表示深深的感谢同时我也得到良师的大力支持及学长们的无私帮助通过本次设计我也学到了不少新的东西也发现了大量的问题有些在设计过程中已经解决有些还有待今后慢慢学习只要学习就会有更多的问题有更多的难点但也会有更多的收获参考文献1 汤蕴璆?电机学?机械工业出版社北京200312 邓星钟?机电传动控制?华中科技大学出版社200134 秦曾煌?电工学?第五版高等教育出版社北京2005123 李永东?交流电机数字控制系统?机械工业出版社20025III181