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绕线异步电动机串电阻起动设计


电机与拖动课程 设计报告

课程名称:电机与拖动课程设计 设计题目:绕线式异步电动机串电阻启动 院 班 学 系:电气工程系 级: 号:

设 计 者: 同 组 人: 指导教师: 设计时间:2015.11.26

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绕线异步电动机串电阻起动设计

绕线异步电动机串电阻起动设计 设计题目
一台绕线式异步电动机, Y/y 接法。已知数据为: Un=380V,nN=1460 r/min , R1= R2’=0.02Ω,X1σ=X2σ’=0.06Ω,KI= Ke=2,xm = 3.6Ω。试求: 设计内容: 1、若要求启动电流是 Ist=2.5IN,求最大的串联电阻并设计其起动级数并计算每级的电 阻值。 2、最大允许的起动转矩 T1=1.8TN,起动切换转矩 T2=TN,试设计其起动级数并设计其 起动级数并计算每级的电阻值。 3、用 SIMULK 设计串电抗器直接启动仿真模型,测出定/转子电流、转速和转矩的变 化过程。

第 1 章 异步电动机工作原理
当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动 势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁 感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律,载流的转子导体在 磁场中受到电磁力作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便 向外输出机械能。转子和旋转磁场之间转速差的存在是异步电动机转动的必要条件,转速 差以转差率 s 衡量的

s=

n1 -n × 100% n1

1.1 旋转磁场
设将定子三相绕组联成星形接法,三相绕组的首端 u1、v1、w1 分别与三相交流电的相 线 a、b、c 相连接。为了讨论方便,选定交流电在正半周时,电流从绕组的首端流入,从 末端流出;反之,在负半周时,电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋 转磁场。定子三相对称绕组中通以频率为 f 1 的三相对称电流便会产生旋转磁场。旋转磁 场的转速 由下式确定 n1 =
60 f1 p

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式中,p 为电机的极对数。n 0 又称为同步转速旋转磁场的转向由三相电流通入三相绕组的 相序决定。改变电流相序,旋转磁场的转向随之改变。

1.2 异步电动机结构
Y 形的电阻,或直接通过短路端环短三相异步电动机主要由静止的和转动的两部分构 成,其静止部分称为定子。定子是用硅钢片叠成的圆筒形铁心,其内圆周有槽用来安放三 相对称绕组:三相对称绕组每相在空间互差 120° ,可联接成 Y 形或 Δ 形。三相异步电动 机转动的部分称为转子,是用硅钢片叠成的圆柱形铁心,与定子铁心共同形成磁路。转子 外圆周有槽用以安放转子绕组。转子绕组有鼠笼式和线绕式两种。鼠笼式:将铜条扦入槽 内,两端用铜环短接,或直接用熔铝浇铸成短路绕组。线绕式:安放三相对称绕组,其一 端接在一起形成 Y 形,另一端引出连接三个已被接成路。

1.3 定子
定子铁芯:导磁和嵌放定子三相绕组:0.5mm 硅钢片冲制涂漆叠压而成;内圆均匀开 槽;槽形有半闭口;半开口和开口槽三种:适用于不同的电机 定子绕组:电路;绝缘导线绕制线圈;由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组交 流电机的定子绕组称为电枢绕组 机座:支撑和固定作用;铸铁或钢板焊接

图1

定子模型

1.4 转子
转子铁芯:导磁和嵌放转子绕组;0.5mm 硅钢片;外圆开槽 转子绕组:分为笼型和绕线型两种 笼型绕组:电路;铸铝或铜条优缺点 绕线型绕组:对称三相绕组:星接;集电环优缺点 气隙:气隙大小的影响:中小型电机的气隙为 0.2mm~2mm

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图2

转子模型

第 2 章 电动机的起动指标
起动是指电动机从静止状态开始转动起来,直至最后达到稳定运行。对于任何一台电 动机,在起动时,都有下列两个基本的要求。

2.1 起动转矩
起动转矩要足够大。堵转状态时电动机刚接通电源,转子尚未转动时的工作状态,工 作点在特性曲线上的 S 点。这时的转差 s=1,转速 n=0,对应的电磁转矩 Tst 称为起动转矩。 堵转状态说明了电动机的直接起动能力。因为只有在 Tst > TL <一般要求 Tst >(1.1~1.2)

TL ,电动机才能起动起来。Tst 大,电动机才能重载起动;Tst 小,电动机只能轻载,甚至空
载起动。所以只有 Tst ≧ TL 时,电动机才能改变原来的静止状态,拖动生产机械运转。一般 要求 Tst >(1.1~1.2) TL 。 Tst 越大于 TL ,起动过程所需要的时间就越短。

2.2 起动电流
对三相异步电动机来说, 由于起动瞬间 s=1, 旋转磁场于转子之间的相对运动速度很大, 转子电路的感应电动势及电流都很大,所以起动电流远大于额定电流。在电源容量与电动 机的额定功率相比不是足够大时,会引起输电线路上电压的增加,造成供电电压的明显下 降,不仅影响了同一供电系统中其他负载的工作,而且会延长电动机本身的起动时间。此 外在起动过于频繁时,还会引起电动机过热。在这两种情况下,就必须设法减小起动电流。

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第 3 章 起动过程(以二级起动为例)
绕线型异步电动机的转子串联合适的电阻不但可以减小起动电流,而且还可以增大起 动转矩,因而,要求起动转矩大或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。 容量较小的三相绕线型异步电动机可采用转子电路串联起动变阻器的方法起动。起动 变阻器通过手柄接成星形。起动先把起动变阻器调到最大值,再合上电源开关 S,电动机 开始起动。随着转速的升高,逐渐减小起动变阻器的电阻,直到全部切除,使转子绕组短 接。 容量较大的绕线型异步电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中都有较大的 起动的转矩和较小的起动电流。现以两级起动为例介绍其起动步骤和起动过。原理电路和 机械特性如图 1 所示。图中机械特性只画出了每条特性的 n 1 M 段,并近似用直线代替。起 动步骤如下:

3.1 串联起动电阻 Rst1 和 Rst 2 起动
起动前开关 S1 和 S2 断开,使得转子每相串入电阻 Rst1 和 R st2,加上转子每相绕组自身的电 阻 R2 ,转子电路每相总电阻为

R22 ? R2 ? Rst1 ? Rst 2
然后合上电源开关 S,这时电动机的机械特性为图中的特性,由于转动转矩 Tst 远大于 负载转矩 TL ,电动机拖动生产机械开始起动,工作点沿特性 A 由 B 点向 C 点移动。
3 S
n1

I M F E C S1 S2 Rst1 R st2

H G

D 0 TL Ts2 TS1 A TW T

图3

(a)电路图

(b)机械特性

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3.2 切除起动电阻 R st2
当工作点到达 C 点, 即电磁转矩 T 等于切换转矩 Ts 2 时, 合上开关 S1 切除起动电阻 Rst 2 转子每相电路的总电阻变为:

R21 ? R2 ? Rst1
这时电动机的机械特性变为特性 D。由于切除 Rst 2 的瞬间,转速来不及改变,故工作点 由特性 A 上的 C 点平移到特性 D 上 E 点, 使这时的电磁转矩仍等于 Ts1 , 电动机继续加速, 工作点沿特性由 E 点向 F 点移动。

3.3 切除起动电阻 Rst1
当工作点到达 F 点, 即电磁转矩 T 等于切换转矩 Ts 2 时, 合上开关 S1 切除起动电阻 Rst1 。 电动机转子电路短接,转子每相电路的总电阻变为: R20 = R2 机械特性变为固有特性 G,工作点由 F 点评至 H 点,使得这时的电磁转矩 T 仍正好等 于 Ts1 ,电动机继续加速,工作点沿特性 G 由 H 向 I 移动,经过 I 点,最后稳定运行在 P 点. 整个起动过程结束。

第4章
一般选择

起动级数未定时起动电阻所计算

4.1 选择起动转矩 Tst 和切换转矩 Ts 2

Ts1 =(0.8-0.9) TM Ts 2 =(1.1-1.2) TL

(4-1) (4-2)

求出起动转矩比 β β= Ts1 / Ts 2
(4-3)

4.2 起动级数 m
利用图所示起动过程中的机械特性,根据集合关系推导起动级数 m 所计算公式如下:由特性 2 与 水平虚线构成的直三角形求得。

Ts1 / Ts 2 ? (n1 ? nh ) / (n1 ? nMg ) ? sh / sMg

(4-4)

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Ts 2/TM ? (n1 ? ni ) / n1 ? nMg ) ? si / sMg

(4-5)

式中 nh 和 n i 是工作在 H 点和 I 点时的转速, n Mg 是 TM 与特性 G 交点在的转速(即临界转速) 。 s h , si 和 sMg 是与之对应的转差率。同理可以求得:

Ts1 / TM ? sb / sMa ? se / sMk ? sh / sMg TS 2 TM ? sc sMa ? s f sMg ? si sMg
由于 se ? sc ,对应两式相除,可得

(4-6) (4-7)

? ? Tsi / Ts 2 ? sMa / sMd ? (R22 / X 2 ) / (R21 / X 2 ) ? R22 / R21
由于 S h ? S f

(4-8)

? ? Ts1 / Ts 2 ? sMd / sMg ? R21 / X 2 / R20 / X 2 / R2 / X 2 ? R21 / R20
R22 ? ?R21

(4-9) (4-10) (4-11)

R21 ? ?R20
所以

R22 ? ? 2 R20 ? ?R21
若是 m 级起动,则

R2m ? ? m R20 ? ? m R20 ? ? m R2
式中

(4-12)

R2m ? R2 ? Rst 1 ? Rst 2 ? .....? Rstm
因此

? ?m
由前面的分析还可以得到

R2 m R2

(4-13)

sh / sMg ? sb / sMa
sc1 ? sb
若是 m 级起动,则

(4-14)

sMc sMa

(4-15)

sg ? R2 / R2m

(4-16)

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绕线异步电动机串电阻起动设计 此外,在固有特性 c 上工作时

Ts1 / TN ? sg / sN
sg ? sN T1 TN

(4-17)

(4-18)

将这些关系带入 ? 公式,可得

? ?m

TN sN T1

(4-19)

两边取对数,便得到了起动级数 m 的计算公式

TN sN T1 m? lg ? lg
若 m 不是整数可取相近整数

(4-20)

重新计算 β,校验 T 2 ,是否在规定范围内 若 m 是取相似整数,则需要重新计算 β,并求出 T s 2 ,校验 T s 2 是否在式所规定的范 围之内。 若不在规定范围内,需加大启动级数 m,重新计算 β 和 T s 2 ,直到 T s 2 满足要求为止。 2)各级总电阻 由前面的分析知道 R 20 =R 2 R 21 =βR 2 R 22 =βR 1 =β 2 R 2 …… R 2 m =βmR 2 3)各级起动的电阻 R st 1 =R 21 -R 2 R st 2 =R 22 -R 21 ……

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R stm =R 2 m -R 2( m?1)

第5章
值。

电机具体设计

1、若要求启动电流是 Ist=2.5IN,求最大的串联电阻并设计其起动级数并计算每级的电阻

2 、 最 大 允 许 的 起 动 转 矩 T1=1.8TN , 起 动 切 换 转 矩 T2=TN , 试 设 计 其 起

R2 ?

' R2 0.02 ? ?0 . 0 0 ?5 Ki K e 2 ? 2 动级数并设计其起动级数并计算每级的电阻值。

由 nN=1460 r/min 得 sN ?

n0 ? nN 1500 ? 1460 ? ? 0.027 n0 1500
' R2 0.02 ? ? 0.005? 。 Ki K e 2 ? 2

由 R2 = R2’=0.02Ω,X1σ=X2σ’=0.06Ω,Ki= Ke=2 ,得 R2 ?

Te max

m1 p U12 3? 2 (380 3) 2 ? ? ? 3245 N ? m ' 2 2? f1 2( R1 ? R12 ? ( x1? ? x2 2? ? 50 2(0.02 ? 0.022 ? (0.06 ? 0.06) 2 ) ?) )

' U12 R2 / sN m1 p 3? 2 (380 3)2 ? 0.02 / 0.027 TN ? ? ? 1148.06N ? m ' ' 2 2? f1 [( R1 ? R2 / s N )2 ? ( x1? ? x2 2? ? 50 [(0.02 ? 0.02 / 0.027)2 ? (0.06 ? 0.06)2 ] ?) ]

3. (1)设 I N ? 300 A ,则 I st ? 2.5I N ? 750 A 。
I st ? U1 (R1 ? R ) ? ( x1? ? x )
' 2 2m ' 2 2?

?

380
' 2 2m

3

(0.02 ? R ) ? (0.06 ? 0.06) 2

? 750 A

' 求得 R2 m ? 0.247? ,则

' U12 R2 m1 p 3? 2 (380 3)2 ? 0.247 m Tst ? ? ? 2650 N ? m ? T1 ' 2 ' 2 2? f1 [( R1 ? R2 2? ? 50 [(0.02 ? 0.247)2 ? (0.06 ? 0.06)2 ] m ) ? ( x1? ? x2? ) ]

在 T1 ? (0.8 ? 0.9)Te max ? (2596 ? 2920) N ? m 范围内

T2 ? (1.1 ? 1.2)TN ? (1263 ? 1378) N ? m
取 T2 ? 1300N ? m ,则 ? ? T1 T2 ? 2650 /1300 ? 2.04 。

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TN 1148.06 lg sN T1 m? ? 0.027 ? 2650 ? 3.89 ,取 m=4 lg ? lg 2.04 lg
(2)重新计算 ? ,检验 T 2 是否在规定范围内

? ?m

TN 1148.06 ?4 ? 2.00 sN T1 0.027 ? 2650

T2 ? T1 ? ? 2650 / 2.00 ? 1325N ? m ,在规定范围内,合理
(3)各级总电阻 R21=βR2=0.01Ω R22=β?R2=0.02Ω R23=β?R2=0.04Ω R24=βR22=0.08Ω (4)各级起动电阻 Rst1=R21-R2=0.005Ω Rst2=R22-R21=0.01Ω Rst3=R23-R22=0.02Ω Rst3=R23-R22=0.04Ω 4. (1)已知起动转矩 T1=1.8TN,起动切换转矩 T2=TN ,则 β=T1/T2 =1.8
TN 1 lg sN T1 m? ? 0.027 ?1.8 ? 5.14 lg ? lg1.8 lg

取 m=6
(2)重新计算 ? ,检验 T 2 是否在规定范围内

? ?m

TN 1 ?6 ? 1.66 sN T1 0.027 ?1.8

T2 ? T1 / ? ? 1.8/1.66=1.08TN 在规定范围内
(3)求出各级总电阻 R21=βR2=0.0083Ω R22= ? 2 R2=0.0134Ω

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R23= ? 3 R2=0.023Ω R24= ? 4 R22=0.038Ω R25= ? 5 R22=0.063Ω R26= ? 6 R22=0.105Ω (4)求出各级起动电阻 Rst1=R21-R2=0.0033Ω Rst2=R22-R21=0.0051Ω Rst3=R23-R22=0.0096Ω Rst4=R24-R23=0.015Ω Rst5=R25-R24=0.025Ω Rst6=R26-R25=0.042Ω

第6章 串电抗器直接启动 SIMULK 仿真
1、用 SIMULK 设计串电抗器直接启动仿真模型,测出定/转子电流、转速和转矩的变化过 程。

图4

仿真模型

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图5

仿真波形

结论
绕线式三相异步电动机转子回路串接电阻,一方面可以减小起动电流,另一方面可以 增加最初起动转矩, 当串入某一合适电阻时, 还能使电动机以它的最大转矩 T 起动。 当然, 所串联的电阻超过一定数值后,最初起动转矩反而会减小。由于绕线异步电动机的转子串 联合适的电阻,不但可以减少起动电流,而且可以增大起动转矩,因而,要求起动的转矩 大或起动频繁的生产机械常用绕线型异步电动机。 转子回路串三相对称可变电阻起动, 这种方法既可限制起动电流, 又可增大起动转矩, 串接电阻值取得适当,还可使起动转矩接近最大转矩起动,适当增大串接电阻的功率,使 起动电阻兼作调速电阻,一物两用,适用于要求起动转矩大,并有调速要求的负载。缺点: 多级调速控制电路较复杂,电阻耗能大。

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心得及体会
通过这本周的学习,我感觉有很大的收获。课程设计不仅是对所学知识的一种检验, 而且也是对自己能力的提高。首先,通过这次课程设计使自己对课本上的知识可以应用于 实际,使理论与实际相结合,加深自己对课本知识的更好理解,同时也段练了我个人的动 手能力:能够充分利用图书馆去查阅资料,增加了许多课本以外的知识。 课程设计提高了我的个人思考能力,在设计过程中,我不仅学到了知识,也让我感到 了生活的充实和学习的快乐,以及获得知识的满足。同时我也体验到了工作的艰辛,促使 自己努力学习更多的知识,为自己今后的工作奠定良好的基础。在设计中培养了我独立工 作的能力,树立了对自己工作能力的信心。让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成 功的喜悦。 通过课程设计,让我更加明白学习是一个长期的积累过程,经后的工作、生活中应该 不段的学习,努力提高我们各项知识。

参考文献
[1]彭鸿才,电机原理及拖动,北京:机械工业出版社,1994 年 [2]李岚等编,电力拖动与控制,北京:机械工业出版社,2003 年 [3]唐介,控制微电机,北京:高等教育出版社,1987 年 [4]杨长能主编,电力拖动基础,重庆:重庆大学出版社,1989 年 [5]李发海等编,电机学,北京:科学出版社,1991 年



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