電機拖動課程設(shè)計 三相異步電動機啟動系統(tǒng)設(shè)計

1、遼寧工程技術(shù)大學1. 緒論目前，工業(yè)中原動力主要由電動機提供，電動機可分為直流和交流電機。由于直流電機和交流電機的特點又決定了機械設(shè)備的動力大多由交流異步電機提供，尤其以鼠籠式電機居多。根據(jù)統(tǒng)計，在電網(wǎng)的總負載中，動力負載約占59%，而異步電機則占總動力負載中的85%，由此可見異步電動機在工農(nóng)業(yè)中的重要性，異步電機的應(yīng)用范圍是非常廣的，容量從幾十瓦一直到幾千瓦，應(yīng)用在各種行業(yè)，例如，在工業(yè)方面，中小型的軋鋼設(shè)備都采用異步電機，它也被廣泛地用在各種機床上和在各種輕工業(yè)中作為一般的動力裝備。在礦山上，它常用來拖動卷揚機和鼓風機等。在農(nóng)業(yè)方面，它被用來拖動水泵和其它副產(chǎn)品加工機械。此外，它在人民日常

2、生活中也越來越占重要地位，例如電扇，冷凍機，和各種醫(yī)療機械鐘也都采用異步電機?？傊?，異步電動機應(yīng)用范圍廣，需要量大，而且隨著電氣化自動化的發(fā)展，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的重要性也將逐步增大。與直流電機相比，交流電機有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點，但是相對欠缺的是其啟動性能和調(diào)速性能。作為調(diào)速性能，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)得到了很好的解決，所以一直處于弱勢的是其啟動性能。因為在該階段，由于啟動過程中措施不到位導致電流過大有可能會出現(xiàn)燒毀電機和引發(fā)電網(wǎng)故障的現(xiàn)象，所以在工程界比較重視電機的啟動問題。隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)進程不斷加快，能源消耗越來越大，能源緊張問題日益突出，作為能源消耗大戶

3、之一的電機在節(jié)能方面大有潛力可挖。對于帶周期性負載和長期輕載運行的電機，在不采取節(jié)能措施情況下用電效率低，功率因數(shù)低。通過對電動機進行節(jié)能控制，可明顯提高用電效率和提高功率因數(shù)，達到節(jié)能降耗的目的。因此，電動機經(jīng)濟運行的理論研究和節(jié)能技術(shù)研究近年來備受關(guān)注。三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，它可以拖動風機，泵，壓縮機，中小型軋鋼設(shè)備，各種金屬切削機床，輕工機械，礦山機械等。在農(nóng)業(yè)中，可以拖動水泵，脫粒機，粉碎機以及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機械等。在民用電器中，電扇，洗衣機，電冰箱，空調(diào)機等都有單相異步電動機拖動?？傊?，異步電動機應(yīng)用范圍廣，需要量大，是實現(xiàn)電氣化不可缺

4、少的動力設(shè)備。異步電動機運行時，定子繞組接到交流電源上，轉(zhuǎn)子繞組自身短路，由于電磁感應(yīng)的關(guān)系，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電動勢，電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2. 三相異步電動機的啟動方案2.1 三相異步電動機的直接啟動三相異步電動機直接啟動是指電動機直接加額定電壓，定子回路不串任何電器元件時的啟動。特點：電動機定子繞組的工作電壓和啟動電壓相等。三相異步電動機的啟動要滿足生產(chǎn)機械對異步電動機啟動性能的要求啟動轉(zhuǎn)矩要大，以保證生產(chǎn)機械的正常啟動?？s短啟動時間；啟動電流要小。以減小對電網(wǎng)的沖擊。由三相異步電動機機械特性的物理表達式知道，在額定電壓下直接起動三相異步電動機。即轉(zhuǎn)差率 s1，主磁通 額定磁通的1/2，

5、功率因數(shù)cos 很小，造成了起動電流相當大而起動轉(zhuǎn)矩 并不大的結(jié)果。例如，對于普通鼠籠式異步電動機，起動電流 （47）in （ 為起動電流倍數(shù)）起動轉(zhuǎn)矩 tn（0.91.3） 對于繞線式三相異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩t stn 。起動電流過大，對電網(wǎng)沖擊大。使電網(wǎng)電壓降低，對電機前端供電變壓器影響大。使得變壓器輸入電壓幅度下降，超過了額定值的允許偏差10%或更嚴重。這樣，一方面影響了異步電機本身，由于tst與電壓 u的平方成正比，導致tst下降更多，當重載時電機將不能起動；另一方面，影響由同一臺供電變壓器供電的其它負載，如電燈會變暗，用電設(shè)備失常，重載的異步電機可能停轉(zhuǎn)等。 下面兩種情況不能直接啟動

6、。變壓器與 電機容量之比不足夠大。啟動轉(zhuǎn)矩不能滿足要求。綜上所述，三相異步電機直接起動的情況只適應(yīng)于供電變壓器容量較大，電動機容量小于 7.5kw的小容量鼠籠式異步電機。對于大容量鼠籠式異步電機和繞線式異步電動機可采用如下方法：（1）降低定子電壓；（2）加大定子端電阻或電抗；（3）對于繞線式異步電機還可以采用加大轉(zhuǎn)子端電阻或電抗的方法。對于鼠籠式異步電機，可以結(jié)構(gòu)上采取措施，如增大轉(zhuǎn)子導條的電阻，改進轉(zhuǎn)子槽形?？偨Y(jié)： 直接起動即全壓起動。直接啟動的條件：由于直接啟動的啟動電流很大，因此在什么情況下采用直接啟動，有關(guān)供電、動力部門都有規(guī)定，主要取決于電動機的功率與供電變壓器的容量之比值。 一般在

7、有獨立變壓器供電（即變壓器供動力用電）的情況下： 1：若電動機啟動頻繁時，電動機功率小于變壓器容量的20%時允許直接啟動； 2：若電動機不經(jīng)常啟動，電動機功率小于變壓器容量的30%時也允許直接啟動。如果沒有獨立的變壓器供電（即與照明共用電源）的情況下，電動機啟動比較頻繁，則常按經(jīng)驗公式來估算，滿足下列關(guān)系則可直接啟動。 全壓起動條件：（1）異步電動機功率低于7.5kw（2）：kf小于或等于1/4乘以3加電源總?cè)萘?啟動電動機容量 直接起動時的影響：（1）起動電流較大，可達額定電流的47 倍，甚至達到812倍。（2）過大的起動電流造成電機過熱，影響電動機的壽命。（3）過大的起動電流使電動機受到電

8、動力的沖擊，繞組變形可能造成短路而燒毀電動機。（4）過大的起動電流會使電網(wǎng)線路電壓降增大，對同一線路中的其他電器設(shè)備造成影響。 2.2 籠型異步電動機的啟動 2.2.1 定子串電抗器啟動起動時電抗器接入定子電路，起動后，切除電抗器，進入正常運行。三相異步電動機直接起動時，每相等效電路如圖11所示。電源額定電壓直接加在短路阻抗上，定子側(cè)串入電抗x起動時，每相等效電路如圖12所示，un加在（jx+）上，而上的電壓是u/。定子側(cè)串電抗起動可以理解為增大定子側(cè)電抗值，也可以理解為降低定子側(cè)實際所加電壓，其目的是減小起動電流。在定子側(cè)串入電抗后，其堵轉(zhuǎn)電流為i/s 圖2-1 直接起動 圖2-2 定子串電

9、抗起動 三相異步電動機直接起動的時候轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，這是由于電動機設(shè)計時，短路阻抗中，所致，一般的說，。因此，串電抗起動時，可以近似把zk的模值與x相加，而不考慮阻抗角，誤差不大。設(shè)串電抗時電動機定子電壓與直接起動時定子的額定電壓比值為u，則：式中， 分別是定子串電抗與不串電抗時候的堵轉(zhuǎn)電流；分別是定子串電抗與不串電抗時候的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，當選定u時，定子應(yīng)串的電抗為：從減小起動電流和改善電網(wǎng)電壓品質(zhì)的角度看，定子回路中串電阻或是串電抗效果是一樣的。但是串電阻將增加起動損耗，浪費電能，只有在電機容量較小時才允許使用，大中型電機僅采用串電抗起動。定子回路串電阻或是電抗都能減小起動電流，使得電網(wǎng)的沖擊

10、電流減小，對改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性是有利的。但是，問題的另一面是，隨著起動電流的減小，電機產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩也隨著變化，有必要對起動轉(zhuǎn)矩進行校驗，看它是否能滿足生產(chǎn)工藝的要求，拖動系統(tǒng)是否能順利的升速到要求的轉(zhuǎn)速根據(jù)圖示的等值電路，起動時的電磁功率為：對于恒定的同步角速度，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的平方成正比。利用這個重要關(guān)系式可以得出結(jié)論：不管是定子回路串電阻還是電抗，只要能將起動電流改變?yōu)橹苯悠饎邮堑谋?，則起動轉(zhuǎn)矩就將變成直接起動時的倍。顯然，如果起動電流是直接起動時的1/2，則起動轉(zhuǎn)矩將是直接起動時的1/4。因為鼠籠異步機的直接起動轉(zhuǎn)矩本來就不大，采用定子回路串電阻或是電抗后起動轉(zhuǎn)矩就更小，必須對這種起

11、動轉(zhuǎn)矩的大幅度下降進行校驗，看它是否能保證拖動系統(tǒng)順利完成起動任務(wù)。一般地說由于起動轉(zhuǎn)矩較小，所以定子回路串阻抗的起動方法只適用于輕載起動或者是空載起動的生產(chǎn)機械。 2.2.2星-三角啟動凡正常運行時定子繞組接成三角形的是三相鼠籠式異步電動機，在啟動時臨時成星形，待電動機啟動后接近額定轉(zhuǎn)速時，在將定子繞組通過y降壓啟動裝置接換成三角形運行，這種啟動方法叫y降壓啟動。屬于電動機降壓啟動的一種方式，由于啟動時定子繞組的電壓只有原運行電壓的，啟動力矩較小只有原力矩的，所以這種啟動電路適用于輕載或空載啟動的電動機。圖2-3 三相異步電動機y降壓控制接線示意圖特點：定子繞組星形接法時，啟動電壓為直接啟動

12、采用三角形接法的1/3，起動電流為三角形接法的1/3因而啟動電流特性好，線路比較簡單，投資少，其中啟動轉(zhuǎn)矩特性差，所以該線路適應(yīng)用于輕載或空載啟動場合。線路分析如下：1、合上空氣開關(guān)qf接通三相電源，2、按下啟動按鈕sb2，首先交流接觸器km3線圈通電吸合，km3的三對主觸頭將定子繞組尾端聯(lián)在一起。km3的輔助常開觸點接通使交流接觸器km1線圈通電吸合，km1三對主常觸頭閉合接通電動機定子三相繞組的首端，電動機在y接下低壓啟動。 3、隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高，待接近額定轉(zhuǎn)速時（或觀察電流表接近額定電流時），按下運行按鈕sb3，此時bs3的常閉觸點斷開km3線圈的回路，km3失電釋放，常開主觸頭釋放

13、將三相繞組尾端連接打開，sb3的常開接點接通中間繼電器ka線圈通電吸合，ka的常閉接點斷開km3電路（互鎖），km3的常開接點吸合，通過sb2的常閉接點和km1常開互鎖接點實現(xiàn)自保，同時通過km3常閉接點（互鎖）使接觸器km2線圈通電吸合，km2主觸頭閉合將電動機三相繞組連接成，使電動機在接法下運行。完成了y接壓啟動的任務(wù)。 4、熱繼電器fr作為電動機的過載保護，熱繼電器fr的熱元件接在三角形的里面，流過熱繼電器的電流是相電流，定值時應(yīng)按電動機額定電流的計算。 5、km2及km3常閉觸點構(gòu)成互鎖環(huán)節(jié)，保證了電動機y接法不可能同時出現(xiàn)，避免發(fā)生將電源短路事故。三相異步電動機y降壓控制接線示意圖安

14、裝注意事項：1、y降壓啟動電路，只適用于形接線，380v的鼠籠異步電動機。不可用于y形接線的電動機應(yīng)為啟動時已是y形接線，電動機全壓啟動，當轉(zhuǎn)入形運行時，電動機繞組會應(yīng)電壓過高而燒毀。 2、接線時應(yīng)先將電動機接線盒的連接片拆除。 3、接線時應(yīng)特別注意電動機的首尾端接線相序不可有錯，如果接線有錯，在通電運行會出現(xiàn)啟動時電動機左轉(zhuǎn)，運行時電動機右轉(zhuǎn)，應(yīng)為電動機突然反轉(zhuǎn)電流劇增燒毀電動機或造成掉閘事故。 4、如果需要調(diào)換電動機旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)在電源開關(guān)負荷側(cè)調(diào)電源線為好，這樣操作不容易造成電動機首尾端接線錯誤。 5、電路中裝電流表的目的，是監(jiān)視電動機起動、運行電流的，電流表的量程應(yīng)按電動機額定電流的3倍

15、選擇。 常見故障： 1、y啟動過程正常，但按下sb3后電動機發(fā)出異常聲音轉(zhuǎn)速也急劇下降，這是為什么？ 分析現(xiàn)象；接觸器切換動作正常，表明控制電路接線無誤。問題出現(xiàn)在接上電動機后，從故障現(xiàn)象分析，很可能是電動機主回路接線有誤，使電路由y接轉(zhuǎn)到接時，送入電動機的電源順序改變了，電動機由正常啟動突然變成了反序電源制動，強大的反向制動電流造成了電動機轉(zhuǎn)速急劇下降和異常聲音。 處理故障；核查主回路接觸器及電動機接線端子的接線順序。 2、線路空載試驗工作正常，接上電動機試車時，一起動電動機，電動機就發(fā)出異常聲音，轉(zhuǎn)子左右顫動，立即按sb1停止，停止時km2和km3的滅弧罩內(nèi)有強烈的電弧現(xiàn)象。這是為什么？分

16、析現(xiàn)象；空載試驗時接觸器切換動作正常，表明控制電路接線無誤。問題出現(xiàn)在接上電動機后，從故障現(xiàn)象分析是由于電動機缺相所引起的。電動機在y起動時有一相繞組為接入電路，電動機造成單相啟動，由于缺相繞組不能形成旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向不定而左右顫動。 處理故障；檢查接觸器接點閉合是否良好，接觸器及電動機端子的接線是否緊固。 2.2.3 自耦減壓啟動在定子回路中串阻抗雖然能滿足電網(wǎng)減小起動電流的要求，但是往往因為起動轉(zhuǎn)矩過小而滿足不了生產(chǎn)工藝的要求。為了解決這個矛盾人們采用自耦減壓起動。三相鼠籠型異步電動機采用自耦變壓器降壓起動稱為自耦減壓起動，其接線圖如圖所示。起動時，開關(guān)k投向起動一邊，電動機的

17、定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上，當轉(zhuǎn)速升高到一定程度后，開關(guān)k投向運行邊，自耦變壓器被切除，電動機定子直接接到電源上，電動機進入正常運行。自耦減壓起動時，一相電路如圖所示。 圖2-4 自耦減壓起 圖2-5 自耦減壓起動一相電路電動機起動電壓下降為u，與直接起動時電壓un的關(guān)系為：電動機降壓起動電流為,與直接起動時的起動電流之間關(guān)系為：自耦變壓器高壓邊的起動電流為，與之間的關(guān)系為：因此，降壓起動與直接起動相比，供電變壓器提供的起動電流的關(guān)系為 ： 自耦變壓器降壓時電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為，與直接起動時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：由以上可以看出，采用自耦減壓起動時，與直接起動相比較，電壓降低到n2/n

18、1倍，堵轉(zhuǎn)電流與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩降低到（n2/n1）2倍。換句話說：如果采用自耦減壓起動，則起動電流變化的比值和轉(zhuǎn)矩變化的比值相等，都是直接起動時的ka分之一。自耦減壓起動，比起定子串阻抗起動，當限定的起動電流相同時，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩損失較少，比y起動靈活，并且當n2/n1較大時，可以拖動較大的負載起動。但是，自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶重負載起動。自耦減壓起動在較大容量鼠籠型異步電動機上廣泛應(yīng)用。前面介紹的幾種鼠籠型異步電動機的降壓起動方法，主要目的都是減小起動電流，但同時有都程度不同地降低了堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，因此，只適合空載或輕載起動，尤其要求起動過程很快的情況下，則經(jīng)常需要堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較大的異步電動機，加大堵

19、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的方法是增大轉(zhuǎn)子電阻。對于繞線型異步電動機，則可在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串電阻。對于鼠籠型異步電動機，只有設(shè)法加大鼠籠本身的電阻值。2.3繞線式三相異步電動機的啟動 2.3.1 轉(zhuǎn)子回路串電阻的啟動 繞線型三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串入電阻，可以減小定子電流。當所串入的電阻rs合適，可以增大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值。當所串電阻折合值為：即sm=1，電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達最大值。為什么在繞線型三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串入電阻后，定、轉(zhuǎn)子電流減小了，而堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩卻能增大？從電動機電磁轉(zhuǎn)矩公式知道，在氣隙每極磁通量一定時，電磁轉(zhuǎn)矩t與轉(zhuǎn)子有功電流成正比。已知串入電阻rs后，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角為：即角比不串時小很多，使得值增大。盡管剛起

20、動時，因為串電阻使得減小，但值的增大，使得轉(zhuǎn)子有功電流反而增大了，從而增大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值。當然，過分增大所串電阻，雖然會增大，其極限值為1，因轉(zhuǎn)子電流減小使堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也跟著減小。圖26（a）是繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的示意圖，為了簡單，也有采用圖26（b）不對稱電阻。 圖26（a） 圖26（b）繞線型三相異步電動機多用在拖動那些要求堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大的生產(chǎn)機械，如起重機械，球磨機，空壓機，皮帶運輸機以及礦井提升機等。為了減小繞線型三相異步電動機運行時電刷與集電環(huán)間的摩擦損耗，有些電機安裝了電刷提起裝置。當電動機起動完畢后，把轉(zhuǎn)子三相繞組彼此短路，將電刷從集電環(huán)上舉起。2.3.2 轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動對于那

21、些單純?yōu)榱讼拗破饎与娏髟龃蠖罗D(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的繞線型異步電動機，可以采用轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動，如圖18所示。頻敏變阻器是一個三相鐵心線圈，它的鐵心是由實心鐵板或鋼板疊加而成，板的厚度為3050mm。圖18中，接觸器點k斷開時，電動機轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器起動。起動過程結(jié)束后，接觸器點k再閉合，切除頻敏變阻器，電動機進入正常運行。頻敏變阻器每一相的等效電路與變壓器空載運行時的等效電路是一致的。忽略繞組漏阻抗時，其勵磁阻抗為勵磁電阻與勵磁電抗串聯(lián)組成，用表示。但是，與一般變壓器勵磁阻抗不完全相同，主要表現(xiàn)在以下兩點：頻率為50hz的電流通過時，阻抗比一般的變壓器勵磁阻抗小的多。這樣，串在轉(zhuǎn)子回路中，既限制了定.

22、轉(zhuǎn)子電流，又不致使堵轉(zhuǎn)電流過小而減小堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。頻率為50hz的電流通過時，。其原因，頻敏變阻器中磁通密度取的較高，鐵心處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大，因此，勵磁電抗較小。而鐵心是厚鐵板或后鋼板的，磁滯，渦流損耗都比較大，頻敏變阻器的單位重量鐵心中的損耗，與一般變壓器相比較要大幾百倍，因此較大。 圖27 轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動繞線型三相異步電動機轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動時（s=1），轉(zhuǎn)子回路頻率為50hz，因為，轉(zhuǎn)子回路主要是串入了電阻，提高了轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)，既限制了堵轉(zhuǎn)電流，又提高了堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子回路頻率逐漸降低，頻敏變阻器中鐵損耗減小，電阻也小；電抗也小。正因如此，電動機

23、在幾乎整個起動過程中始終保持較大的電磁轉(zhuǎn)矩。為了用戶的方便，頻敏變阻器的等效阻抗是可以調(diào)節(jié)的。實際的頻敏變阻器線圈上都有幾級中間抽頭，供使用時選擇一個比較合適的等效阻抗值。鐵損和磁密的平方成正比，改變線圈的匝數(shù)將引起等效阻抗的較大變化。中間抽頭受到結(jié)構(gòu)條件的限制，只能是有限的幾種，不可能適應(yīng)緊密調(diào)節(jié)的需要。為了將起動電流和起動轉(zhuǎn)矩比較準確的整定在要求的數(shù)值上，頻敏變阻器都裝有調(diào)節(jié)氣隙長度的活動鐵心。氣隙越大，磁密越小，等效阻抗也愈小。結(jié)論在本次的課程設(shè)計是以電機與拖動的教材為主線，基本能按照設(shè)計任務(wù)書，指導書，技術(shù)條件的要求進行。通過上面的設(shè)計可知：利用晶閘管調(diào)壓的軟起動方式可以獲得較為理想的軟起動效果的理論。即在同等的條件下，起動控制電路具有較簡練的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作可靠性高，這種方式可以較小的成本獲取較高的起動性能。通過研究，可以得到以下結(jié)論：1.異步電動機軟起動可以有效地減