電機課程設(shè)計 華中科技大學(xué)

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繞線式異步電動機串電阻調(diào)速

學(xué)號U202311939專業(yè)班號電氣0811姓名楊大中指導(dǎo)教師楊凱

日期2023年3月6日報告成績

一、設(shè)計題目

一臺繞線式異步電動機，Y/y連接，已知數(shù)據(jù)為：額定功率PN=120kW，f=50Hz，2p=4，Un=380V，nN=1440r/min，R1=0.02Ω，R2‘=0.04Ω，x1σ=x2σ’=0.06Ω，xm=3.6Ω，ki=ke=0.02，忽略鐵耗。試求：

若維持轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載為額定轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速下降到1000r/min，采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速，計算電阻及其它參數(shù)，做出機械特性圖，分析能量的傳遞。用Matlab中的SIMULINK設(shè)計調(diào)速仿真模型(其余仿真參數(shù)可自行設(shè)定)，并仿真調(diào)速前后定子電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形。

二、設(shè)計過程

1.原理描述

交流電動機調(diào)速的主要理論依據(jù)是：

n?n1??1?s??60f

p?1?s?式中：f：電源頻率

P：電動機的極對致

s：轉(zhuǎn)差率

要實現(xiàn)調(diào)速主要就是通過改變上述三個參量f、p、s，本次設(shè)計要闡述的串電阻調(diào)速屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中的一種。該方案主要原理就是在電動機轉(zhuǎn)子側(cè)串接不同阻值的電阻，使得電動機運行在不同的給定特性曲線上（如下圖1）。其主要優(yōu)缺點在于：

1．對電網(wǎng)的容量、電壓波動等要求不高；

2．起動特性較好，可以控制起動電流，但不影響起動轉(zhuǎn)矩；3．控制方案簡便易行，系統(tǒng)造價較低，前期投入??；4．有級調(diào)速。電阻設(shè)計一旦確定，則速度檔不易改變；5．低速時，機械特性較軟。轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)矩變化影響很大，效率較低。

圖1繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機械特性

2.參數(shù)計算

繞線式異步電動機T形等效電路如下

圖2繞線式異步電動機T形等效電路圖

轉(zhuǎn)子電感L1s?'x1?0.06??0.000191H2?f1100?x2?'0.06定子電感L1r???0.000191H

2?f1100?勵磁電感Lm?xm3.6??0.0115H2?f1100?額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tn?PN120000??795.8N?m

2?nN2??14406060同步轉(zhuǎn)速n0?60f1/p?60?50/2?1500r/min額定轉(zhuǎn)差率sN?1500?1440?0.04

150021R2'm1pUs調(diào)速前的電磁轉(zhuǎn)矩Tem??876.3N?m'R2?f1[(R1?2)2?(X1??X2?')2]s1500?10001?調(diào)速后的轉(zhuǎn)差s1?15003要求為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，則有：

R2'R2'?R??sNs1由上式可得R?'?0.29?

轉(zhuǎn)子串電阻過程中，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電機的定、轉(zhuǎn)子電流也不變，在串電阻調(diào)速過程中，電機電流均為額定電流。轉(zhuǎn)子電流：

U1(R1?'I0??I2?R?2)?(X1??X2)?sNU1??22?(0.02?38030.042)?(0.06?0.06)20.04?210.14A；

380/30.02?3.6622R?(X1??Xm)212?60.11A

'定子電流：I1?I0'?I2?218.56??5.536。A

3.機械特性圖

下面用matlab畫出其機械特性圖：編程如下：

>>s=0.01:0.01:0.99;>>p=2;m1=3;>>u=380/sqrt(3);>>f=50;>>R1=0.02;>>R2=0.04;>>X1=0.06;>>X2=0.06;

>>Tem=p.*m1.*u.^2.*R2./s./2./pi./f./((R1+R2./s).^2+(X1+X2).^2);>>plot(Tem,s);

>>ylabel('轉(zhuǎn)差率s');

>>xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Tem/N*m');

>>Tem1=p.*m1.*u.^2.*(R2+0.29)./s./2./pi./f1./((R1+(R2+0.29)./s).^2+((X1+X2)).^2);>>holdon;

>>legend('調(diào)速前','調(diào)速后');

10.90.80.70.6轉(zhuǎn)差率s調(diào)速前調(diào)速后0.50.40.30.20.1005001000150020002500電磁轉(zhuǎn)矩Tem/N*m300035004000圖3調(diào)速前后的機械特性

4.能量傳遞分析：

調(diào)速前的電磁功率Pem?Tem?2?n0/60?132.1kW損耗為?p?132.1?120?12.1kW調(diào)速后電磁功率不變，輸出功率

P2?TN?2?n1/60?795.8?2??1000/60?83.34kW

調(diào)速后損耗?p'?132.1?83.34?48.76kW下面分析損耗去向：?調(diào)速前：

定子銅耗：pcu1?m1I1R1?5.73kW

2?2?轉(zhuǎn)子銅耗：PCu2?m1I2R2?3*210.142*0.04?5.3kW

電磁功率：PemN?132.1kW；

總機械功率：Pmec?(1?s)PemN?0.96*132.1?126.8kW；

忽略鐵耗，總輸入功率：P1?PCu1?PemN?5.73?132.1?137.83kW；空載損耗：P0?pmec?pad?Pmec?P2N?126.8?120?6.8kW?調(diào)速后：I2?、I0'、定子電流、定子銅耗、電磁功率都不變定子銅耗不變：pcu1?m1I1R1?5.73kW

2電磁功率不變：PemN?132.1kW；

轉(zhuǎn)子銅耗增加：PCu2?s?PemN??132.1?44.03kW；總機械功率減少：Pmec?(1?s)PemN?*132.1?88.07kW；忽略鐵耗，總輸入功率不變：P1?PCu1?PemN?137.83kW；空載損耗減少：P0?pmec?pad?PmecN?P2?88.07?83.34?4.73kW轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，由于等效電路不變，從定子傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率不變，但機械功率Pm和銅耗PCu2卻發(fā)生了變化：

Pem?Pmec?PCu2?(1?s)Pem?sPem

2313轉(zhuǎn)速越低時s越大，那么機械功率部分Pm變小，而轉(zhuǎn)子銅耗PCu2增大。所以這種調(diào)速方法在低速運行時，損耗大，效率低，不宜長期運行。

5．Simulink仿真：

圖3繞線式異步電機串電阻調(diào)速模型

圖中封裝模塊為

圖4繞線式異步電機串電阻調(diào)速模型

圖中封裝模塊為

圖5封裝模塊圖

電機參數(shù)設(shè)置如下

圖6電機參數(shù)設(shè)置

仿真后示波器結(jié)果為：

圖7仿真結(jié)果

從上到下，依次為轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩Tem的波形圖。放大圖如下：

圖8轉(zhuǎn)子電流和定子電流放大圖

我們可以從上圖8得到Ir?280A?198*20.5A,Is?300A?212.2*20.5A

圖9轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩放大圖

從上圖可知，在t=1.0s時，轉(zhuǎn)速從1440r/min下降到1020r/min，轉(zhuǎn)矩Tem保持在801N*m。

6.結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子串入電阻后，轉(zhuǎn)速從1440r/min下降到1020r/min，轉(zhuǎn)子電流先變小再增大，周期變小，頻率升高；定子電流大小不變，頻率不變；電磁轉(zhuǎn)矩先下降再上升，穩(wěn)定在原電磁轉(zhuǎn)矩大小，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

三、設(shè)計總結(jié)

本次設(shè)計采用繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子電路外串電阻的調(diào)速方法，不可否認(rèn)，其在運輸起重機械、冶金機械和鼓風(fēng)機等場合有很廣泛的應(yīng)用，這種調(diào)速方法具有調(diào)速線路簡單,初投資小的優(yōu)點,但其一個很大的缺點是經(jīng)濟性不高,轉(zhuǎn)子外串電阻的能耗大,轉(zhuǎn)速越低,外串電阻的數(shù)值就越大,電機效率也越低。假使能夠找到降低能耗的方法其應(yīng)

用必將更廣泛。

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