三相繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動的設(shè)計.doc

遼寧工程技術(shù)大學(xué)電機與拖動課程設(shè)計引言三相異步電動機是目前應(yīng)用最為廣泛的電動機。要想討論電力拖動中經(jīng)常遇到的繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻啟動問題，首先我們要先了解三相異步電動機，這是討論問題的基礎(chǔ)。異步電動機是交流電動機的一種。由于異步電動機在性能上有缺陷，所以異步電動機主要作電動機使用。異步電動機按供電電源相數(shù)的不同，有三相、兩相和單相之分。三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便，是當(dāng)前工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最普通的電動機；單相異步電動機容量較小，性能較差，在實驗室和家用電器中應(yīng)用較多；兩相異步電動機通常用作控制電機。三相異步電動機分為三相籠型異步電動機和三相繞線型異步電動機。我的設(shè)計為三相繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻啟動。1 三相異步電機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成1.1 工作原理三相對稱繞組，接通三相對稱電源，流過三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場（電生磁），切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，感應(yīng)電勢和電流（磁變生電），載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩（電磁生力），使轉(zhuǎn)子朝著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。1.2 結(jié)構(gòu)組成三相異步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙三部分組成。1.2.1 定子三相異步電動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。1） 定子鐵心定子鐵心是異步電動機主磁通磁路的一部分。為了使異步電動機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，希望有一個較強的旋轉(zhuǎn)磁場，同時由于旋轉(zhuǎn)磁場對定子鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子鐵心中的磁通的大小與方向都是變化的，必須設(shè)法減少由旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵心中所引起的渦流損耗和磁滯損耗，因此，定子鐵心由導(dǎo)磁性能較好的0.5mm厚且沖有一定槽形的硅鋼片疊壓而成。對于容量較大(10kW以上)的電動機，在硅鋼片兩面涂以絕緣漆，作為片間絕緣之用。定子鐵心上的槽形通常有三種半閉口槽，半開口槽及開口槽。從提高電動機的效率和功率因數(shù)來看，半閉口槽最好。2） 定子繞組定子繞組是異步電機定子部分的電路，它也是由許多線圈按一定規(guī)律聯(lián)接面成。能分散嵌入半閉口槽的線圈由高強度漆包圓銅線或圓鋁線繞成，放入半開口槽的成型線圈用高強度漆包扁沿線或扁銅線，或用玻璃絲包扁銅線繞成。開口槽也放入成型線圈，其絕緣通常采用云母帶，線圈放入槽內(nèi)必須與槽壁之間隔有“槽絕緣”，以免電機在運行時繞組對鐵心出現(xiàn)擊穿或短路故障。一般根據(jù)定子繞組在槽內(nèi)布置的情況，有單層繞組及雙層繞組兩種基本型型。容量較大的異步電動機都采用雙層繞組。雙層繞組在每槽內(nèi)的導(dǎo)線分上下兩層放置，上下層線圈邊之間需要用層間絕緣隔開。小容量異步電動機常采用單層繞組。槽內(nèi)定子繞組的導(dǎo)線用槽楔緊固。槽楔常用的材料是竹、膠布板或環(huán)氧玻璃布板等非磁性材料。3） 機座機座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。中小型異步電動機一般都采用鑄鐵機坐，并根據(jù)不同的冷卻方式而采用不同的機座型式。例如小型封閉式電動機、電機中損耗變成的熱量全都要通過機座散出。為了加強散熱能力，在機座的外表面有很多均勻分布的散熱筋，以增大散熱面積。對于大中型異步電動機，一般采用鋼板焊接的機座。1.2.2 轉(zhuǎn)子異步電機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1） 轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機主磁通磁路的一部分，一般也由0.5毫米厚沖槽的硅鋼片疊成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個轉(zhuǎn)子鐵心的外表面成圓柱形。2） 轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩種結(jié)構(gòu)，在以下文章中將分別說明這兩種繞組結(jié)形式特點。圖1-1 繞線型異步電動機的結(jié)構(gòu)圖1.2.3 氣隙異步電動機定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是很小的，中小型電機般為0.22mm。氣隙的大小與異步電動機的性能關(guān)系極大。氣隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大時，產(chǎn)生同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場就需要較大的勵磁電流。勵磁電流是無功電流(與變壓器中的情況一樣)，該電流增大會使電機的功率因數(shù)變壞。然而，磁阻大可以減少氣隙磁場中的諧波含量，從而可減少附加損耗，且改善起動性能。氣隙過小，會使裝配困難和運轉(zhuǎn)不安全。如何決定氣隙大小，應(yīng)權(quán)衡利弊，全面考慮。一般異步電動機的氣隙以較小為宜。異步電動機主要分為籠型（又稱為鼠籠型）和繞線型。雖然我們主要介紹繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動，但我們還是先了解一下鼠籠型電機啟動的優(yōu)點和局限，以方便和繞線形電動機進行性能比較。2 籠型和繞線型異步電機的性能比較2.1 籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)優(yōu)點和啟動性能局限我們知道，籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在電機行業(yè)屬于“吃電大戶”，推廣最為普及，需求量也占絕對份額。但與繞線型異步電動機相比，啟動性能有其自身的局限性：籠型異步電動機的啟動電流一般達到額定電流的5-7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0416倍(小電機能達到22倍)。這種情況在電網(wǎng)條件和工藝條件允許的情況下，能夠直接啟動。這里的電網(wǎng)條件一般指電機啟動時電網(wǎng)保證電機機端壓降不大于10；工藝條件是指電機的啟動轉(zhuǎn)矩滿足機組系統(tǒng)慣量和負載的加速特性要求。但過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時間給電動機和電網(wǎng)將造成極大的潛在危害。定轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱量隨其流過的電流大小成平方倍關(guān)系變化。按照上述的啟動電流倍數(shù)，電機啟動時的單位時間發(fā)熱量是正常運行時的2549倍，產(chǎn)生的電磁力也將大幅度增加。過快的加熱速度、過高的溫度、過大的溫度梯度和電磁力產(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定轉(zhuǎn)子繞組的使用壽命。特別是對一些大慣量負載，如大慣量風(fēng)機、磨機，利用集膚效應(yīng)降低啟動電流產(chǎn)提高啟動轉(zhuǎn)矩的電機，也易出現(xiàn)頻繁多次啟動后轉(zhuǎn)子斷條現(xiàn)象。2.2 繞線型異步電動機的結(jié)構(gòu)特點繞線型繞組是一個對稱三相繞組，這個對稱三相繞組接成星形，并接到轉(zhuǎn)軸上三個集電環(huán)，再通過電刷使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通。這種轉(zhuǎn)子的特點是，通過集電環(huán)和電刷可在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻或其它控制裝置，以便改善電動機的起動性能或調(diào)速特性。為了減小電刷的磨損與摩擦損耗，中等容量以上的異步電動機還裝有一種提刷短路裝置。這種裝置當(dāng)電動機起動以后而又不需要調(diào)節(jié)速度時，移動其手柄，可使電刷提起，與集電環(huán)脫離接觸，同時使三只集電環(huán)彼此短接起來。3 繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動3.1 轉(zhuǎn)子串電阻啟動的原理繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串三相對稱電阻啟動時，一般采用分級切除啟動電阻的方法。這是因為隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)子電流、電機轉(zhuǎn)矩將逐漸降低。為了充分利用電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)隨著轉(zhuǎn)速的增高，逐漸減少轉(zhuǎn)子回路電阻，使電動機維持較高的啟動電流和轉(zhuǎn)矩。由式（1）可以看出，若使轉(zhuǎn)子回路電阻與轉(zhuǎn)差率s成正比例減少，則電動機在加速過程中可以獲得恒定的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。 （1）3.2 啟動電阻的使用原則目前國內(nèi)廣泛使用的啟動電阻是金屬電阻，它是由一箱電阻片構(gòu)成的。電阻值的改變是靠開關(guān)電器將金屬電阻一段段的短接來實現(xiàn)的，所以電阻值的變化不連續(xù)，有級。每短接一段，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩便突變一次。啟動電阻分級數(shù)越少，則在啟動過程中沒次短接電阻所引起的啟動電流沖擊幅度就大，軸上轉(zhuǎn)矩的突變也大。從啟動電流對供電電網(wǎng)的沖擊和機械的受力考慮，啟動電阻的分級數(shù)目不能太少，一般為58級。對容量較大的電動機，啟動電阻分級要多些。對于功率較小的電動機可采用一般三相變阻器或油浸啟動變阻器，對于功率較大的電動機則采用小電阻。3.3 啟動過程3.3.1 小容量電機的啟動容量較小的三相繞線型異步電動機可采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)啟動變阻器的方法啟動。啟動變阻器通過手柄接成星形。啟動前先把啟動變阻器調(diào)到最大值，在合上電源開關(guān)，電動機開始啟動。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小啟動變阻器的電阻，知道全部切除，使轉(zhuǎn)子繞組短接。3.3.2 大容量電機的啟動容量較大的繞線型異步電動機一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中都有較大轉(zhuǎn)矩和較小的啟動電流。圖3-1 繞線型異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的啟動特性啟動電阻的計算步驟如下：1） 根據(jù)生產(chǎn)機械的啟動要求和電動機容量確定啟動電阻的級數(shù)m，其中預(yù)備級數(shù)為i，加速級數(shù)為n。2） 根據(jù)加速度要求，初步確定加速轉(zhuǎn)矩的上限。Z在沒有加速度限制的情況下，可考慮充分利用電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，選=（0.80.9）。3）根據(jù)確定第一加速級的額定轉(zhuǎn)差率。在第一加速級上，=，s=,=1,則： ， 解上式得： 設(shè)，則： 第一加速級的額定轉(zhuǎn)差率與起臨界轉(zhuǎn)差率間的關(guān)系為： 或?qū)懗桑?4） 利用式（啟動電阻級數(shù)為n,各級啟動電阻的公比為q，R和r為各級電阻）求出公比q,5）求第一加速級電阻 6）利用式 7）利用式 8）求平均啟動轉(zhuǎn)矩。在加速過程中，啟動轉(zhuǎn)矩始終在和之間變動，其平均啟動轉(zhuǎn)矩可用算術(shù)平均值表示，即： 或用幾何平均值表示： 當(dāng)被選定后，便是一個確定的值，即為： 在第一加速級上，=1，所以。將代入上式得： 4 具體設(shè)計用一部三相繞線型異步電動機拖動某生產(chǎn)機械運行。已知該電動機的PN=40KW,n=1435r/min, =2.6,U2n=290V，I2N=86A。起動時的負載轉(zhuǎn)矩TL=200NM,采用轉(zhuǎn)子電路串電阻起動。起動級數(shù)m=3。求各級應(yīng)串聯(lián)的起動電阻。1）選擇起動轉(zhuǎn)矩T1TN=60PN/2nN=(6040103)/(23.141435) NM =266.32 NMTM= =2.6266.32 NMT1=(0.80.9)TM=(0.80.9) 692.43 NM =(553.94623.19) NM取T1=600 NM2）求出起切轉(zhuǎn)矩比SN=(n0-nn)/n0=(1500-1435)/1500=0.0433 =3) 求出切換轉(zhuǎn)矩T2T2=T1/=580/2.2 =263.64 NM由于T21.1TL，所以所選m和合適。4）求出轉(zhuǎn)子每相繞組電阻R2=SNU2N/(I2N)=(0.0433290)/(1.7386) =0.08445)求出各級總電阻 R21=R2=2.20.084=0.186 R22=R21=2.20.186=0.408 R23=R23=2.20.408=0.8996)求出各級起動電阻 Rst1=R21-R2=(0.186-0.0844) =0.102 Rst2=R22-R21=(0.408-0.186) =0.222 Rst3=R23-R22=(0.899-0.408) =0.4915 結(jié)論 對于繞線型異步電機來說，如果僅僅是為了限制起動電流、增大起動轉(zhuǎn)矩，則一般采用轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動方式。但此起動方式在頻繁起動下，易發(fā)生溫升，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不常用。 由此可知上述幾種起動方式的共同特點是控制電路簡單，起動轉(zhuǎn)矩基本固定不可調(diào)，起動中都存在二次沖擊電流，對負載機械有沖擊轉(zhuǎn)矩，且受電網(wǎng)電壓波動的影響，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓下降，會造成電機堵轉(zhuǎn)，起動困難，且上述幾種起動方法，在停機時都是瞬間停機，遇到負載較重時會造成劇烈的機械沖擊。當(dāng)三相交流電流通入三相定子繞組后，在定子腔內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)動前靜止不動的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對地切割磁場的磁力線，從而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電流（電磁感應(yīng)原理）。這些帶感應(yīng)電流的罷了子導(dǎo)體在產(chǎn)場中便會發(fā)生運動（電流的效應(yīng)電磁力）。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)導(dǎo)體總是對稱布置的，因而導(dǎo)體上產(chǎn)生的電磁力正好方向相反，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流是定子旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，因此也稱感應(yīng)電動機。又由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終低于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，所以又稱為異步電動機。 繞線型異步電動機可以通過集電