三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì)

1、引言三相異步電動(dòng)機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)。要想討論電力拖動(dòng)中經(jīng)常遇到的繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻啟動(dòng)問(wèn)題，首先我們要先了解三相異步電動(dòng)機(jī)，這是討論問(wèn)題的基礎(chǔ)。異步電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)的一種。由于異步電動(dòng)機(jī)在性能上有缺陷，所以異步電動(dòng)機(jī)主要作電動(dòng)機(jī)使用。異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)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(dòng)機(jī)；單相異步電動(dòng)機(jī)容量較小，性能較差，在實(shí)驗(yàn)室和家用電器中應(yīng)用較多；兩相異步電動(dòng)機(jī)通常用作控制電機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)分為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)和三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)。我的設(shè)計(jì)為三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

2、電路串電阻啟動(dòng)。1 三相異步電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成1.1 工作原理三相對(duì)稱繞組，接通三相對(duì)稱電源，流過(guò)三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（電生磁），切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，感應(yīng)電勢(shì)和電流（磁變生電），載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。1.2 結(jié)構(gòu)組成三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。1） 定子鐵心定子鐵心是異步電動(dòng)機(jī)主磁通磁路的一部分。為了使異步電動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，希望有一個(gè)較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)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

3、方向都是變化的，必須設(shè)法減少由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)于容量較大(10kw以上)的電動(dòng)機(jī)，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(kāi)口槽及開(kāi)口槽。從提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)來(lái)看，半閉口槽最好。2） 定子繞組定子繞組是異步電機(jī)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(qiáng)度漆包圓銅線或圓鋁線繞成，放入半開(kāi)口槽的成型線圈用高強(qiáng)度漆包扁沿線或扁銅線，或用玻璃絲包扁銅線繞成。開(kāi)口槽也放入成型線圈，其絕緣通常采用云母帶，線圈放入

4、槽內(nèi)必須與槽壁之間隔有“槽絕緣”，以免電機(jī)在運(yùn)行時(shí)繞組對(duì)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(dòng)機(jī)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(kāi)。小容量異步電動(dòng)機(jī)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(jī)座機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。中小型異步電動(dòng)機(jī)一般都采用鑄鐵機(jī)坐，并根據(jù)不同的冷卻方式而采用不同的機(jī)座型式。例如小型封閉式電動(dòng)機(jī)、電機(jī)中損耗變成的熱量全都要通過(guò)機(jī)座散出。為了加強(qiáng)散熱能力，在機(jī)座的外表面有很多均

5、勻分布的散熱筋，以增大散熱面積。對(duì)于大中型異步電動(dòng)機(jī)，一般采用鋼板焊接的機(jī)座。1.2.2 轉(zhuǎn)子異步電機(jī)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(dòng)機(jī)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(gè)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(shuō)明這兩種繞組結(jié)形式特點(diǎn)。圖1-1 繞線型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1.2.3 氣隙異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是很小的，中小型電機(jī)般為0.22mm。氣隙的大小與異步電動(dòng)機(jī)的性能關(guān)系極大。氣隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大時(shí)，產(chǎn)生同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就需要較大的

6、勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流是無(wú)功電流(與變壓器中的情況一樣)，該電流增大會(huì)使電機(jī)的功率因數(shù)變壞。然而，磁阻大可以減少氣隙磁場(chǎng)中的諧波含量，從而可減少附加損耗，且改善起動(dòng)性能。氣隙過(guò)小，會(huì)使裝配困難和運(yùn)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(dòng)機(jī)的氣隙以較小為宜。異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)，但我們還是先了解一下鼠籠型電機(jī)啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和局限，以方便和繞線形電動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能比較。2 籠型和繞線型異步電機(jī)的性能比較2.1 籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和啟動(dòng)性能局限我們知道，籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，在電機(jī)行業(yè)屬于“吃電大戶”，推

7、廣最為普及，需求量也占絕對(duì)份額。但與繞線型異步電動(dòng)機(jī)相比，啟動(dòng)性能有其自身的局限性：籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流一般達(dá)到額定電流的5-7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0416倍(小電機(jī)能達(dá)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(dòng)。這里的電網(wǎng)條件一般指電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)保證電機(jī)機(jī)端壓降不大于10；工藝條件是指電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足機(jī)組系統(tǒng)慣量和負(fù)載的加速特性要求。但過(guò)大的啟動(dòng)電流、過(guò)小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間給電動(dòng)機(jī)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(guò)的電流大小成平方倍關(guān)系變化。按照上述的啟動(dòng)電流倍數(shù)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的單位時(shí)間發(fā)熱量是正常運(yùn)行時(shí)的2549倍，產(chǎn)生的電磁

8、力也將大幅度增加。過(guò)快的加熱速度、過(guò)高的溫度、過(guò)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(duì)一些大慣量負(fù)載，如大慣量風(fēng)機(jī)、磨機(jī)，利用集膚效應(yīng)降低啟動(dòng)電流產(chǎn)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，也易出現(xiàn)頻繁多次啟動(dòng)后轉(zhuǎn)子斷條現(xiàn)象。2.2 繞線型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)繞線型繞組是一個(gè)對(duì)稱三相繞組，這個(gè)對(duì)稱三相繞組接成星形，并接到轉(zhuǎn)軸上三個(gè)集電環(huán)，再通過(guò)電刷使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通。這種轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是，通過(guò)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(dòng)機(jī)還裝有一種提刷短路裝置。這種裝置當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

9、以后而又不需要調(diào)節(jié)速度時(shí)，移動(dòng)其手柄，可使電刷提起，與集電環(huán)脫離接觸，同時(shí)使三只集電環(huán)彼此短接起來(lái)。3 繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)3.1 轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的原理繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串三相對(duì)稱電阻啟動(dòng)時(shí)，一般采用分級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩將逐漸降低。為了充分利用電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)機(jī)維持較高的啟動(dòng)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(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中可以獲得恒定的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （1）3.2 啟動(dòng)電阻的使用原則目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的啟動(dòng)電阻是金屬電阻，它是由一箱電阻

10、片構(gòu)成的。電阻值的改變是靠開(kāi)關(guān)電器將金屬電阻一段段的短接來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電阻值的變化不連續(xù)，有級(jí)。每短接一段，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩便突變一次。啟動(dòng)電阻分級(jí)數(shù)越少，則在啟動(dòng)過(guò)程中沒(méi)次短接電阻所引起的啟動(dòng)電流沖擊幅度就大，軸上轉(zhuǎn)矩的突變也大。從啟動(dòng)電流對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械的受力考慮，啟動(dòng)電阻的分級(jí)數(shù)目不能太少，一般為58級(jí)。對(duì)容量較大的電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電阻分級(jí)要多些。對(duì)于功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用一般三相變阻器或油浸啟動(dòng)變阻器，對(duì)于功率較大的電動(dòng)機(jī)則采用小電阻。3.3 啟動(dòng)過(guò)程3.3.1 小容量電機(jī)的啟動(dòng)容量較小的三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)可采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)啟動(dòng)變阻器的方法啟動(dòng)。啟動(dòng)變阻器通過(guò)手柄接成星形。啟動(dòng)前先把

11、啟動(dòng)變阻器調(diào)到最大值，在合上電源開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小啟動(dòng)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(jī)的啟動(dòng)容量較大的繞線型異步電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)啟動(dòng)的方法以保證啟動(dòng)過(guò)程中都有較大轉(zhuǎn)矩和較小的啟動(dòng)電流。圖3-1 繞線型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的啟動(dòng)特性啟動(dòng)電阻的計(jì)算步驟如下：1） 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)要求和電動(dòng)機(jī)容量確定啟動(dòng)電阻的級(jí)數(shù)m，其中預(yù)備級(jí)數(shù)為i，加速級(jí)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(méi)有加速度限制的情況下，可考慮充分利用電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選=（0.80.9）。3）根據(jù)確定第一加速級(jí)的額定轉(zhuǎn)差率。在第一加速級(jí)上，=，s=,

12、=1,則： ， 解上式得： 設(shè)，則： 第一加速級(jí)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(dòng)電阻級(jí)數(shù)為n,各級(jí)啟動(dòng)電阻的公比為q，r和r為各級(jí)電阻）求出公比q,5）求第一加速級(jí)電阻 6）利用式 7）利用式 8）求平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在加速過(guò)程中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩始終在和之間變動(dòng)，其平均啟動(dòng)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(gè)確定的值，即為： 在第一加速級(jí)上，=1，所以。將代入上式得： 4 具體設(shè)計(jì)用一部三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)某生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行。已知該電動(dòng)機(jī)的pn=40kw,n=1435r/min, =2.6,u2n=290v，i2n=86a。起動(dòng)時(shí)的

13、負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=200nm,采用轉(zhuǎn)子電路串電阻起動(dòng)。起動(dòng)級(jí)數(shù)m=3。求各級(jí)應(yīng)串聯(lián)的起動(dòng)電阻。1）選擇起動(dòng)轉(zhuǎn)矩t1tn=60pn/2nn=(60×40×103)/(2×3.14×1435) nm =266.32 nmtm= =2.6×266.32 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

14、由于t2>1.1tl，所以所選m和合適。4）求出轉(zhuǎn)子每相繞組電阻r2=sn·u2n/(i2n)=(0.0433×290)/(1.73×86) =0.08445)求出各級(jí)總電阻 r21=r2=2.2×0.084=0.186 r22=r21=2.2×0.186=0.408 r23=r23=2.2×0.408=0.8996)求出各級(jí)起動(dòng)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.

15、4915 結(jié)論 對(duì)于繞線型異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果僅僅是為了限制起動(dòng)電流、增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則一般采用轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動(dòng)方式。但此起動(dòng)方式在頻繁起動(dòng)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(dòng)方式的共同特點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本固定不可調(diào)，起動(dòng)中都存在二次沖擊電流，對(duì)負(fù)載機(jī)械有沖擊轉(zhuǎn)矩，且受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓下降，會(huì)造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，起動(dòng)困難，且上述幾種起動(dòng)方法，在停機(jī)時(shí)都是瞬間停機(jī)，遇到負(fù)載較重時(shí)會(huì)造成劇烈的機(jī)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(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)動(dòng)前靜止不動(dòng)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對(duì)地切割磁場(chǎng)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(chǎng)中便會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)（電流的效應(yīng)電磁力）。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)導(dǎo)體總是對(duì)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(dòng)起來(lái)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的，因此也稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。又由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終低于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，所以又稱為異步電動(dòng)機(jī)。 繞線型異步電動(dòng)機(jī)可