繞線異步電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)

1、電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題 目：繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)院系：電氣工程系班級(jí)：設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào)：同組人：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2015.11.26繞線異步電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目一臺(tái)繞線式異步電動(dòng)機(jī)，丫/y接法。已知數(shù)據(jù)為：Un=380V,nN=1460 r/min , Ri =R2=0.02 QXio=X2a=0.06 QKi= Ke=2, xm = 3.6Q。試求：設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、若要求啟動(dòng)電流是lst=2.5lN，求最大的串聯(lián)電阻并設(shè)計(jì)其起動(dòng)級(jí)數(shù)并計(jì)算每級(jí)的電 阻值。2、 最大允許的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=1.8Tn ,起動(dòng)切換轉(zhuǎn)矩T2=Tn,試設(shè)計(jì)其起動(dòng)級(jí)數(shù)并設(shè)計(jì)其

2、起動(dòng)級(jí)數(shù)并計(jì)算每級(jí)的電阻值。3、用SIMULK設(shè)計(jì)串電抗器直接啟動(dòng)仿真模型，測(cè)出定/轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變 化過程。第1章異步電動(dòng)機(jī)工作原理當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)， 三相定子繞組流過三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。 根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在 磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便 向外輸出機(jī)械能。轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間轉(zhuǎn)速差的存在是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的必要條件，轉(zhuǎn)速 差以轉(zhuǎn)差率s衡量的S二刪 X100%1.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)設(shè)將定

3、子三相繞組聯(lián)成星形接法， 三相繞組的首端u1、v1、w1分別與三相交流電的相 線a、b、c相連接。為了討論方便，選定交流電在正半周時(shí)，電流從繞組的首端流入，從 末端流出；反之，在負(fù)半周時(shí)，電流流向相反。定子繞組在三相交流電不同相位時(shí)合成旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子三相對(duì)稱繞組中通以頻率為 f1的三相對(duì)稱電流便會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速由下式確定60 f1n1=-式中，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。no又稱為同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向由三相電流通入三相繞組的相序決定。改變電流相序，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向隨之改變。1.2異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Y形的電阻，或直接通過短路端環(huán)短三相異步電動(dòng)機(jī)主要由靜止的和轉(zhuǎn)動(dòng)的兩部分構(gòu) 成，其靜止部分稱為定

4、子。定子是用硅鋼片疊成的圓筒形鐵心，其內(nèi)圓周有槽用來安放三 相對(duì)稱繞組：三相對(duì)稱繞組每相在空間互差 120°,可聯(lián)接成丫形或形。三相異步電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，是用硅鋼片疊成的圓柱形鐵心，與定子鐵心共同形成磁路。轉(zhuǎn)子 外圓周有槽用以安放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和線繞式兩種。鼠籠式：將銅條扦入槽 內(nèi)，兩端用銅環(huán)短接，或直接用熔鋁澆鑄成短路繞組。線繞式：安放三相對(duì)稱繞組，其一 端接在一起形成丫形，另一端引出連接三個(gè)已被接成路。1.3定子定子鐵芯：導(dǎo)磁和嵌放定子三相繞組：0.5mm硅鋼片沖制涂漆疊壓而成；內(nèi)圓均勻開 槽；槽形有半閉口；半開口和開口槽三種：適用于不同的電機(jī)定子繞組：電路

5、；絕緣導(dǎo)線繞制線圈；由若干線圈按一定規(guī)律連接成三相對(duì)稱繞組交流電機(jī)的定子繞組稱為電樞繞組機(jī)座：支撐和固定作用；鑄鐵或鋼板焊接圖1定子模型1.4轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵芯：導(dǎo)磁和嵌放轉(zhuǎn)子繞組；0.5mm硅鋼片；外圓開槽轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線型兩種籠型繞組：電路；鑄鋁或銅條優(yōu)缺點(diǎn)繞線型繞組：對(duì)稱三相繞組：星接；集電環(huán)優(yōu)缺點(diǎn)氣隙：氣隙大小的影響：中小型電機(jī)的氣隙為0.2m m2mm第2章電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)指標(biāo)起動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來，直至最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，都有下列兩個(gè)基本的要求。2.1起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要足夠大。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)剛接通電源，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)，工作點(diǎn)在特性

6、曲線上的S點(diǎn)。這時(shí)的轉(zhuǎn)差s=1,轉(zhuǎn)速n=0,對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩丁或稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)說明了電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)能力。因?yàn)橹挥性赥st>T_<般要求Tst> （1.11.2）Tl，電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)起來。Tst大，電動(dòng)機(jī)才能重載起動(dòng)；Tst小，電動(dòng)機(jī)只能輕載，甚至空 載起動(dòng)。所以只有Tst三Tl時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能改變?cè)瓉淼撵o止?fàn)顟B(tài)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。一般 要求Tst> （1.11.2） Tl。Tst越大于Tl，起動(dòng)過程所需要的時(shí)間就越短。2.2起動(dòng)電流對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)來說，由于起動(dòng)瞬間s=1,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)于轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很大，轉(zhuǎn)子電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流都很大，所以起動(dòng)電流遠(yuǎn)大于額

7、定電流。在電源容量與電動(dòng) 機(jī)的額定功率相比不是足夠大時(shí)，會(huì)引起輸電線路上電壓的增加，造成供電電壓的明顯下 降，不僅影響了同一供電系統(tǒng)中其他負(fù)載的工作，而且會(huì)延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)本身的起動(dòng)時(shí)間。此 外在起動(dòng)過于頻繁時(shí)，還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)過熱。在這兩種情況下，就必須設(shè)法減小起動(dòng)電流。第3章起動(dòng)過程（以二級(jí)起動(dòng)為例）繞線型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串聯(lián)合適的電阻不但可以減小起動(dòng)電流，而且還可以增大起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而，要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大或起動(dòng)頻繁的生產(chǎn)機(jī)械常采用繞線型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。容量較小的三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)可采用轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)起動(dòng)變阻器的方法起動(dòng)。起動(dòng) 變阻器通過手柄接成星形。起動(dòng)先把起動(dòng)變阻器調(diào)到最大值，再合上電源開關(guān)s，電

8、動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動(dòng)變阻器的電阻，直到全部切除，使轉(zhuǎn)子繞組短 接。容量較大的繞線型異步電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)起動(dòng)的方法以保證起動(dòng)過程中都有較大的 起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和較小的起動(dòng)電流?，F(xiàn)以兩級(jí)起動(dòng)為例介紹其起動(dòng)步驟和起動(dòng)過。原理電路和 機(jī)械特性如圖1所示。圖中機(jī)械特性只畫出了每條特性的 n1M段，并近似用直線代替。起 動(dòng)步驟如下：3.1串聯(lián)起動(dòng)電阻Rsti和Rst2起動(dòng)起動(dòng)前開關(guān)Si和S2斷開，使得轉(zhuǎn)子每相串入電阻 Rsti和Rst2，加上轉(zhuǎn)子每相繞組自身的電阻R2，轉(zhuǎn)子電路每相總電阻為R22R2RstiRst2然后合上電源開關(guān) S，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為圖中的特性，由于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Ts

9、t遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械開始起動(dòng)，工作點(diǎn)沿特性 A由B點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)5152IHFCD0TlTs2TT wT(b)機(jī)械特性圖3(a)電路圖3.2切除起動(dòng)電阻R st2當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩TS2時(shí)，合上開關(guān)S切除起動(dòng)電阻Rst2 轉(zhuǎn)子每相電路的總電阻變?yōu)椋篟21 R2 Rsti這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)樘匦?D。由于切除Rt2的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變，故工作點(diǎn) 由特性A上的C點(diǎn)平移到特性D上E點(diǎn)，使這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩仍等于Ts!，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速， 工作點(diǎn)沿特性由E點(diǎn)向F點(diǎn)移動(dòng)。3.3切除起動(dòng)電阻Rsti當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)F點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩Ts2時(shí)，合上開關(guān)Si切

10、除起動(dòng)電阻Rsti。 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路短接，轉(zhuǎn)子每相電路的總電阻變?yōu)椋?amp;o = R2機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦?G，工作點(diǎn)由F點(diǎn)評(píng)至H點(diǎn)，使得這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等 于Tsi,電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿特性 G由H向I移動(dòng)，經(jīng)過I點(diǎn)，最后穩(wěn)定運(yùn)行在P點(diǎn). 整個(gè)起動(dòng)過程結(jié)束。第4章起動(dòng)級(jí)數(shù)未定時(shí)起動(dòng)電阻所計(jì)算4.1選擇起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst和切換轉(zhuǎn)矩Ts2一般選擇Ts1 =(0.8-0.9)tm(4-1)Ts2 =(1.1-1.2)Tl(4-2)求出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比BB =Ts1 / Ts2(4-3)4.2起動(dòng)級(jí)數(shù)m利用圖所示起動(dòng)過程中的機(jī)械特性，根據(jù)集合關(guān)系推導(dǎo)起動(dòng)級(jí)數(shù)m所計(jì)算公式如下：由特性 2與水平虛線

11、構(gòu)成的直三角形求得。Ts1 / Ts2( n1叫)/ ( RnMg )Sh / SMg(4-4)(ni nj/mn Mg)sSMg(4-5)式中nh和ni是工作在H點(diǎn)和I點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速,nMg是Tm與特性G交點(diǎn)在的轉(zhuǎn)速（即臨界轉(zhuǎn)速）。Sh， S和SMg是與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率。同理可以求得:Ts1 / TM民 / SMaSe /% / MgTS2 汀MSc / MaSf SMg由于Se Sc，對(duì)應(yīng)兩式相除，可得Tsi / Ts2SMa / SMd(R22/X2)/(R2l/X2)（4-6）Si； %（ 4-7）由于Sh Sfr21 / X2 / r20 / X2 / r2 / x2r21 / r20R2

12、2R21R21R20所以R222 R20R21井曰 若是m級(jí)起動(dòng)，則R2mmRm R20 20式中R2mR2Rst1Rst2RstmTs1 /Ts2SMd / SMg因此mR2由前面的分析還可以得到Sh/ SMg(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)Sc1SbSMa若是m級(jí)起動(dòng)，則(4-15)(4-16)Tsi /tnSg / SN(4-17)SgTiTN(4-18)將這些關(guān)系帶入公式，可得(4-19)SgR2 / R2m此外，在固有特性 C上工作時(shí)兩邊取對(duì)數(shù)，便得到了起動(dòng)級(jí)數(shù)m的計(jì)算公式©占(4-20)SnTig若m不是整數(shù)可取相近整數(shù)重新

13、計(jì)算B,校驗(yàn)T2,是否在規(guī)定范圍內(nèi)若m是取相似整數(shù)，則需要重新計(jì)算B,并求出Ts2，校驗(yàn)Ts2是否在式所規(guī)定的范圍之內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大啟動(dòng)級(jí)數(shù)m,重新計(jì)算B和Ts2 ,直到Ts2滿足要求為止2）各級(jí)總電阻由前面的分析知道R 20 =R 2R 21 =22R2m仆23）各級(jí)起動(dòng)的電阻R st1 =R 21 -R2Rst2 = R22 -R 21R stm =R 2m-R 2(m 1)第5章電機(jī)具體設(shè)計(jì)1、若要求啟動(dòng)電流是lst=2.5IN，求最大的串聯(lián)電阻并設(shè)計(jì)其起動(dòng)級(jí)數(shù)并計(jì)算每級(jí)的電阻 值。2、最大允許的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=1.8TN，起動(dòng)切換轉(zhuǎn)矩T2=TN，試設(shè)計(jì)其起R2-R0020.0

14、05KiKe 3 3 2(380 .'3)2 0.247 50 (0.02 0.247)2 (0.06 0.06)2在 T (0.8 : 0.9)Temax (2596 : 2920)N m 范圍內(nèi)T2 (1.1: 1.2)Tn (1263: 1378)N m 2動(dòng)級(jí)數(shù)并設(shè)計(jì)其起動(dòng)級(jí)數(shù)并計(jì)算每級(jí)的電阻值。由 nN=1460 r/min 得 sNn° 氐n°1500 146015000.027由 R2 = R2=0.02 Q X1fX2；=0.06 莒 Ki= Ke=2，得 R2Temax2mpU12 f1 2(R1.(X1X2 )2)3 2(380 . 3)2250

15、 2(0.020.022 (0.06 0.06)2)3245N mTn2 'm, p5 R2 /sn2 kr r2/sn)2 化xm3 2(380 .3)2 0.02/0.027250(0.02 0.02/0.027)2 (0.06 0.06)21148.06N m750Als U1J(R1 R2m)(X1X2 )380 .3.(0.02 R2m)2 (0.06 0.06)2E P 52£2 f1 (R1R2m)2(X1X2 )22650N m T1求得R2m 0.247 ，則取T2 1300N m，貝U丁2 2650/1300 2.04。lg,1148.06lg0.027

16、26503.89，取 m=4Ig2.04(2 )重新計(jì)算，檢驗(yàn)T2是否在規(guī)定范圍內(nèi)圭 00 2.00T2 T.2650/2.001325N m，在規(guī)定范圍內(nèi)，合理(3)各級(jí)總電阻R21= BR=0.01 QR22= B 2R=0.02QR23= b 3R=0.04QR24= BR2=0.08Q(4)各級(jí)起動(dòng)電阻Rst1=R21-R2=0.005 QRst2=R22-R21=0.01 QRst3=R23-R22=0.02 QRst3=R23-R22=0.04 Q4.(1)已知起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=1.8Tn，起動(dòng)切換轉(zhuǎn)矩 T2=Tn，則3=T1/T2 =1.8mlg10.027 1.8lg1.85.14

17、取m=6(2 )重新計(jì)算，檢驗(yàn)t2是否在規(guī)定范圍內(nèi)T2 T1/1.8/1.66=1.08Tn 在規(guī)定范圍內(nèi)(3)求出各級(jí)總電阻R21= BR=0.0083QR22=2R2=0.0134QR23=3R2=0.023QR24=4R22=0.038QR25=55R22=0.063QR26=6R22=0.105Q(4)求出各級(jí)起動(dòng)電阻Rsti=R2i-R2=0.0033 QRst2=R22-R2 仁0.0051 QRst3=R23-R22=0.0096 QRst4=R24-R23=0.01 5 QRst5=R25-R24=0.025 QRst6=R26-R25=0.042 Q第6章串電抗器直接啟動(dòng)SI

18、MULK仿真1、用SIMULK設(shè)計(jì)串電抗器直接啟動(dòng)仿真模型，測(cè)出定/轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化過 程。AC Vnltacp Sduhee9 Hsratel RLCAC U?ltaQSixrc02PaallFl RLC QrandhSAC 憂iltayg 倉(cāng) ou如CMrlNLCOruncbl匚丄亠社AncTtfonous Macme9 Unrtii-o'tirLiojspnwr-guil>>”Renoir ciiinreft： ir_* 事4< Eld l£.f DUTT中 Tt lh_ H. W-Roloi- spcd (gl Ar,cplactnncigtnoLie T& ；>S«p*l圖4仿真模型<Rotor ciwrent ir_a (AJ>圖5仿真波形結(jié)論繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，一方面可以減小起動(dòng)電流，另一方面可以增加最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)串入某一合適電阻時(shí)，還能使電動(dòng)機(jī)以它的最大轉(zhuǎn)矩 T起動(dòng)。當(dāng)然, 所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值后，最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩反而會(huì)減小。由于繞線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串 聯(lián)合適的電阻，不但可以減少起動(dòng)電流，而且可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而，要求起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩 大或起動(dòng)頻繁的生產(chǎn)機(jī)械常用繞線型異步電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子回路串三相對(duì)稱可變電阻起動(dòng)，這種方法既可限制起動(dòng)電