三相異步電動機星三角啟動論文

1、目錄第一章 緒論.2第二章 三相異步電機工作原理及特性.22.1 三相異步電機的基本結(jié)構(gòu).22.2 三相異步電機的工作原理.32.3 三相異步電動機工作特性.4第三章 三相異步電機啟動出現(xiàn)的問題.63.1 三相異步電動機啟動時的要求 .63.2 三相異步電動機啟動時產(chǎn)生的問題 .73.3工業(yè)生產(chǎn)機械不同的起動條 .8第四章 三相異步電機的典型啟動方式.84.1.直接啟動 .84.2軟啟動 .94.3降壓啟動 .10結(jié)論.15致謝.16參考文獻.171、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，

2、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

3、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(dǎo)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。2 、三相異步電機運行原理及特性2.1三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)三相異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是靜止不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的部分，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，叫空氣隙。定子由鐵心、繞組和機座三部分組成。定子鐵心是電機磁路的一部分，它由0.5mm的

4、硅鋼片疊壓而成，片與片自間是絕緣的，以減少渦流損耗。硅鋼片的內(nèi)圈沖有定子槽，槽中安放繞組，鐵心被疊壓后成為一整體，固定于機座上。定子繞組是電機的電路部分，由許多線圈連接而成，每個線圈有兩個有效邊，分放在兩個槽里。三相對稱繞組AX,BY,CZ可連接成三角形或星形。機座主要用于固定和支撐鐵心定子。轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心壓裝在轉(zhuǎn)軸上，由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子鐵心也是電機磁路的一部分。異步電機轉(zhuǎn)子繞組多采用鼠籠式，它是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊接在兩個銅端環(huán)上組成，小型鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組多用鋁離心澆注而成。異步電機的繞組除了鼠籠式還有線繞式。線繞式轉(zhuǎn)子繞與定子繞組一樣，轉(zhuǎn)子繞組一般是

5、連接成星形的三相繞組轉(zhuǎn)子繞組組成的磁極數(shù)與定子相同，線繞式轉(zhuǎn)子通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻，用以改善啟動性能和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。鼠籠式和線繞式電動機轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但其工作原理是相同的。2.2三相異步電機的工作原理 直流電動機是通過一靜止的磁場與通入電樞繞組中的電流相互作用而產(chǎn)生一恒定方向上的電磁轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)動。而異步電機是通過一旋轉(zhuǎn)的磁場與感應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所產(chǎn)生的電流相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。圖1三相異步電動機的工作原理 上圖是三項異步電動機的工作原理圖，定子上裝有對稱三相繞組，在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用銅環(huán)把他們連接成一個整體。當定子接通三項電

6、源后，即在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了一同步速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場。磁場旋轉(zhuǎn)時將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其方向可由右手定則確定。磁場順時針方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體相對磁體為逆時針方向切割磁力線。轉(zhuǎn)子上半邊導(dǎo)體感應(yīng)電勢的方向為出來的，用表示；下半邊導(dǎo)體感應(yīng)電勢的方向為進去的，用表示。因轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，導(dǎo)體中有電流，其方向與電勢相同。載流導(dǎo)體在磁場中再受到磁力作用 ，其方向由左手定則確定，如圖（1）。這樣，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上形成一個順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。于是 轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場順時針方向轉(zhuǎn)動。 綜上，三項異步電動機能夠轉(zhuǎn)動的必備條件：一是電動機的定子必須產(chǎn)生一個在空間不斷旋轉(zhuǎn)

7、的旋轉(zhuǎn)磁場，二是電動機的轉(zhuǎn)子必須是閉合導(dǎo)體。2.3三相異步電動機工作特性三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T是由載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用而產(chǎn)生的，它使電動機旋轉(zhuǎn)，TCSR2UI2/(f1 R22+f1S2X202)。u1定子繞組線電壓有效值，單位伏特（v）；f1定子電源頻率，單位是赫茲(Hz)；s電動機的轉(zhuǎn)差率；R2轉(zhuǎn)子繞組一相電阻，單位是歐姆()；X20轉(zhuǎn)子不動時一相感抗，單位是歐姆()；C與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。為了分析方便，將異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T代替電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T2 。由于電動機的轉(zhuǎn)子參數(shù)R2及X20是一定的，電源頻率f1也是一定的，故當電源電壓U1一定時，上式即

8、表明異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T只與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，因此可用函數(shù)式T 表示，稱為異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性，畫出其圖象則稱為轉(zhuǎn)矩特性曲。如下圖所示： 圖2異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線異步電動機的機械特性1)電動機的額定轉(zhuǎn)矩的實用計算式 旋轉(zhuǎn)機械的機械功率等于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動角速度的乘積,對于電動機而言,就有P2=T2。 當電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T2用牛·米(N·m)作單位，旋轉(zhuǎn)角速度用弧度/秒(rad/s)作單位時，輸出功率P2的單位是瓦特。 在電動機中計算轉(zhuǎn)矩時輸出功率P2的單位是千瓦(kW)，轉(zhuǎn)速n的單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，可以將計算公式簡化，在額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩公式為:Tn=9550Pn/Nn。圖

9、3異步電動機的機械特性曲線電動機在旋轉(zhuǎn)時，作用在軸上的有兩種轉(zhuǎn)矩，一種是電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T，一種是生產(chǎn)機械作用在軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL（其它如摩擦轉(zhuǎn)矩忽略不計），當T=TL時，電動機便以某種相應(yīng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行；當TTL時，電動機則提高轉(zhuǎn)速；當TTL時，電動機將降低轉(zhuǎn)速。2） 異步電動機的機械特性參數(shù)（1）額定轉(zhuǎn)矩 ：額定轉(zhuǎn)矩T是指電動機在額定狀態(tài)下工作時，軸上輸出的最大允許轉(zhuǎn)矩。電動機的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)電動機銘牌的額定功率和額定轉(zhuǎn)速用公式來求得。（2）最大轉(zhuǎn)矩與過載系數(shù) 電動機的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)矩Tm，而且不許太接近Tm，否則，電動機略一過載，電動機便停轉(zhuǎn)，因此，一般電動機的額定轉(zhuǎn)矩較最大轉(zhuǎn)矩

10、小得多。把最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱作過載系數(shù)，它是表示電動機過載能力的一個參數(shù)。（3）起動轉(zhuǎn)矩與起動能力 電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst是指電動機剛起動瞬間(n=0，s=1)的轉(zhuǎn)矩。起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比可表示起動能力，用起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)來表示，是標明異步電動機起動性能的重要指標。 空載或輕載起動的電動機，起動能力為11.8，一般的電動機起動能力為1.52.4，在重負荷下起動的電動機，要求有大的起動轉(zhuǎn)矩，故起動能力可達2.63。3 三相異步電機啟動出現(xiàn)的問題3.1.異步電動機啟動時的要求1）電動機有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。 2）一定大小啟動轉(zhuǎn)矩前提下，啟動電流越小越好。 3）啟動所需設(shè)備簡單，操作方便。 4）

11、啟動過程中功率損耗越小越好。3.2三相異步電動機啟動問題電動機的起動特性中最主要的是它的起動力矩。設(shè)起動力矩為，為了機組能轉(zhuǎn)動起來，必須大于拖動機械在n=0時的靜負載力矩加上靜摩擦阻力。圖4電動機負載特性曲線圖4曲線1表示異步機的MS曲線，曲線2和3表示（如圖4）兩種不同的負載特性曲線，為了能轉(zhuǎn)動起來，必須要求a點在b點或c點的上面，否則機組將轉(zhuǎn)動不起來。根據(jù)力矩平衡關(guān)系可以得出，為了保證能順利加速到額定轉(zhuǎn)速，在整個起動過程忠，必須保持正的加速度，也就要求電動機的電磁力矩M在整個起動過程中大于負載的制動力矩。在相同的慣量下，力矩的差額越大，加速越快。慣量大得機械，起動就較慢。對于重復(fù)起動的生產(chǎn)

12、機械來說，加速過程的時間長短對勞動生產(chǎn)率的影響是很大的。 電動機起動特性的另一個問題是起動電流，在起動時電流的大小可以用等值電路來求得。異步機在額定電壓下的起動電流常大于額定電流好幾倍。起動電流太大的影響是：一方面將影響電源的電壓，太大的起動電流將產(chǎn)生較大的線路壓降，使得電源電壓在起動時下降，特別當電源容量較小時電壓降更多，可能影響電源上其它電機的運行。另一個方面，大的起動電流將在線路及電機中產(chǎn)生損耗引起發(fā)熱，特別是當加速力矩較小，機組的慣量J較大，起動很慢的情況下，損耗將很多而發(fā)熱也更嚴重。由上面可以看出，對電動機起動的要求是不同的，須看負載的特性，電網(wǎng)的情況等因素而定。有時要求有大的起動力

13、矩，有時要求限制起動電流的大小，有時兩個要求須同時滿足?？偟膩碚f，要考慮下列各問題： 1.應(yīng)該有足夠大的起動力矩，適當?shù)臋C械特性曲線；2.盡可能小的起動電流；3.起動的操作應(yīng)該很方便；所用的起動設(shè)備應(yīng)該盡可能簡單、經(jīng)濟；起動過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。3.3工業(yè)生產(chǎn)機械不同的起動條件用電動機拖動的生產(chǎn)機械有不同的起動條件，有些機械在起動時負載力矩很小，隨著速度的增大力矩漸增大到額定值，這些負載的例子如鼓風機，它的負載力矩差不多和轉(zhuǎn)速的平方成正比，起動時只需克服一些靜摩擦力矩。有些機械在起動時負載力矩就和額定轉(zhuǎn)速時一樣大，這類的例子象卷揚機等起重設(shè)備。有些機械則在起動過程中負載較輕，等速度高起

14、來以后再加上負載，例如機床等。此外，起動的頻繁程度也是需要考慮的因素。有些機械起動次數(shù)少，有些則不斷地停而又再起動。這一切因素都將電動機起動性能提出不同的要求。4 三相異步電機的典型啟動方式4.1.直接啟動直接啟動就是用閘刀開關(guān)或接觸器把電機直接接到具有額定電壓的電源上。在變壓器容量允許的情況下，鼠籠式異步電動機應(yīng)該盡可能采用全電壓直接起動，既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。電動機單向起動控制線路常用于只需要單方向運轉(zhuǎn)的小功率電動機的控制。例如小型通風機、水泵以及皮帶運輸機等機械設(shè)備。圖5是電動機單向起動控制線路的電氣原理圖。這是一種最常用、最簡單的控制線路，能實現(xiàn)對電動

15、機的起動、停止的自動控制、遠距離控制、頻繁操作等。圖5 電動機單向起動控制線路的電氣原理圖直接啟動方法主要受電網(wǎng)配電變壓器的容量限制，過大啟動電流可能會使電壓下降，影響在同一電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運行。一般異步電機的功率小于7.5千瓦時允許直接啟動，對于更大容量的電機能否使用要視配電變壓器的容量和各地電網(wǎng)部門而定。4.2軟啟動以上幾種降壓啟動的方法是有級啟動，啟動的平滑性不高，應(yīng)用一些自動控制線路組成的軟啟動器可以實現(xiàn)鼠籠式異步電機的無級平滑運動，這種方法稱為軟啟動。軟啟動分為磁控式和電子式兩種。磁控式故障率高，已被電子式取代。啟動過程電機所加的電壓不是一個固定值，軟啟動裝置輸出電壓安指定要求上

16、升，被控電機電壓由零安指定斜率上升至全電壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)由零上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速。軟啟動能保證電機在不同負載下平滑啟動，減少電機啟動對電網(wǎng)沖擊，又降低對自身承受的較大結(jié)構(gòu)沖擊力。軟啟動可以設(shè)定起始電壓、 上升方式、啟動電流倍數(shù)等參數(shù)，以適用重載、輕載啟動不同情況。4.3降壓啟動鼠籠式異步電動機采用全壓直接起動時，控制線路簡單，維修工作量較少。但是，并不是所有異步電動機在任何情況下都可以采用全壓起動。這是因為異步電動機的全壓起動電流一般可達額定電流的4-7倍。過大的起動電流會降低電動機壽命，致使變壓器二次電壓大幅度下降，減少電動機本身的起動轉(zhuǎn)矩，甚至使電動機根本無法起動，還要影響同一供電網(wǎng)路中其它設(shè)備的正

17、常工作。如何判斷一臺電動機能否全壓起動呢？一般規(guī)定，電動機容量在10kW以下者，可直接起動。10kW以上的異步電動機是否允許直接起動，要根據(jù)電動機容量和電源變壓器容量的比值來確定。對于給定容量的電動機，一般用下面的經(jīng)驗公式來估計：Iq/Ie（3/4+電源變壓器容量）/（4×電動機容量），式中 Iq電動機全電壓起動電流；Ie電動機額定電流。若計算結(jié)果滿足上述經(jīng)驗公式，一般可以全壓起動，否則不予全壓起動,應(yīng)考慮采用降壓起動。有時，為了限制和減少起動轉(zhuǎn)矩對機械設(shè)備的沖擊作用，允許全壓起動的電動機，也多采用降壓起動方式。鼠籠式異步電動機降壓起動的方法有以下幾種：定子電路串電阻（或電抗）降壓起

18、動、自耦變壓器降壓起動、Y-降壓起動、-降壓起動等.使用這些方法都是為了限制起動電流,(一般降低電壓后的起動電流為電動機額定電流的2-3倍)，減小供電干線的電壓降落，保障各個用戶的電氣設(shè)備正常運行。串電阻（或電抗）降壓起動控制線路 在電動機起動過程中，常在三相定子電路中串接電阻（或電抗）來降低定子繞組上的電壓，使電動機在降低了的電壓下起動，以達到限制起動電流的目的。一旦電動機轉(zhuǎn)速接近額定值時，切除串聯(lián)電阻（或電抗），使電動機進入全電壓正常運行。這種線路的設(shè)計思想，通常都是采用時間原則按時切除起動時串入的電阻（或電抗）以完成起動過程。在具體線路中可采用人工手動控制或時間繼電器自動控制來加以實現(xiàn)。

19、圖6定子串電阻降壓起動控制線路圖6是定子串電阻降壓起動控制線路。電動機起動時在三相定子電路中串接電阻，使電動機定子繞組電壓降低，起動后再將電阻短路，電動機仍然在正常電壓下運行。這種起動方式由于不受電動機接線形式的限制，設(shè)備簡單，因而在中小型機床中也有應(yīng)用。機床中也常用這種串接電阻的方法限制點動調(diào)整時的起動電流。圖6（A）控制線路的工作過程如下：按SB2，KM1得電（電動機串電阻啟動），KT 得電 ，KM2得電（短接電阻，電動機正常運行），按SB1，KM2斷電，其主觸點斷開，電動機停車。 只要KM2得電就能使電動機正常運行。但線路圖(A)在電動機起動后KM1與KT一直得電動作，這是不必要的。線路

20、圖(B)就解決了這個問題，接觸器KM2得電后，其動斷觸點將KM1及KT斷電，KM2自鎖。這樣，在電動機起動后，只要KM2得電，電動機便能正常運行。 串電阻起動的優(yōu)點是控制線路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，動作可靠，提高了功率因數(shù)，有利于保證電網(wǎng)質(zhì)量。但是，由于定子串電阻降壓起動，起動電流隨定子電壓成正比下降，而起動轉(zhuǎn)矩則按電壓下降比例的平方倍下降。同時，每次起動都要消耗大量的電能。因此，三相鼠籠式異步電動機采用電阻降壓的起動方法，僅適用于要求起動平穩(wěn)的中小容量電動機以及起動不頻繁的場合。大容量電動機多采用串電抗降壓起動。串自耦變壓器降壓起動控制線路在自耦變壓器降壓起動的控制線路中，限制電動機起動電流是依靠

21、自耦變壓器的降壓作用來實現(xiàn)的。自耦變壓器的初級和電源相接，自耦變壓器的次級與電動機相聯(lián)。自耦變壓器的次級一般有3個抽頭，可得到3種數(shù)值不等的電壓。使用時，可根據(jù)起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的要求靈活選擇。電動機起動時，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓，一旦起動完畢，自耦變壓器便被切除，電動機直接接至電源，即得到自耦變壓器的一次電壓，電動機進入全電壓運行。通常稱這種自耦變壓器為起動補償器。這一線路的設(shè)計思想和串電阻起動線路基本相同，都是按時間原則來完成電動機起動過程的。圖7定子串自耦變壓器降壓起動控制線路在自耦變壓器降壓起動過程中，起動電流與起動轉(zhuǎn)矩的比值按變比平方倍降低。在獲得同樣起動轉(zhuǎn)矩的情況

22、下，采用自耦變壓器降壓起動從電網(wǎng)獲取的電流，比采用電阻降壓起動要小得多，對電網(wǎng)電流沖擊小，功率損耗小。所以自耦變壓器被稱之為起動補償器。換句話說，若從電網(wǎng)取得同樣大小的起動電流，采用自耦變壓器降壓起動會產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩。這種起動方法常用于容量較大、正常運行為星形接法的電動機。其缺點是自耦變壓器價格較貴，相對電阻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且是按照非連續(xù)工作制設(shè)計制造的，故不允許頻繁操作。 Y降壓起動控制線路線路設(shè)計思想：Y降壓起動也稱為星形三角形降壓起動，簡稱星三角降壓起動。這一線路的設(shè)計思想仍是按時間原則控制起動過程。所不同的是，在起動時將電動機定子繞組接成星形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓2

23、20V，減小了起動電流對電網(wǎng)的影響。而在其起動后期則按預(yù)先整定的時間換接成三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源的線電壓380V，電動機進入正常運行。凡是正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動機，均可采用這種線路。定子繞組接成Y降壓起動的自動控制線路如圖8所示。圖8 Y降壓起動控制線路圖中，可以看到主電路中有三組主觸點，其中接觸器KM2和KM3主觸點一定不能同時閉合，意味著電源將被短路。所以，控制線路的設(shè)計必須保證一個接觸器吸和時，另一個接觸器不能吸和，這就叫做互鎖。也就是說KM2和KM3兩個接觸器需要互鎖。通常的方法是在控制線路中解除其KM2與KM3線圈的支路里分別串聯(lián)對方的一個動斷輔助觸電。這樣，每個接觸器線圈能否被接通，將取決于另一個接觸器是否處于釋放狀態(tài)，如解除其KM2已接通，它的動斷輔助觸點八KM3線圈的電路斷開，從而保證KM2和KM3兩個接觸器不會同時吸合。這一對動斷觸點叫做互鎖觸點。Y-降壓起動控制線路的工作原理如下：合上電源開關(guān)QS，按下起動按鈕SB2，這時，接觸器KM1、KM2時間繼電器KT線圈通電，解除其KM1主觸點和自鎖觸點閉合