機電傳動與控制課程設(shè)計

1、指導教師評定成績： 機電傳動與控制課程設(shè)計設(shè)計題目：直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計院 、 部： 機械工程學院 學生姓名： 劉鵬 學 號： 1310740131 班 級： 機電1301班 指導教師： 王雪芳 設(shè)計時間： 2016 年 6 月目錄1設(shè)計任務書與設(shè)計要求12異步電動機工作原理12.1旋轉(zhuǎn)磁場32.2異步電動機結(jié)構(gòu)32.3定子和轉(zhuǎn)子33電動機的起動指標43.1起動轉(zhuǎn)矩43.2起動電流44 起動過程44.1串聯(lián)起動電阻和起動54.2切除起動電阻R54.3切除起動電阻65起動級數(shù)未定時起動電阻所計算75.1選擇起動轉(zhuǎn)矩和切換轉(zhuǎn)矩75.2求出起動轉(zhuǎn)矩比和動級數(shù)M75.3重新計算，校驗,是否在規(guī)定范

2、圍內(nèi)95.4求出轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻95.5計算各級總電阻和各級啟動電阻96線路保護環(huán)節(jié)76.1短路保護76.2過載保護76.3欠壓和失壓保護97繞線式異步電動機串電阻起動的優(yōu)點118結(jié)論11參考文獻121.機電傳動與控制課程設(shè)計任務書課程 機電傳動與控制 題目 三相繞線式異步電動機串電阻起動設(shè)計 主要內(nèi)容：通常，為了使整個起動盡量保持較大的起動轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子回路接入可以逐級切除的起動變阻器，起動變阻器切換使起動轉(zhuǎn)矩保持在所設(shè)定的起動轉(zhuǎn)矩最大和最小之間。起動轉(zhuǎn)矩一般取0.85T左右。Y 161 L4三項繞線轉(zhuǎn)自異步電動機，用其拖動技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)如下：PN =15kWnN= 1460r/min. MT

3、 = 2.5U2N=380VI2N=55A.基本要求：繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串接電阻，一方面可以減小起動電流，另一方面可以增加最初起動轉(zhuǎn)矩，當串入某一合適電阻時，還能使電動機以它的最大轉(zhuǎn)矩T起動。當然，所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值之后，最初起動轉(zhuǎn)矩反而會減小。由于繞線異步電動機的轉(zhuǎn)子串連合適的電阻，不但可以減少起動電流，而且可以增大起動轉(zhuǎn)矩，因而，要求起動的轉(zhuǎn)矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用繞線型異步電動機。參考資料：1彭鴻才.電機原理及拖動M.北京：機械工業(yè)出版社，19942李嵐等.電力拖動與控制M.北京：機械工業(yè)出版社，20033唐介.控制微電機M.北京：高等教育出版社，19874楊長能.電力拖

4、動基礎(chǔ)M.重慶：重慶大學出版社，19895李發(fā)海.電機學M.北京：科學出版社，1991完成期限 2016.6.2至2016.6.12 指導教師 王雪芳 2016年 6 月 設(shè)計要求三相繞線式異步電動機的啟動空機系統(tǒng)設(shè)計，學習和掌握三相異步電動機的氣動特性，起動是指電動機從靜止狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動起來，直至最后達到穩(wěn)定運行。對于任何一臺電動機，在起動時，都有下列兩個基本的指標要求：（1） 起動轉(zhuǎn)矩要足夠大堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時電動機剛接通電源，轉(zhuǎn)自尚未轉(zhuǎn)動時的工作狀態(tài)，工作點在特性曲線上的S點。這是的轉(zhuǎn)差s=1，轉(zhuǎn)速n=0，對應的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)說明了電動機的直接起動能了。以為只有在一般要求，電動機才

5、能起動起來。大，電動機才能重載啟動；小，電動機只能輕載，甚至空載起動。所以只有是，電動機才能改變原來的靜止狀態(tài)，拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)。一般要求。越大于，起動過程所需要的時間就越短。（2）設(shè)計必須根據(jù)進度計劃按期完成；2異步電動機工作原理當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉(zhuǎn)磁動勢）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導體有相對切割運動,根據(jù)電磁感應原理,轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間轉(zhuǎn)速差的存在是異步電

6、動機轉(zhuǎn)動的必要條件，轉(zhuǎn)速差以轉(zhuǎn)差率s衡量的。在交流電機中，當定子繞組通過交流電流時，建立了電樞磁動勢，它對電機能量轉(zhuǎn)換和運行性能都有很大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動勢，該磁動勢可分解為兩個幅值相等、轉(zhuǎn)速相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢和，從而在氣隙中建立正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁場和。這兩個旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體，并分別在轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生感應電動勢和感應電流。該電流與磁場相互作用產(chǎn)生正、反電磁轉(zhuǎn)矩。正向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)：反向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個轉(zhuǎn)矩疊加起來就是推動電動機轉(zhuǎn)動的合成轉(zhuǎn)矩。不論是正轉(zhuǎn)磁場還是反轉(zhuǎn)磁場，他們的大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系和三相異步電動機的情況是一樣的。電容分相式起動工作原理：起

7、動是開關(guān)K閉合，使兩繞組電流L1，L2相位差約為，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機轉(zhuǎn)起來；轉(zhuǎn)動正常以后離心開關(guān)被甩開，起動繞組被切斷。定子鐵心槽型分為三種：半閉口型槽：電動機的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。 半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內(nèi)。開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。定子繞組的作用是電動機的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 它的構(gòu)造是由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定

8、子各槽內(nèi)。定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣） （1）對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。 （2）相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。 （3）匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。 電動機接線盒內(nèi)的接線：電動機接線盒內(nèi)都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，并規(guī)定上排三個接線樁自左至右排列的編號為1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三個接線樁自左至右排列的編號為6（W2）、4（U2）、5（V2），.將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡制造和維修時均應按這個序號排列。對稱三相繞組，通入對稱三相電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)子繞組

9、在磁場中三相交流電能轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生e和i旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）電磁轉(zhuǎn)矩機械負荷 旋轉(zhuǎn)起來磁感線切割 轉(zhuǎn)子繞組圖1 異步電動機工作原理2.1旋轉(zhuǎn)磁場設(shè)將定子三相繞組聯(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，電流從繞組的首端流入，從末端流出；反之，在負半周時，電流流向相反。定子繞組在三相交流電不同相位時合成旋轉(zhuǎn)磁場。定子三相對稱繞組中通以頻率為f的三相對稱電流便會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 由下式確定n=式中，P為電機的極對數(shù)。n又稱為同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(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)磁場的轉(zhuǎn)向隨

10、之改變。2.2異步電動機結(jié)構(gòu)Y形的電阻，或直接通過短路端環(huán)短三相異步電動機主要由靜止的和轉(zhuǎn)動的兩部分構(gòu)成，其靜止部分稱為定子。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稱繞組：三相對稱繞組每相在空間互差120°，可聯(lián)接成Y形或形。三相異步電動機轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(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：安放三相對稱繞組，其一端接在一起形成Y形，另一端引出連接三個已被接成路。2.3定子和轉(zhuǎn)子定子鐵芯：導磁和嵌放定子三相繞組

11、：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：適用于不同的電機定子繞組：電路；絕緣導線繞制線圈；由若干線圈按一定規(guī)律連接成三相對稱繞組交流電機的定子繞組稱為電樞繞組 機座：支撐和固定作用；鑄鐵或鋼板焊接轉(zhuǎn)子鐵芯：導磁和嵌放轉(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)缺點繞線型繞組：對稱三相繞組：星接；集電環(huán)優(yōu)缺點氣隙：氣隙大小的影響：中小型電機的氣隙為0.2mm2mm3電動機的起動指標起動是指電動機從靜止狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動起來，直至最后達到穩(wěn)定運行。對于任何一臺電動機，在起動時，都有下列兩個基本的要求。3.1起動

12、轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩要足夠大。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時電動機剛接通電源，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動時的工作狀態(tài)，工作點在特性曲線上的S 點。這時的轉(zhuǎn)差s=1,轉(zhuǎn)速n=0,對應的電磁轉(zhuǎn)矩T稱為起動轉(zhuǎn)矩。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)說明了電動機的直接起動能力。一般要求T>（1.11.2）T，電動機才能起動起來。大，電動機才能重載起動；小，電動機只能輕載，甚至空載起動。所以只有時，電動機才能改變原來的靜止狀態(tài)，拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)。一般要求>（1.11.2）。越大于，起動過程所需要的時間就越短。3.2起動電流對三相異步電動機來說，由于起動瞬間s=1，旋轉(zhuǎn)磁場于轉(zhuǎn)子之間的相對運動速度很大，轉(zhuǎn)子電路的感應電動勢及電流都很大，所以起動電流遠大于額定電流

13、。在電源容量與電動機的額定功率相比不是足夠大時，會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)中其他負載的工作，而且會延長電動機本身的起動時間。此外在起動過于頻繁時，還會引起電動機過熱。在這兩種情況下，就必須設(shè)法減小起動電流。4 起動過程三相繞線型異步電動機的轉(zhuǎn)子串聯(lián)合適的電阻不但可以減小起動電流，而且還可以增大起動轉(zhuǎn)矩，因而，要求起動轉(zhuǎn)矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常采用繞線型異步電動機拖動。容量較小的三相繞線型異步電動機可采用轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)起動變阻器的方法起動。起動變阻器通過手柄接成星形。起動先把起動變阻器調(diào)到最大值，再合上電源開關(guān)S，電動機開始起動。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐

14、漸減小起動變阻器的電阻，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機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中都有較大的起動的轉(zhuǎn)矩和較小的起動電流?，F(xiàn)以兩級起動為例介紹其起動步驟和起動過。原理電路和機械特性如圖1所示。圖中機械特性只畫出了每條特性的nM段，并近似用直線代替。4.1串聯(lián)起動電阻和起動起動前開關(guān)S和S斷開，使得轉(zhuǎn)子每相串入電阻R和R，加上轉(zhuǎn)子每相繞組自身的電阻R，轉(zhuǎn)子電路每相總電阻為然后合上電源開關(guān)S，這時電動機的機械特性為圖中的特性，由于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩T遠大于負載轉(zhuǎn)矩T，電動機拖動生產(chǎn)機械開始起動，工作點沿特性a由b點向c點移動。N12IFG1CTWATS1Ts2TL0SMR1

15、R 2S1S23TDP 圖2 電動機特性圖 圖3 電動機特性圖4.2切除起動電阻R當工作點到達c點，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T時，合上開關(guān)S切除起動電阻R轉(zhuǎn)子每相電路的總電阻變?yōu)椋哼@時電動機的機械特性變?yōu)樘匦詃。由于切除R的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變，故工作點由特性a上的c點平移到特性d上e點，使這時的電磁轉(zhuǎn)矩仍等于T，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性由e點向f點移動。4.3切除起動電阻當工作點到達f點，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T時，合上開關(guān)S切除起動電阻R。電動機轉(zhuǎn)子電路短接，轉(zhuǎn)子每相電路的總電阻變?yōu)椋篟=R。機械特性變?yōu)楣逃刑匦詆，工作點由f點評至h點，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等于T,電動機繼續(xù)加

16、速，工作點沿特性g由h向i移動，經(jīng)過i點，最后穩(wěn)定運行在P點.整個起動過程結(jié)束。5起動級數(shù)未定時起動電阻所計算5.1選擇起動轉(zhuǎn)矩和切換轉(zhuǎn)矩一般選擇 （5-1） （5-2）5.2求出起動轉(zhuǎn)矩比 （5-3）5.2求出起動級數(shù)m利用圖所示起動過程中的機械特性，根據(jù)集合關(guān)系推導起動級數(shù)m所計算公式如下：由特性2與水平虛線構(gòu)成的直三角形求得。 （5-4） （5-5）式中和是工作在h點和i點時的轉(zhuǎn)速，是與特性g交點在的轉(zhuǎn)速（即臨界轉(zhuǎn)速）。，和是與之對應的轉(zhuǎn)差率。同理可以求得： （5-6） （5-7）由于，對應兩式相除，可得 （5-8）由于 （5-9） （5-10） （5-11）所以 若是m級起動，則 （5

17、-12）式中 因此 （5-13） 由前面的分析還可以得到 （5-14） （5-15） 若是m級起動，則 （5-16）此外，在固有特性c上工作時 （5-17） （5-18） 將這些關(guān)系帶入公式，可得 （5-19）兩邊取對數(shù)，便得到了起動級數(shù)m的計算公式 （5-20）若m不是整數(shù)可取相近整數(shù)5.3重新計算，校驗,是否在規(guī)定范圍內(nèi)若m是取相似整數(shù)，則需要重新計算，并求出，校驗T是否在式所規(guī)定的范圍之內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大啟動級數(shù)m,重新計算和,直到滿足要求為止。5.4求出轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻 轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻可以通過實測或者通過名牌上提供的轉(zhuǎn)子繞組額定線電壓和轉(zhuǎn)子繞組的額定線電流I進行計算。由

18、于轉(zhuǎn)子繞組為星形連接，相電流等于線電流，因此，在額定狀態(tài)下運行時由于S很小，SX可以忽略不計，則 （5-21）因此求得R2的計算公式為 （5-22）5.5計算各級總電阻由前面的分析知道 （5-23）5.5求出各級起動的電阻R （5-24）具體設(shè)計如下： 選擇起動轉(zhuǎn)矩T1切換轉(zhuǎn)矩T2 （5-25） （5-26） （5-27） （5-28）取 ， （5-29）求出起切轉(zhuǎn)矩比 求出起動級數(shù)m=1.6/0.36=4.32取m=4重新計算,檢驗是否在規(guī)定范圍內(nèi)=基本在規(guī)定范圍之內(nèi)。由于,所以所選m和合適。求出轉(zhuǎn)子每相繞組電阻=計算各級總電阻求出各級起動電阻 6線路保護環(huán)節(jié) 6.1短路保護 短路時通過熔斷

19、器FU的熔體熔斷切開主電路。 6.2過載保護        通過熱繼電器FR實現(xiàn)。由于熱繼電器的熱慣性比較大，即使熱元件上流過幾倍額定電流的電流，熱繼電器也不會立即動作。因此在電動機起動時間不太長的情況下，熱繼電器經(jīng)得起電動機起動電流的沖擊而不會動作。只有在電動機長期過載下FR才動作，斷開控制電路，接觸器KM失電，切斷電動機主電路，電動機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)過載保護。 6.3欠壓和失壓保護  當電動機正在運行時，如果電源電壓由于某種原因消失，那么在電源電壓恢復時，電動機就將自行起動，這就可能造成生產(chǎn)設(shè)備的損壞，甚至造成人身事故。對電網(wǎng)

20、來說，同時有許多電動機及其他用電設(shè)備自行起動也會引起不允許的過電流及瞬間網(wǎng)絡(luò)電壓下降。為了防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫失壓保護或零壓保護。  當電動機正常運轉(zhuǎn)時，電源電壓過分地降低將引起一些電器釋放，造成控制線路不正常工作，可能產(chǎn)生事故；電源電壓過分地降低也會引起電動機轉(zhuǎn)速下降甚至停轉(zhuǎn)。因此需要在電源電壓降到一定允許值以下時將電源切斷，這就是欠電壓保護。欠壓和失壓保護是通過接觸器KM的自鎖觸點來實現(xiàn)的。在電動機正常運行中，由于某種原因使電網(wǎng)電壓消失或降低，當電壓低于接觸器線圈的釋放電壓時，接觸器釋放，自鎖觸點斷開，同時主觸點斷開，切斷電動機電源，電動機停轉(zhuǎn)。如果電源電壓恢復正

21、常，由于自鎖解除，電動機不會自行起動，避免了意外事故發(fā)生。只有操作人員再次按下SB2后，電動機才能起動?？刂凭€路具備了欠壓和失壓的保護能力以后，有如下三個方面優(yōu)點：防止電壓嚴重下降時電動機在重負載情況下的低壓運行；避免電動機同時起動而造成電壓的嚴重下降；防止電源電壓恢復時，電動機突然起動運轉(zhuǎn)，造成設(shè)備和人身事故。7繞線式異步電動機串電阻起動的優(yōu)點串聯(lián)電阻啟動是電動機硬啟動的一種，電機在啟動的那一刻，就是一個純電阻電路，霎時電流會非常的大，這種大電流的沖擊對電機和電網(wǎng)都是具有破壞性的，所以在啟動時串入一個電阻，就降低了沖擊電流，正常運轉(zhuǎn)后，再將串入得電阻切出去，以提高用電效率；另外還有幾種啟動方

22、式，像星三角啟動、降壓啟動、軟啟動等等的、目的都是相同的；串電阻起動是最簡單，最經(jīng)濟的一種方式。三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，堅固耐用，價格便宜，維修方便等一系列優(yōu)點。與同容量的直流電動機相比，異步電動機還具有體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動慣量小的特點。因此，在工礦企業(yè)中異步電動機得到了廣泛的應用。三相異步電動機的控制線路大多由接觸器、繼電器、閘刀開關(guān)、按鈕等有觸點電器組合而成。三相異步電動機分為鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機，二者的構(gòu)造不同，啟動方法也不同，其啟動控制線路差別很大。8結(jié)論三相繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串接電阻后，基本上可以減小起動電流，一方面可以增加最初起動轉(zhuǎn)矩，當串聯(lián)接入一合適電阻時，電動機啟動時能使電動機以的最大轉(zhuǎn)矩T起動。當然，所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值后，最初起動轉(zhuǎn)矩反而會慢慢減小。由于