机电一体化毕业设计（论文）-三相异步电动机的减压启动.doc

佳木斯职业学院机电工程系编号：_佳木斯职业学院毕业论文（设计）题目三相异步电动机的减压启动系 别 机电工程系 专 业 机电一体化 学生姓名 成 绩 指导教师 2010年9月17三相异步电动机的减压启动摘要：三相异步电机的起动却不象直流电动机那样，其起动性能却存在着起动电流很大而起动转矩不大两方面的问题，这恰恰不能满足生产机械对异步电动机起动性能的要求起动转矩要大，以保证生产机械的正常起动。缩小起动时间；起动电流要小。以减小对电网的冲击。而三相异步电动机的制动是三相异步电动机的起动的逆过程。异步电动机的制动就是使电动机的转矩 t与转速 n反向，即t起反抗运动的作用。使电动机转速由某一稳定转速迅速降为零的过程或者使电动机产生的转矩与负载转矩相平衡，从而使电动机的下降转速保持恒定。关键词：三相异步电动机 减压启动 旋转磁场 y系列 estar 03软起动器目 录前言1一、y系列三相异步电动机的优点 2 1.1 y系列（ip23）三相异步电动机的特点2 1.2 y系列（ip44）三相异步电动机的特点3 1.2.1 效率水平较高3 1.2.2 起动性能较好3 1.2.3 噪声低振动小3 1.2.4 防护性能较好4 1.2.5 运行可靠使用寿命长4 1.2.6 外形美观大方4二、estar 03软起动器的开发和应用4 2.1 自耦降压起动4 2.2 电子式软起动器市场分析5 2.3 产品简介 6 2.3.1 原理6 主回路6 控制和保护电路6 人机界面单元6 2.3.2 功能介绍6 2.3.3 应用7三、三相鼠笼型异步电动机的减压启动7 3.1 星三角减压启动7 3.2 定子串电阻减压启动8 3.3 自耦减压启动8 3.4 软启动器和变频器8 3.4.1 定子绕组串电阻减压启动9 3.4.2 y-减压启动9 3.4.3 自耦变压器减压启动9结论11致谢15诚信声明16前言：作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。 下面介绍一下三相异步电动机原理： 当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。 通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 我将从三个方面阐述三相异步电动机的减压启动：一、 三相异步电动机的优点 作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。 y系列三相异步电动机不仅满足了国民经济各部门的配套需要，而且还提高了国内外同类产品的互换性，极大地方便了引进设备的配套和维修。y系列三相异步电动机根据其外壳的防护等级不同，又可分为ip23（防护式）和ip44（封闭式）两个基本系列，现将这两个系列异步电动机的特点简介如下。 1.1 y系列（ip23）三相异步电动机的特点 y系列（ip23）为三相防护式笼型异步电动机，其防护结构型式不同于y系列ip44的封闭式结构，但却比一般防滴式结构要优越。它能防止手指触及机壳内带电导体或转动部分；防止直径大于12毫米的小形固体异物进入；并防止沿垂直线成60度角或小于60度角的淋水滴入电动机。因此，y系列（ip23）三相异步电动机的外壳防护等级较j2老系列有明显的提高，从而使其的运行更安全更可靠。该系列三相异步电动机的额定电压为380伏，额定频率为50赫兹，功率范围则以5.5千瓦132千瓦，共有14个功率等级、6个机座号和45个规格。全系列电动机的功率等级、安装尺寸均符合iec国际标准，电动机的同步转速有3000、1500、1000、750及600转/分，绕组采用b级绝缘材料，电动机均为a形接法，其冷却方式为ic01。1.2 y系列（ip44）三相异步电动机的特点 （ip44）三相异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式笼型异步电动机，它适用于拖动无性能要求的各种机械设备，如鼓风机、空气压缩机、水泵和金属切削机床等。其额定电压为380伏，额定频率为50赫兹功率范围为0.55160千瓦，共有22个功率等级。电动机的同步转速有3000、1500、1000、750及600转分，其冷却方式为ic0141。在y系列基本系列的基础上，适当变更部分电磁结构设计或加工工艺，即可派生出许多不同类型的派生系列和专用系列。 y系列（ip44）三相异步电动机具有以下良好性能和结构特点。 1.2.1 效率水平较高 y系列（ip44）小型三相异步电动机保持了j02系列电动机效率水平比较高的优点，其效率加权平均值比j02系列高出0.413%，达到了国际水平。由于y系列电动机效率水平的提高，就给社会带来了巨大的节电经济效益。 1.2.2 起动性能较好 y系列（ip44）全系列电动机的堵转转矩比j02系列电动机的平均值高33%，起动转矩达到jq02系列高起动转矩电动机的水平，其最小转矩均保证在0.8倍的额定转矩以上，并且大部分还达。到或超过1倍的额定转矩。因此，其起动性能非常优良，带负载起动也十分顺利。 1.2.3 噪声低振动小 y系列（ip44）三相异步电动机规定有声功率噪声标准，按噪声限值分为l级和2级，以供用户选用。由于该系列采用电机专用轴承，因而运转噪声大为降低，经实测其噪声低于j02系列实际水平约510分贝，振动也比j02系列电动机有较大地减小。 1.2.4 防护性能较好 y系列（ip44）三相异步电动机的结构设计已满足了对外界固体物和溅水的防护要求，这样就能有效防止异物对电动机和人体的危害。1.2.5 运行可靠使用寿命长。y系列（ip44）三相异步电动机的绕组均采用b级绝缘材料。当海拔不超过1000米，冷却空气的温度不超过40时，电动。机定子绕组的温升限度（电阻法）不超过80k。因而，除极少数规格外电动机一般均有15k以上的温升裕度。较大的温升裕度则能延长电动机的使用寿命，并提高电动机运行的可靠性。 1.2.6 外形美观大方。y系列（ip44）三相异步电动机的端盖、接线盒、风罩等主要结构部件的外形，都比传统老产品要美观、大方。全系列电动机比j02系列的体积平均缩小15%，重量平均减轻12%。 二、estar 03软起动器的开发和应用 交流三相鼠笼式异步电动机的广泛使用，对电动机的起动提出了越来越高的要求。从原来的直接起动，到星三角起动，到自耦降压起动，直到现在的电子式软起动器。新冶电气公司结合多年实际应用的经验而开发的estar 03系列电子式软起动器，很好地解决了电动机起动时对电网和机械设备的冲击，同时具备软停车、故障保护、节能、通讯等功能。可广泛应用于冶金、石化、市政、制造等行业。 2.1自耦降压起动星-三角起动由于对电机六出线的要求和低可靠性，一般只在10kw以下小功率电机使用。自耦降压起动由于其实用性和低廉的价格得到了广泛的应用，但由于其对有色金属的大量耗费和落后的控制方式，在欧美已遭淘汰，在国内市场也日益萎缩。替代以上几种起动方式的正是日益流行的电子式软起动器。电子式软起动器是采用电力电子技术、自动化控制技术和微处理器技术而研制生产的新型控制设备。与传统起动设备相比，性能更可靠，使起动更平滑，对电网冲击更小，此外还具有限流调节、软停车、节能、智能通讯、智能保护等传统起动方式所没有的功能。2.2 电子式软起动器市场分析电子式软起动器于上世纪八十年代初在国外得到应用，九十年代初由美国ab公司引入国内。但由于其相对昂贵的价格和国内认识的普及，近四五年才得到了广泛的应用。国内市场上，自藕方式每个千瓦6080元左右，磁控的每千瓦120元左右，自藕和磁控的体积较大且故障率较高，维修费较高。电子软起动器每个千瓦在100元到200元之间，其中国产的多在100到120元，而进口的多在200元左右。2001年，电子式软起动器国内销售额在4亿元左右。由于自耦起动方式和电子式软起动器之间显著的差价，自耦起动方式仍占据70%以上的市场份额。以水泵行业为例，全国有大小泵厂3000余家，其中规模较大的有300多家，这些泵厂每年配套的起动设备都在500台套以上，而绝大多数采用自耦起动方式。另外，压缩机、鼓引风机行业都是类似情况。具体到冶金行业，由于冶金行业的高能耗，以前对电动机的起动并没有引起很大的重视。但由于近两年的电网负荷紧张和技改投入的加大，起动设备的改进也受到越来越多的关注，电子式软起动器的采用日益普及。由于终端用户的要求的提高和电子式软起动器价格的逐步下降，电子式软起动器近几年一直保持30%以上的增长率。电子式软起动器最终必将替代自耦起动方式已为大家所公认。所以，估计在45年内，国内软起动器的市场销售额将达到10亿左右。2.3 产品简介 2.3.1 原理estar 03软起动器结合了电力电子技术、控制技术和微处理器技术，是专为三相异步电动机而设计的一种全数字智能化起动设备。其基本原理是通过对功率器件即可控硅的控制而实现对电机的起动控制，采用电压斜率的工作原理，控制输出给电动机的电压从可整定的初始值经过可整定的斜率时间上升到供电电网全压。从而降低对电机电源的容量要求，并减少对供电电网的影响和机械传动的冲击。estar 03系列软起动器主要由三部分组成：1、主回路：由六只晶闸管组成，以实现对交流三相电源进行斩波，控制电压幅度输出给电机；2、控制和保护电路：包括微控制器电路、光电隔离电路、过零检测电路、可控硅触发电路、电流检测电路、温度检测电路等等，是软起动器的核心部分，控制晶闸管的导通和关闭，从而完成对电机的起动和停车的理想化的控制；3、人机界面单元：用以实现用户的参数设置、显示设备的运行状态等，给用户提供简单易用的人机界面。2.3.2功能介绍estar 03软起动器有限流控制和电压斜坡两种工作方式：1、在限流控制工作方式时，设备可根据用户的限流值自动优化电机起动过程；2、在电压控制工作方式时，根据用户设定的起动电压和起动时间控制电机的加速过程，同时对电机的起动电流进行监控和保护。estar 03软起动器具备完善的保护功能，具有电源输入缺相检测、电机过流、过载保护、可控硅温升保护等保护措施。estar 03软起动器除实现电机软起动功能，还具备软停车功能，可实现负载设备的平稳停车，有效消除泵类负载的水锤效应。2.3.3应用estar 03系列电子式软起动器可应用于各行各业，如冶金、石化、市政、建筑、消防、矿山等，典型应用是这类设备，如用三相异步电动机来驱动的鼓风机、泵和压缩机的软起动和软停止。也可用它来控制带有变速机构、皮带或链带传动装置的设备，如传送带、磨床、刨床、锯床、包装机和冲压设备等。由于estar 03系列电子式软起动器所具有的高性价比，相信必将为越来越多的用户所采用。三、三相鼠笼型异步电动机的减压启动 电机减压启动方式比较，目前主要的减压启动有星三角减压启动、定子串电阻减压启动、自耦减压启动、软启动器和变频器3.1星三角减压启动 用于定子绕组在正常运行时为三角形接法的电动机，电动机在启动时，定子绕组首先要接成星形，直至电动机即将达到额定转速时（时间不能过长，以免造成电动机欠压运行的损伤），在切换为三角形。下图1为控制电路，图1中主电路有三组接触器主触点分别将电动机的定子绕组接成三角形和星形，即km1、km3线圈的点，主触点闭合时，绕组接成星形；km1、km2主触点闭合时，接为三角形；两种接线方式的切换必须在短时间内完成；时间继电器来完成定时自动切换。3.2定子串电阻减压启动 电动机串电阻减压启动是电动机启动时，在三相定子绕组中串接电阻分压，使定子绕组上的压降降低，启动后再降电阻短接，电动机即可在全压下运行。这种启动方式不受接线方式的限制，设备简单，常用于中小型设备和用于限制机床点动调整时的启动电流。下图2中km1、km2主触点构成串电阻接线和短接电阻接线，并由控制电路按时间原则实现从启动状态到正常工作状态的自动切换。3.3自耦减压启动 利用自耦变压器来降低启动电压，达到限制启动电流的目的。启动时，电源电压加在自耦变压器的高压绕组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的低压绕组联接，当电动机的转速达到一定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相接，在正常电压下运行。 自耦减压启动适用于负载容量较大，正常运行使定子绕组联接成星形而不能采用星三角启动方式的笼型异步电动机。此种方式设备费用大，通常用于启动大型和特殊用途的电动机。3.4软启动器和变频器 两种设备都是通过改变电源频率对电动机实现速度控制。区别在于：软器的调节幅度大，时间短，只能在50hz稳定运行，不能在050之间稳定，所以只能用于设备的启动控制，启动结束后即可退出运行；变频可以在050hz之间任意调节和运行，特别实用于需要变速运行的设备。 减压启动虽然减小了启动电流，但是也降低了启动转矩，因此仅适用于空载或轻载启动。3.4.1定子绕组串电阻减压启动 定子串电阻(电抗)降压起动是指起动时，在电动机定子绕组上串联电阻(电抗)，起动电流在电阻上产生电压降，使实际加到电动机定子绕组中的电压低于额定电压，待电动机转速上升到一定值后，再将串联电阻(电抗)短接，使电动机在额定电压下运行。定子串电阻降压起动控制线路线路动作原理：由上分析可见，按下起动按钮sb2后，电动机m先串电阻r降压起动，经一定延时（由时间继电器kt确定）后，全压运行。且在全压运行期间，时间继电器kt和接触器km1线圈均断电，不仅节省电能，而且增加了电器的使用寿命。3.4.2 y-减压启动 y-换接起动只适用于定子绕组为形联结，且每相绕组都有两个引出端子的三项笼型异步电动机，它是指起动时，将电动机定子绕组接成星形，待电动机的转速上升到一定值后，再换成三角形连接。这样，电动机起动时每相绕组的工作电压为正常时绕组电压的1/ ，起动电流为三角形直接起动时的1/3。起动过程：三个接触器 km1、km2、km3和一个通电延时型的时间继电器kt，当接触器km1、km3主触点闭合时，电动机m星形连接；当接触器km1、km2主触点闭合时，电动机m三角形连接。线路动作原理为：y-换接起动线路（两接触器） 两个接触器km1、km2，而且电动机由星形接法转换为三角形接法是在切断电源的同时间内完成。即按下按钮sb2，接触器km1通电，电动机m结成星形起动，经过一段时间后，km1瞬时断电，km2通电，电动机m结成三角形，然后km1再通电，电动机m三角形全压运行。3.4.3 自耦变压器减压启动为自耦降压起动时的起动电流、起动转矩，ist、tst直接起动时的起动电流、起动转矩，k自耦变压器的变比。 自耦变压器设有三个抽头，qj2型三个抽头比( )分别为55，64，73；qj3型为40，60，80，可得到三种不同的电压，以便根据起动转矩的要求而灵活选用。结论 异步电动机的起动问题是它在运行中的一个特殊问题。常用的方法有全压直接起动、自耦减压起动、y-起动、软起动、变频起动等。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜，因为操纵控制方便，而且比较经济。自耦减压起动器是经常被用来起动较大容量鼠笼式异步电动机的减压起动装置。虽然自耦减压起动器是一种老式的起动设备，但利用自耦变压器的多抽头减压，既能适应不同负载起动的需要，又能得到更大的起动转矩，加之还因装设有热继电器和低电压脱扣器而具有较完善的过载和失压保护，所以，至今仍被广泛应用。然而，巨大的起动电流，特别是有大容量电动机或者有多台电动机需要同时起动时，对电网的影响极大。例如，对中小容量的电网来说，巨大的起动电流会引起很大的线路压降，并因而影响到电网的供电质量。严重时，甚至能影响到电网中其他电气设备的正常运行。不言而喻，较大的起动电流会在线路上和电动机本身中产生相当大的有功功率损耗。特别是在加速转矩较小，负载机组的转矩惯量又较大，而且起动又很频繁时，这个因素就更不容忽视。再有，直接起动固然起动转矩较大，对于重型负载有利，但对一般的轻型负载来说,就有可能发生机械冲击，从而导致传动皮带被撕裂、齿轮被打坏等事故。因此尽管直接起动方法简单，起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。由电机原理可知，电动机的起动电流iq正比于电动机的端电压，所以降低端电压，可使起动电流成比例地减小。例如，当电动机降低到其额定值的1/k时，起动电流亦将降低到全电压起动时的1/k。这样看来，似乎降低电动机的端电压是减小起动时的电流冲击，从而tz解决异步电动机起动问题的有效措施，并且电压降低越多对起动越有利了。其实也不尽然。因为在把电动机的端电压降低到1/k额定电压时，虽然起动电流也降低到全电压起动的1/k，但与此同时，电动机的起动转矩也降低了，而且是按1/k2的比例大幅度地降低，更何况起动时功率因数的下降还会加重这种情况。因此，决不能简单地认为降低电动机端电压是随时随地都可行的起动方式。 星三角起动，对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说，如果在起动时将定子绕组接成星形，待起动完毕后再接成三角形，就可以降低起动电流，减轻它对电网的冲击。这样的起动方式称为星三角减压起动，或简称为星三角起动（y-起动）。设电源的线电压为uc，绕组在起动时的每相抗为z0，当定子绕组接成星形（即y形）时，线电流和它的相电流相等，这就是说，采用星三角起动时，起动电流只是原来按三角形接法直接起动时的1/3。如果直接起动时的起动电流以67ie计，则在星三角起动时，起动电流才22.3倍。起动电流降低了，起动转矩将会是怎样呢？众所周知，电动机的转矩m是同加在绕组上的电压的平方u2成正比。由于三角形接法时的相电压等于线电压，而星形接法时的相电压只是线电压的1/3，这就是说采用星三角起动时，起动转矩也降为原来按三角形接法直接起动时的1/3。由此可见，采用星三角起动方式时，电流特性很好，而转矩特性较差，所以客观存在只适用于无载或者轻载起动的场合。换句话说，由于起动转矩小，星三角起动的优点还是很显著的，因为基于这个起动原理的星三角起动器，同任何别的减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。除此之外，星三角起动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高，并因之节约了电力消耗。众所周知，自耦减压起动器的最大优点是起动转矩较大，当其绕组抽头在80%处时，起动转矩可达直接起动时的64%。设电动机的起动转矩为其额定转矩的1.4倍，则在减压起动时，线电流为直接起动时的64%，起动转矩为额定转矩的90%。然而据调查，自耦减压起动器多半工作于65%抽头处，而且起动也颇顺利。根据分析，此时电动机的起动转矩公为直接起动时的42%，与星三角起动时的1/3比较，只不过大89%而已。可以预计，在这种场合采用星三角起动器也未尝不可，何况实际上也有饲料粉碎机、水泵等采用星三角减压起动而运转正常的例子。如果顾及到高起动转矩异步电动机的推广，星三角起动方式的应用更有着广阔的前景。星三角起动可通过手动和自动操作控制方式实现。图1就是自动星三角起动器的线路，其中a是利用按钮和交流接触器来实现自动操作的线路 ，b是利用时间继电器和交流接触器来实现自动操作的线路。现按后一种线路来介绍自动星三角起动器的工作原理。 起动时，按下起动按钮qa，接触器yc立即动作，它的主触头将定子绕组接成y形连接以备起动：其常开辅助触头将接触器qc的线圈电路接通，使它动作，接通主电路：其常闭辅助触头则切断接触器sc的线圈电