三相异步电动机降压启动毕业设计.doc

驻马店职业技术学院毕业设计论文题目：浅析三相异步电动机的降压启动 学员姓名： 学 号： 系 别： 机电工程系 专 业： 机电一体化 导师姓名： 2012 年 5 月 6 日I 摘要电机的起动电流近似的与定子的电压成正比，因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流，即为降压起动。对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用降压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，所以只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。常见降压起动方法：定子串电阻降压起动、Y/起动控制线路、延边三角起动、软启动及自耦变压器降压起动。 当负载对电动机启动力矩无严格要求但要限制电动机启动电流且电机满足380V/接线条件才能采用降压启动。该方法是：在电机启动时将电机接成星型接线,当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线（通过双投开关迅速切换）；因电机启动电流与电源电压成正比,此时电网提供的启动电流只有全电压启动电流的1/3，但启动力矩也只有全电压启动力矩的1/3。 在实际使用过程中,发现需降压启动的电机从11KW开始就有需要的,如风机，在启动时11KW电流在7-9倍(100)A左右,按正常配置的热继电器根本启动不了（关风门也没用），热继电器配大了又起不了保护电机的作用，所以建议用降压启动。而在一些启动负荷较小的电机上，由于电机到达恒速时间短，启动时电流冲击影响较小，所以在30KW左右的电机，选用1.5倍额定电流的断路器直接启动，长期工作一点问题都没有。关键词：三相异步电动机 降压启动 启动问题 启动方法目录摘要I目录II第1章 绪论1第2章 三相异步电动机的基本结构22.1 定子的结构组成22.2 转子的结构组成22.3 工作原理2第3章 异步电动机的分类及优缺点33.1 三相异步电动机的优点33.2 异步电动机存在的缺点3第4章 三相异步电机启动出现的问题54.1 异步电动机启动时的要求54.2 三相异步电动机启动问题54.3 工业生产机械不同的起动条件6第5章 三相异步电动机起动方式75.1 直接启动75.2 三相异步电动机的Y起动控制85.3 定子串电阻降压起动控制105.4 自耦变压器降压启动115.5 软启动14结论15致谢17参考文献18第1章 绪论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产生感生电动势和电流，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。三相异步电动机又称为三相感应电动机，感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。感应电动机与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及重量轻成本低等优点。此外感应电动机还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。由于感应电动机具有上述许多优点，它是电动机领域中应用最广泛的一种电动机。例如:中小型轧钢设备,矿山机械,机床,起重运输机械,鼓风机,水泵,和农副产品加工机械等都大部分采用三相异步电动机来拖动。17第2章 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由两个基本部分构成：固定部分定子和转子，转子按其结构可分为鼠笼型和绕线型两种。2.1 定子的结构组成定子由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成，定子铁心是异步电动机磁路的一部分，一般由0.5毫米厚的硅钢片叠压而成，用压圈及扣片固紧，各片之间相互绝缘，以减少涡流损耗。定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的，小型电机采用散下线圈或称软绕组，大中型电机采用成型线圈，又称为硬绕组。2.2 转子的结构组成转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成，转子铁心和定子铁心一样，也是由0.5毫米硅钢片叠压而成。鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽内的裸导条和两端的环形端环连接而成，如果去掉转子铁心，绕组的形状象一个笼子；绕线型转子的绕组与定子绕组相似，做成三相绕组，在内部为星型或三角型。2.3 工作原理 当定子绕组接至三相对称电源时，流入定子绕组的三相对称电流，在气隙内产生一个以同步转速n1旋转的定子旋转磁场，设旋转磁场的转向为逆时针，当旋转磁场的磁力线切割转子导体时，将在导体内产生感应电动势e2，电动势的方向根据右手定则确定。N极下的电动势方向用表示，S极下的电动势用表示，转子电流的有功分量i2a与e2同相位，所以既表示电动势的方向，又表示电流有功分量的方向。转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力fem,根据左手定则，在N极下的所有电流方向为的导体和在S极下所有电流流向为的导体均产生沿着逆时针方向的切向电磁力fem,在该电磁力作用下，使转子受到了逆时针方向的电磁转矩Me的驱动作用，转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡，转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行，从而实现了电能与机械能之间的能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理。第3章 异步电动机的分类及优缺点3.1 三相异步电动机的优点 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产生感生电动势和电流，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。3.2 异步电动机存在的缺点3.2.1笼型感应电动机存在下列三个主要缺点。（1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要。当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。（2）大转矩不大，用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。（3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。另一办法是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。3.2.2 绕线型感应电动机绕线性感应电动机正常运行时，三相绕组通过集电环短路。起动时，为减小起动电流，转子中可以串入起动电阻，转子串入适当的电阻，不仅可以减小起动电流，而且由于转子功率因数和转子电流有功分量增大，起动转矩也可增大。这种电动机还可通过改变外串电阻调速。绕线型电动机虽起动特性和运行特性兼优，但仍存在下列缺点：（1）由于转子上有集电环和电刷，不仅增加制造成本，并且降低了起动和运行的可靠性，集电环和电刷之间的滑动接触，是这种电动机发生故障的主要原因。特别是集电环与电刷之间会产生火花，使传统绕线型电动机在矿山、井下、石油、华工等防爆要求的场所，对于灰土、粉尘浓度很高的地方，也不敢使用，这就限制了其应用范围。（2）当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性，多数不提刷，因此运行时存在下列电能浪费：集电环和电刷间的摩擦损耗和接触电阻上的电损耗，电刷至控制柜短路开关间三根电缆的电损耗，若电动机与控制柜之间距离很长，则该损耗将非常严重。并且由于集电环与电刷产生碳粉、电火花和噪声，长期污染周围环境，损害管理人员和周围居民健康。（3）传统绕线型电动机的起动转矩比笼型电动机的有所提高，但仍往往不能满足满载起动的需要，以至仍然需要增容而形成“大马拉小车”。上述传统感应电动机存在的严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾，因此势必顾此失彼，不可兼优。第4章 三相异步电机启动出现的问题4.1 异步电动机启动时的要求1）电动机有足够大的启动转矩。 2）一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好。 3）启动所需设备简单，操作方便。 4）启动过程中功率损耗越小越好。4.2 三相异步电动机启动问题电动机的起动特性中最主要的是它的起动力矩。设起动力矩为，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩加上静摩擦阻力。图4-1电动机负载特性曲线图4-1曲线1表示异步机的MS曲线，曲线2和3表示两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求a点在b点或c点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个起动过程中，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩M在整个起动过程中大于负载的制动力矩。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越快。惯量大得机械，起动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。 电动机起动特性的另一个问题是起动电流，在起动时电流的大小可以用等值电路来求得。异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍。起动电流太大的影响是：一方面将影响电源的电压，太大的起动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在起动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电机的运行。另一个方面，大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的惯量J较大，起动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机起动的要求是不同的，须看负载的特性，电网的情况等因素而定。有时要求有大的起动力矩，有时要求限制起动电流的大小，有时两个要求须同时满足。总的来说，要考虑下列各问题： 1.应该有足够大的起动力矩，适当的机械特性曲线；2.尽可能小的起动电流；3.起动的操作应该很方便；所用的起动设备应该尽可能简单、经济；起动过程中的功率损耗应尽可能的少。4.3 工业生产机械不同的起动条件用电动机拖动的生产机械有不同的起动条件，有些机械在起动时负载力矩很小，随着速度的增大力矩渐增大到额定值，这些负载的例子如鼓风机，它的负载力矩差不多和转速的平方成正比，起动时只需克服一些静摩擦力矩。有些机械在起动时负载力矩就和额定转速时一样大，这类的例子像卷扬机等起重设备。有些机械则在起动过程中负载较轻，等速度高起来以后再加上负载，例如机床等。此外，起动的频繁程度也是需要考虑的因素。有些机械起动次数少，有些则不断地停而又再起动。这一切因素都将电动机起动性能提出不同的要求。第5章 三相异步电动机起动方式三相交流异步电动机直接起动，虽然控制线路结构简单、使用维护方便，但起动电流很大（约为正常工作电流的47倍），如果电源容量不比电动机容量大许多倍，则起动电流可能会明显地影响同一电网中其它电气设备的正常运行。因此，对于鼠笼型异步电动机可采用：定子串电阻（电抗）降压起动、定子串自耦变压器降压起动、星形三角形降压起动等方式；而对于绕线型异步电动机，还可采用转子串电阻起动或转子串频敏变阻器起动等方式以限制起动电流。5.1 直接启动直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上。在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。图5-1是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。图5-1电动机单向起动控制线路的电气原理图直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制，过大启动电流可能会使电压下降，影响在同一电网上其他设备的正常运行。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。5.2 三相异步电动机的Y起动控制对于正常运行时电动机额定电压等于电源线电压，定子绕组为三角形连接方式的三相交流异步电动机，可以采用星形三角形降压起动。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。（1）Y起动自动控制图5-2 三相异步电动机Y降压启动控制线路图三相异步电动机的Y起动自动控制如图5-2所示。主要元器件介绍：a.起动按钮（SB2）。手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。b.停止按钮（SB1）。手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。c.主交流接触器（KM1）。电动机主运行回路用接触器，起动时通过电动机起动电流，运行时通过正常运行的线电流。d.Y形连接的交流接触器（KM3）。用于电动机起动时作Y形连接的交流接触器，起动时通过Y形连接降压起动的线电流，起动结束后停止工作。e.形连接的交流接触器（KM2）。用于电动机起动结束后恢复形连接作正常运行的接触器，通过绕组正常运行的相电流。f.时间继电器（KT）。控制Y变换起动的起动过程时间（电机起动时间），即电动机从起动开始到额定转速及运行正常后所需的时间。g.热继电器（或电机保护器FR）。热继电器主要设置有三相电动机的过负荷保护；电机保护器主要设置有三相电动机的过负荷保护、断相保护、短路保护和平横保护等。控制原理：三相异步电动机Y转换启动的控制原理大致如下：a.按下启动按钮SB2后，电源通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB1的动断接点、形连接交流接触器KM2常闭辅助触头，接通时间继电器KT的线圈使其动作并延时开始。此时时间继电器KT虽已动作，接点应断开，但其延时接点是瞬间闭合延时断开的（延时结束后断开），同时通过此KT延时接点去接通Y形连接的交流接触器KM3的线圈回路，则交流接触器KM3带电动作，其主触头去接通三相绕组，使电动机处于Y形连接的运行状态；KM3辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1的线圈。b.主交流接触器KM1带电启动后，其辅助触头进行自保持功能（自锁功能）；而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源，此时电动机启动过程开始。c.当时间继电器KT延时断开接点（动断接点）KT的时间达到（或延时到）电动机启动过程结束时间后，时间继电器KT接点随即断开。d.时间继电器KT接点断开后，则交流接触器KM3失电。KM3主触头切断电动机绕组的Y形连接回路；同时接触器KM3的常闭辅助触头闭合，去接通形连接交流接触器KM2的线圈电源。e.当交流接触器KM2动作后，其主触头闭合，使电动机正常运行于形连接状态；而KM2的常闭辅助触头断开使时间继电器KT线圈失电，并对交流接触器KM3联锁。电动机处于正常运行状态。f.启动过程结束后，电动机按形连接正常运行。（2）Y起动手动控制图5-3 三相异步电动机Y降压启动接线图Y起动手动控制接线如图5-3所示。图中手动控制开关SA有两个位置，分别是电动机定子绕组星形和三角形连接。线路动作原理为：起动时，将开关SA置于“起动”位置，电动机定子绕组被接成星形降压起动，当电动机转速上升到一定值后，再将开关SA置于“运行”位置，使电动机定子绕组接成三角形，电动机全压运行。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降压起动，或简称为星三角起动（Y- 起动）。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。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。适用于无载或者轻载起动的场合。并且同任何别的降压起动器相比较，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。缺点是启动力矩小，仅适用于无载或轻载启动。5.3 定子串电阻降压起动控制定子串电阻(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。图5-4 定子串电阻降压起动控制线路由上图可见，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。 在鼠笼式电动机的定子绕组中串电阻（或电抗）而降压起动的方法。起动时将电阻（或电抗）串入鼠笼式电动机定子绕组中降低电压起动，待电动机转速上升到一定值后再将电阻（或电抗）短路，电动机在额定电压下正常运转。电阻（或电抗）降压起动法，只适用于起动转矩较小，而起动次数不太频繁的电动机上。5.4 自耦变压器降压启动对于容量较大且正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机，可采用自耦变压器降压起动。它是指起动时，将自耦变压器接入电动机的定子回路，待电动机的转速上升到一定值后，再切除自耦变压器，使电动机定子绕组获正常工作电压。这样，起动时电动机每相绕组电压为正常工作电压的1 / K 倍（K 自耦变压器的匝数比。K = N1 / N2 ），起动电流也为全压起动电流的1 / K2倍。 （1）电动机自耦降压启动（自动控制接线图） 图5-5 电动机自耦降压起动接线图 图5-5是交流电动机自耦降压启动自动切换控制接线图，自动切换靠时间继电器完成，用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程，不会造成启动时间的长短不一的情况，也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故 控制过程如下： a、合上空气开关QF接通三相电源。 b、按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压低压抽头（例如65）将三相电压的65接入电动。 c、KM1辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。 d、由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM1线圈断电，KM1常开触点全部释放，主触头断开，使自耦变压器线圈封星端打开；同时 KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM1已经复位的常闭触点，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。 e、KM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，使时间继电器KT可处于断电状态。 f、欲停车时，可按SB1则控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。g、电动机的过载保护由热继电器FR完成。（2）电动机自耦降压启动（手动控制接线）图5-6 电动机自耦降压起动接线图自耦变压器降压起动手动控制接线如图56所示，图中操作手柄有三个位置：“停止”、“起动”和“运行”。操作机构中设有机械连锁机构，它使得操作手柄未经“起动”位置就不可能扳到“运行”位置，保证了电动机必须先经过起动阶段以后才能投入运行。动作原理为：当操作手柄置于“停止”位置时，所有的动、静触点都断开，电动机定子绕组断电，停止转动。当操作手柄向上推至“起动”位置时，起动触点和中性触点同时闭合，电流经起动触点流入自耦变压器，再由自耦变压器的65%（或85%）抽头处输出到电动机的定子绕组，使定子绕组降压起动。随着起动的进行，当转子转速升高到接近额定转速附近时，可将操作手柄扳到“运行”位置，此时起动工作结束，电动机定子绕组得到电网额定电压，电动机全压运行。停止时须按下SB按钮，使失压脱扣器的线圈断电而造成衔铁释放，通过机械脱扣装置将运行触点断开，切断电源。同时也使手柄自动跳回到“停止”位置，为下一次起动做准备。自耦变压器备有65%和85%两挡电压触头，出厂时接在65%触头上，可根据电动机的负载情况选择不同的起动电压。自耦变压器只在起动过程中短时工作，在起动完毕后应从电源中切除。5.5 软启动以上几种降压启动的方法是有级启动，启动的平滑性不高，应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动，这种方法称为软启动。软启动分为磁控式和电子式两种。磁控式故障率高，已被电子式取代。启动过程电机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压按指定要求上升，被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压，转速相应由零上升到规定转速。软启动能保证电机在不同负载下平滑启动，减少电机启动对电网冲击，又降低对自身承受的较大结构冲击力。软启动可以设定起始电压、上升方式、启动电流倍数等参数，以适用重载、轻载启动不同情况。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。常用的方法有自耦变压器降压起动、Y-起动、软起动、定子串电阻降压起动等。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。自耦降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降压起动装置。虽然自耦降压起动器是一种老式的起动设备，但利用自耦变压器的多触头降压，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。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。尽管直接起动方法简单，起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电压和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取降压起动方式，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。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。采用星三角起动方式时，电流特性很好，而转矩特性较