电机拖动课程设计——三相异步电动机启动系统设计.doc

辽宁工程技术大学1. 绪论目前，工业中原动力主要由电动机提供，电动机可分为直流和交流电机。由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供，尤其以鼠笼式电机居多。根据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59%，而异步电机则占总动力负载中的85%，由此可见异步电动机在工农业中的重要性，异步电机的应用范围是非常广的，容量从几十瓦一直到几千瓦，应用在各种行业，例如，在工业方面，中小型的轧钢设备都采用异步电机，它也被广泛地用在各种机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备。在矿山上，它常用来拖动卷扬机和鼓风机等。在农业方面，它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械。此外，它在人民日常生活中也越来越占重要地位，例如电扇，冷冻机，和各种医疗机械钟也都采用异步电机。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，而且随着电气化自动化的发展，它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大。与直流电机相比，交流电机有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点，但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能。作为调速性能，随着变频技术的发展，已经得到了很好的解决，所以一直处于弱势的是其启动性能。因为在该阶段，由于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的现象，所以在工程界比较重视电机的启动问题。随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。例如，在工业应用中，它可以拖动风机，泵，压缩机，中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械，矿山机械等。在农业中，可以拖动水泵，脱粒机，粉碎机以及其他农副产品的加工机械等。在民用电器中，电扇，洗衣机，电冰箱，空调机等都有单相异步电动机拖动。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，是实现电气化不可缺少的动力设备。异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势，电流，从而产生电磁转矩。2. 三相异步电动机的启动方案2.1 三相异步电动机的直接启动三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的启动。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。三相异步电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大，以保证生产机械的正常启动。缩短启动时间；启动电流要小。以减小对电网的冲击。由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率 S1，主磁通 额定磁通的1/2，功率因数cos 很小，造成了起动电流相当大而起动转矩 并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流 （47）IN （ 为起动电流倍数）起动转矩 TN（0.91.3） 对于绕线式三相异步电动机的起动转矩T STN 。起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差10%或更严重。这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压 U的平方成正比，导致Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。 下面两种情况不能直接启动。变压器与 电机容量之比不足够大。启动转矩不能满足要求。综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于 7.5kw的小容量鼠笼式异步电机。对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法：（1）降低定子电压；（2）加大定子端电阻或电抗；（3）对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电机，可以结构上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。总结： 直接起动即全压起动。直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。 一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下： 1：若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动； 2：若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。 全压起动条件：（1）异步电动机功率低于7.5KW（2）：kf小于或等于1/4乘以3加电源总容量/启动电动机容量 直接起动时的影响：（1）起动电流较大，可达额定电流的47 倍，甚至达到812倍。（2）过大的起动电流造成电机过热，影响电动机的寿命。（3）过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击，绕组变形可能造成短路而烧毁电动机。（4）过大的起动电流会使电网线路电压降增大，对同一线路中的其他电器设备造成影响。 2.2 笼型异步电动机的启动 2.2.1 定子串电抗器启动起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图11所示。电源额定电压直接加在短路阻抗上，定子侧串入电抗X起动时，每相等效电路如图12所示，Un加在（jX+）上，而上的电压是U/。定子侧串电抗起动可以理解为增大定子侧电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的是减小起动电流。在定子侧串入电抗后，其堵转电流为I/s 图2-1 直接起动 图2-2 定子串电抗起动 三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗中，所致，一般的说，。因此，串电抗起动时，可以近似把ZK的模值与X相加，而不考虑阻抗角，误差不大。设串电抗时电动机定子电压与直接起动时定子的额定电压比值为u，则：式中， 分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流；分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩，当选定u时，定子应串的电抗为：从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看，定子回路中串电阻或是串电抗效果是一样的。但是串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电机容量较小时才允许使用，大中型电机仅采用串电抗起动。定子回路串电阻或是电抗都能减小起动电流，使得电网的冲击电流减小，对改善电网的稳定性是有利的。但是，问题的另一面是，随着起动电流的减小，电机产生的起动转矩也随着变化，有必要对起动转矩进行校验，看它是否能满足生产工艺的要求，拖动系统是否能顺利的升速到要求的转速根据图示的等值电路，起动时的电磁功率为：对于恒定的同步角速度，起动转矩和起动电流的平方成正比。利用这个重要关系式可以得出结论：不管是定子回路串电阻还是电抗，只要能将起动电流改变为直接起动是的倍，则起动转矩就将变成直接起动时的倍。显然，如果起动电流是直接起动时的1/2，则起动转矩将是直接起动时的1/4。因为鼠笼异步机的直接起动转矩本来就不大，采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小，必须对这种起动转矩的大幅度下降进行校验，看它是否能保证拖动系统顺利完成起动任务。一般地说由于起动转矩较小，所以定子回路串阻抗的起动方法只适用于轻载起动或者是空载起动的生产机械。 2.2.2星-三角启动凡正常运行时定子绕组接成三角形的是三相鼠笼式异步电动机，在启动时临时成星形，待电动机启动后接近额定转速时，在将定子绕组通过Y降压启动装置接换成三角形运行，这种启动方法叫Y降压启动。属于电动机降压启动的一种方式，由于启动时定子绕组的电压只有原运行电压的，启动力矩较小只有原力矩的，所以这种启动电路适用于轻载或空载启动的电动机。图2-3 三相异步电动机Y降压控制接线示意图特点：定子绕组星形接法时，启动电压为直接启动采用三角形接法的1/3，起动电流为三角形接法的1/3因而启动电流特性好，线路比较简单，投资少，其中启动转矩特性差，所以该线路适应用于轻载或空载启动场合。线路分析如下：1、合上空气开关QF接通三相电源，2、按下启动按钮SB2，首先交流接触器KM3线圈通电吸合，KM3的三对主触头将定子绕组尾端联在一起。KM3的辅助常开触点接通使交流接触器KM1线圈通电吸合，KM1三对主常触头闭合接通电动机定子三相绕组的首端，电动机在Y接下低压启动。 3、随着电动机转速的升高，待接近额定转速时（或观察电流表接近额定电流时），按下运行按钮SB3，此时BS3的常闭触点断开KM3线圈的回路，KM3失电释放，常开主触头释放将三相绕组尾端连接打开，SB3的常开接点接通中间继电器KA线圈通电吸合，KA的常闭接点断开KM3电路（互锁），KM3的常开接点吸合，通过SB2的常闭接点和KM1常开互锁接点实现自保，同时通过KM3常闭接点（互锁）使接触器KM2线圈通电吸合，KM2主触头闭合将电动机三相绕组连接成，使电动机在接法下运行。完成了Y接压启动的任务。 4、热继电器FR作为电动机的过载保护，热继电器FR的热元件接在三角形的里面，流过热继电器的电流是相电流，定值时应按电动机额定电流的计算。 5、KM2及KM3常闭触点构成互锁环节，保证了电动机Y接法不可能同时出现，避免发生将电源短路事故。三相异步电动机Y降压控制接线示意图安装注意事项：1、Y降压启动电路，只适用于形接线，380V的鼠笼异步电动机。不可用于Y形接线的电动机应为启动时已是Y形接线，电动机全压启动，当转入形运行时，电动机绕组会应电压过高而烧毁。 2、接线时应先将电动机接线盒的连接片拆除。 3、接线时应特别注意电动机的首尾端接线相序不可有错，如果接线有错，在通电运行会出现启动时电动机左转，运行时电动机右转，应为电动机突然反转电流剧增烧毁电动机或造成掉闸事故。 4、如果需要调换电动机旋转方向，应在电源开关负荷侧调电源线为好，这样操作不容易造成电动机首尾端接线错误。 5、电路中装电流表的目的，是监视电动机起动、运行电流的，电流表的量程应按电动机额定电流的3倍选择。 常见故障： 1、Y启动过程正常，但按下SB3后电动机发出异常声音转速也急剧下降，这是为什么？ 分析现象；接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。问题出现在接上电动机后，从故障现象分析，很可能是电动机主回路接线有误，使电路由Y接转到接时，送入电动机的电源顺序改变了，电动机由正常启动突然变成了反序电源制动，强大的反向制动电流造成了电动机转速急剧下降和异常声音。 处理故障；核查主回路接触器及电动机接线端子的接线顺序。 2、线路空载试验工作正常，接上电动机试车时，一起动电动机，电动机就发出异常声音，转子左右颤动，立即按SB1停止，停止时KM2和KM3的灭弧罩内有强烈的电弧现象。这是为什么？分析现象；空载试验时接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。问题出现在接上电动机后，从故障现象分析是由于电动机缺相所引起的。电动机在Y起动时有一相绕组为接入电路，电动机造成单相启动，由于缺相绕组不能形成旋转磁场，使电动机转轴的转向不定而左右颤动。 处理故障；检查接触器接点闭合是否良好，接触器及电动机端子的接线是否紧固。 2.2.3 自耦减压启动在定子回路中串阻抗虽然能满足电网减小起动电流的要求，但是往往因为起动转矩过小而满足不了生产工艺的要求。为了解决这个矛盾人们采用自耦减压起动。三相鼠笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动称为自耦减压起动，其接线图如图所示。起动时，开关K投向起动一边，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，当转速升高到一定程度后，开关K投向运行边，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行。自耦减压起动时，一相电路如图所示。 图2-4 自耦减压起 图2-5 自耦减压起动一相电路电动机起动电压下降为U，与直接起动时电压UN的关系为：电动机降压起动电流为,与直接起动时的起动电流之间关系为：自耦变压器高压边的起动电流为，与之间的关系为：因此，降压起动与直接起动相比，供电变压器提供的起动电流的关系为 ： 自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为，与直接起动时的堵转转矩之间的关系为：由以上可以看出，采用自耦减压起动时，与直接起动相比较，电压降低到N2/N1倍，堵转电流与堵转转矩降低到（N2/N1）2倍。换句话说：如果采用自耦减压起动，则起动电流变化的比值和转矩变化的比值相等，都是直接起动时的KA分之一。自耦减压起动，比起定子串阻抗起动，当限定的起动电流相同时，堵转转矩损失较少，比Y起动灵活，并且当N2/N1较大时，可以拖动较大的负载起动。但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦减压起动在较大容量鼠笼型异步电动机上广泛应用。前面介绍的几种鼠笼型异步电动机的降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时有都程度不同地降低了堵转转矩，因此，只适合空载或轻载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则经常需要堵转转矩较大的异步电动机，加大堵转转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线型异步电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼型异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值。2.3绕线式三相异步电动机的启动 2.3.1 转子回路串电阻的启动 绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻，可以减小定子电流。当所串入的电阻RS合适，可以增大堵转转矩值。当所串电阻折合值为：即Sm=1，电动机的堵转转矩达最大值。为什么在绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻后，定、转子电流减小了，而堵转转矩却能增大？从电动机电磁转矩公式知道，在气隙每极磁通量一定时，电磁转矩T与转子有功电流成正比。已知串入电阻RS后，转子功率因数角为：即角比不串时小很多，使得值增大。尽管刚起动时，因为串电阻使得减小，但值的增大，使得转子有功电流反而增大了，从而增大堵转转矩值。当然，过分增大所串电阻，虽然会增大，其极限值为1，因转子电流减小使堵转转矩也跟着减小。图26（a）是绕线型异步电动机转子串电阻的示意图，为了简单，也有采用图26（b）不对称电阻。 图26（a） 图26（b）绕线型三相异步电动机多用在拖动那些要求堵转转矩大的生产机械，如起重机械，球磨机，空压机，皮带运输机以及矿井提升机等。为了减小绕线型三相异步电动机运行时电刷与集电环间的摩擦损耗，有些电机安装了电刷提起装置。当电动机起动完毕后，把转子三相绕组彼此短路，将电刷从集电环上举起。2.3.2 转子串频敏变阻器起动对于那些单纯为了限制起动电流增大堵转转矩的绕线型异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动，如图18所示。频敏变阻器是一个三相铁心线圈，它的铁心是由实心铁板或钢板叠加而成，板的厚度为3050mm。图18中，接触器点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。频敏变阻器每一相的等效电路与变压器空载运行时的等效电路是一致的。忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用表示。但是，与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点：频率为50HZ的电流通过时，阻抗比一般的变压器励磁阻抗小的多。这样，串在转子回路中，既限制了定.转子电流，又不致使堵转电流过小而减小堵转转矩。频率为50HZ的电流通过时，。其原因，频敏变阻器中磁通密度取的较高，铁心处于饱和状态，励磁电流较大，因此，励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或后钢板的，磁滞，涡流损耗都比较大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此较大。 图27 转子串频敏变阻器起动绕线型三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时（s=1），转子回路频率为50HZ，因为，转子回路主要是串入了电阻，提高了转子回路的功率因数，既限制了堵转电流，又提高了堵转转矩。起动过程中，随着转速升高，转子回路频率逐渐降低，频敏变阻器中铁损耗减小，电阻也小；电抗也小。正因如此，电动机在几乎整个起动过程中始终保持较大的电磁转矩。为了用户的方便，频敏变阻器的等效阻抗是可以调节的。实际的频敏变阻器线圈上都有几级中间抽头，供使用时选择一个比较合适的等效阻抗值。铁损和磁密的平方成正比，改变线圈的匝数将引起等效阻抗的较大变化。中间抽头受到结构条件的限制，只能是有限的几种，不可能适应紧密调节的需要。为了将起动电流和起动转矩比较准确的整定在要求的数值上，频敏变阻器都装有调节气隙长度的活动铁心。气隙越大，磁密越小，等效阻抗也愈小。结论在本次的课程设计是以电机与拖动的教材为主线，基本能按照设计任务书，指导书，技术条件的要求进行。通过上面的设计可知：利用晶闸管调压的软起动方式可以获得较为理想的软起动效果的理论。即在同等的条件下，起动控制电路具有较简练的结构，系统工作可靠性高，这种方式可以较小的成本获取较高的起动性能。通过研究，可以得到以下结论：1.异步电动机软起动可以有效地减