电机课设-30kw三相异步电动机星三角起动电气控制系统设计.doc

电机课程设计报告书 课 题： 30kw三相异步电动机星三角 起动电气控制系统设计 院（系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2014 年 12 月 15 日前言实训主要内容：设计型号为Y200L-4额定功率为30kw的三相异步电动机星三角起动电气控制系统主线路、控制线路，要求控制方案安全、可靠、规范、合理、简洁、清楚，在此基础上要求经济投入尽可能的少。首先查阅型号为Y200L-4额定功率为30kw的三相异步电动机的各种参数，根据各种参数计算验证电机的额定电流，计算结果应与查得的额定电流相符。电流验证无误后，再设计并绘制电气控制系统原理图，并根据电机额定电流计算电机带上额定负载时电路各处的电流值，计算各种电器(如交流接触器、热继电器、熔断器、自动空气开关、时间继电器、电缆线等)的相关参数，然后选择电器具体的型号，并绘制电器元件明细表。最后，绘制电气安装接线图，并再实验台上进行接线、通电、调试、运行。工作过程简介：小组成员通过网络收集电机的各项参数，再由课本上具体了解电机起动、星型-三角形（）起动的控制过程和原理。收集到的资料和电机的各项参数后，根据三相异步电动机的各项参数计算公式和方法验证所设计控制方法的可行性。最后根据比较的结果选择合理的控制方法和对应的各种器件。对应设计的控制电路图连接电器，调试直到系统稳定运行。目录正文11系统概述12系统各部分设计、计算及选择2 2.1 三相异步电动机工作原理2 2.2 Y200L-4/30kw三相异步电动机各参数2 2.3 电动机额定电流与转矩的的计算2 2.4 电路各处电流值的计算及元器件的选择3 2.4.1 断路器QF的选择3 2.4.2 交流接触器KM的选择3 2.4.3 熔断器FU的选择3 2.4.4 热继电器FR的选择3 2.4.5 时间继电器KT的选择4 2.4.6 电缆的选择4 2.5 电气控制工作原理及其原理图4 2.5.1 电路的工作原理4 2.5.2 电机控制原理图53设计方案的安装调试或验证54结束语-65.鸣谢-6参考文献-6元器件明细表-7附图表8正文1.系统概述三相笼型异步电动机的起动方法有三种，分别是：直接起动、减压起动和软起动。但较为常用的有以下几种：直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法。起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定子绕组上，显然，其起动电流比较大，可达额定电流的4-7倍。对于经常起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机发热，影响电动机寿命；同时电动机绕组（特别是端部）在点动力的作用下，会发生形变，可能造成短路而烧坏电动机；过大的起动电流，会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响接在同一电网的其他异步电动机的工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。减压起动的方法有四种，以下对其中三种做简要介绍：1. 电阻减压或电抗减压起动，电动机起动过程中，在定子电路串联电阻获电抗，起动电流在电阻或电抗上产生压降，降低了电动机定子绕组上的电压，起动电流得到减小。这两种起动方法具有起动平稳、运行可靠、构造简单等优点。如用电阻减压起动，则还有起动阶段功率因数较高等优点。但是，电压降低后，起动转矩Tst和电压的二次方成正比的二次方成正比地减小，因此这两种起动方法一般用在轻载起动的场合。电抗减压起动通常用于高压电动机，电阻减压起动一般用于低压电动机。但其成本较高，起动时电能损耗较多，因此实际应用不多。2.自耦减压起动，是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流。适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用很广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是体积大，质量大，价格高，需维护检修。3.星形-三角形（）起动，所谓降压启动方法是把电机接线盒中的个接线端子（三相）利用接触器使其先接成接法启动，当达到相对稳定的转速时再转换成接法运行。保持线电压不变，使每一相绕组的电压在启动时降低到线电压的1/，从而使启动电流减小为直接启动时的三分之一，达到减小电网线路电压降的目的。只能用于正常运转时定子绕组为三角形联结的电动机，即额定电压为380V/660V的电动机。其缺点是起动电压只能降到1/，不能像自耦减压起动那样，可按不同的负载选择不同的起动电压。但其优点是体积小、质量轻、价廉物美、运行也可靠，而且检修方便。这也是我们选择这种起动方法运用于设计中的主要原因。大型生产机械的拖动电机功率比较大，因而电动机起动时会使电网的电压降低，电动机的起动力矩减小以致不能带负载进行起动，还会影响其他负载的正常工作，因此大功率的电动机需要降压起动。星形-三角形起动的特点在于起动电流只是原来三角形接法的1/3，起动电流特性好、结构简单、价格低。缺点：起动转矩也相应下降为原来三角形接法的1/3，转矩特性差，因而本线路适用于/接法的电动机轻载启动的场合。实验室里的控制电机属于大功率轻载，所以合适用于星三角起动方式。交流接触器在断开大电流或高电压电路时，在动、静触头之间会产生很强的电弧。电弧是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，电弧的产生将会使电路切断时间延长，电动机在切换的瞬间由于星形和三角形都接通，使得电动机产生抖动，电动机有可能在抖动中损坏，尤其在搭载负载的情况下会电动机烧掉。在电路切换时加入时间继电器，给电路一个缓冲的时间，然后再实现转换，这样就能够消除由于交流接触器产生电弧而导致的问题。时间继电器还起到自动转换电路的作用。2 系统各部分设计、计算及选择2.1 三相异步电动机工作原理 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，所以和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 图1：三相电动机的结构示意图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。2.2 Y200L-4/30kw三相异步电动机各参数 Y系列全程为全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机。使用非常普遍，应用于一般无特殊要求的机械设备、如农业机械、食品机械、风机、水泵、机床、拌搅机、空气压缩机等课设题目中的三相异步电动机型号为Y200L-4其中： Y -表示的是Y系列 200 -表示的是机座中心高度 L -表示的是长铁芯 4 -表示此电机是4级附表：Y200L-4三相异步电动机参数表型号 TYPE功率转速电流效率功率因素堵转电流 / 额定电流堵转转矩 / 额定转矩最大转矩/额定转矩额定电压kwr/minA%cosIst/InTst/TnTmax/TnVY200L-430147056.892.20.87722.2380由台州恒富电动机厂网站查得。网址：/dianjizhishi/djxhdq.html2.3 电动机额定电流与转矩的的计算电动机的额定电流： In=56.8（A）根据公式计算的额定电流值与电动机铭牌的额定电流值相一致。计算电动机的额定转矩： Tn=9550=9550=194.90（ Nm ）2.4 电路各处电流值的计算及元器件的选择2.4.1 断路器QF的选择 断路器通常选用电动机保护型，应按Ie来选择。在起动时，起动电流仅为直接起动时电流的1/3倍。所以选用电动机保护型QF完全能够满足起动要求。 断路器的电流一般按额定电流的1.5-2.5倍来选取，为满足电机的超载运行QF的电流(1.5-2.5A)xIn=(1.5-2.5A)x56.8A=85.2-142A 选取：DZ158 100A 3P 2.4.2 交流接触器KM（主交流接触器KM1，Y接触器KM3，接触器KM2）的选择。主接触器KM1流过的电流为电机的额定电流，故KM1的电流56.8A 。选取：交流接触器CJT1(CJ10)-60A380V银点。主接触器KM1，角接触器KM2都串联在电动机的绕组中，所以它们具有相同的相电流。KM1、KM2的额定电流值以Ie/为依据选择。起动电流持续的时间很短，不足以烧毁电气设备，因此KM3的额定值可按（1/3）Ie来选择。KM2接触器的电流：I(K1K2)=Ie/=56.8/A=32.79A。选取：交流接触器选取：CJT1-40380V银点。 KM3接触器的电流：I(K3）=0.33*Ie=0.33*56.8A=18.9A。选取：交流接触器20A(LC1)CJX2-3210380V银点。 2.4.3 熔断器FU的选择主回路FU1按电动机额定电流选定，一般选择主回路选额定电流的1.5-2.5倍。FU1熔断器整定电流： IFU1=Ie*（1.5-2.5）A=85.2-142A。选取：MRO茗熔RGS11 CR2L GSB 380V 100A螺栓连接式熔断体快速熔断器。控制回路FU2熔断器整定电流2A。即IFU2=2A,用2A的熔断器足以符合要求。选取：RL1-15螺旋式熔断器熔断体380V 2A陶瓷保险丝。2.4.4 热继电器FR的选择 FR的主要作用是用于电动机的过载保护，在电动机运行的过程中若过载时间太长，绕组温升超过允许值，绝缘老化速度加快就会缩短电动机的使用寿命、在严重的情况下甚至会烧坏。其热元件的额定电流值应以 I热Ie 为依据选择，保证Ie 值在可调范围之内。串联在电动机的绕组中，所以它们具有相同的相电流。是绕组外边的所以选取1.2 倍电动机额定电流In。 FR热继电器的电流： I热 = Ie *1.2=56.8*1.2 A=68.16 A。 选取：正泰热过载继电器 JRS1-40/Z 70A。2.4.5 时间继电器KT的选择 KT在控制回路中，选择2A以下容量的即可，选取：JS7-2A。时间继电器时间设定：电动机所带的机械负载由于惯量不同，会造成电动机启动时间不同，大多数设备是属于轻载启动，第一次启动电动机不清楚启动时间有多长，所以不可能正确设定启动时间。选择手动启动，当启动电动机后开始看表计时，等电动机达到高速，如果有电流表看电流读数退回到最低值时，这段时间就是启动时间，为了可靠安全在刚才测量到的时间上再加2-3秒。把它作为时间继电器最终设定值。时间设定后是否正确，可通过下面的方法进行检查：把控制箱电动机输入熔断器熔芯去掉，再按启动按钮，这时可以看接触器转换时间是否正确。2.4.5 电缆的选择 30KW三相异步电动机工作电流57A,根据导线截面积与电流的关系，应选10平方毫米铜电源线。一般铜线安全计算方法是：1平方毫米铜电源线的安全载流量17A。1.5平方毫米铜电源线的安全载流量21A。2.5平方毫米铜电源线的安全载流量28A。4平方毫米铜电源线的安全载流量35A。6平方毫米铜电源线的安全载流量48A。10平方毫米铜电源线的安全载流量65A。16平方毫米铜电源线的安全载流量91A。25平方毫米铜电源线的安全载流量120A。单相负荷按每千瓦4.5A（COS&=1），计算出电流后再选导线。如果是铝线，线径要取铜线的1.5-2 倍；如果铜线电流小于28A，按每平方毫米10A来取肯定安全；如果铜线电流大于120A，按每平方毫米5A来取。导线的截面积所能正常通过的电流可根据其所需要导通的电流总数进行选择，一般可按照如下顺口溜进行确定：十下五，百上二，二五三五四五三界，柒拾玖五两倍半，铜线升级。 2.5 电气控制工作原理及其原理图2.5.1电路的工作原理 第一阶段, 电动机定子绕组 Y接起动。当按下起动按钮 SB2时, 接触器 KM3 得电, 其主触点闭合, 使电动机定子绕组端子短接, 此时电动机定子绕组接成 Y 形, KM3常开辅助触点闭合，同时接触器 KM1 得电( 接触器 KM1,KM3 自锁), 配电回路中主触点闭合, 使电动机定子绕组端子接通电源并开始起动运转。第二阶段, 电动机定子绕组接线， 转入正常运行。经时间继电器 KT延时, 电动机 Y运行达到一定转速，KT常闭触点打开、常开触点闭合，接触器KM3 失电，其主触点断开、常闭辅助触点闭合，使接触器KM2得电( 接触器 KM2,KM3 互锁)，KM2主触点闭合，定子绕组端子相接，此时电动机定子绕组接成形，Y-起动过程结束，进入正常形运行状态。电器元件相关说明如下： （1）起动按钮（SB1）。手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。 （2）停止按钮（SB2）。手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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载保护、断相保护、短路保护和平衡保护等。2.5.2 电机控制原理图 星三角形降压启动原理图： 图2： Y-降压启动电路图3. 设计方案的安装调试或验证 在安装调试过程中比较难的技术问题是时间继电器的设定，因为电动机的第一次起动时间比较难把握，所以设定的时间会有偏差。得通过多次的观察和试验才能把握好电动机启动的时间，并且设定好时间继电器的设定值，还有就是在对电器实物的了解比较少，仅仅从课本的理论知识还不足以从容的应对实验，当我们真正接触到实验室中的实物时，对电器元件的各个触电和接线头还不是很熟悉，可能会导致一些小的、可以避免的失误，不过通过用电表测量解决了问题。时间继电器设定值确定的具体步奏如下： 按照图2接线，检查连线是否正确，设置时间继电器的时间值。先手动启动，从启动电动机后开始看表计时，等电动机达到高速，看电流读数退回到最低值时，这段时间就是启动时间，为了可靠安全在刚才测量到的时间上再加2-3秒。把它作为时间继电器最终设定值。4. 结束语 通过此次课设，我们进一步学习和了解了三相异步电动机Y降压启动的原理、特点，及其运行过程的步骤和要求，并通过设计实际操作的工作方案，学会了如何计算运行中出现的各种参数，然后通过这些参数来选择合适的电机机型及相关的实验器件，将有关于电机的理论知识都重新梳理了一遍。不同的控制电路，各个电器的组合，可以按照不同的需要来设计并实现电机的自动化控制。在这次对30kw三相异步电动机星三角形起动电气控制系统的设计过程中，大家分工合作，查找相关资料，对不懂或不熟悉的地方就先讨论在进行网上查阅。最后，通过查阅资料以及小组讨论等方式进行比较，我们确定了最适合我们的星三角形起动的设计方案；进一步学习了三相异步电动机Y降压启动的原理、特点后，通过设计实际操作的工作方案，学会了根据电机型号、参数，计算各个控制元件的参数，从而选择合适的电器元件。但在各个电器型号的选择时，由于对各种参数的计算方法不熟悉，所以每一个计算都要查阅公式以及相关的公式依据，这就暴露了对以前学过的知识掌握程度不够、理解不透的问题。 通过网络资源，我们查找了与电缆选择相关的资料，并对电缆的选择有了更多的了解。在此次课设之前，我们从来没有亲自设定过控制元件的参数，也没有亲自根据实际需要选择电器，很高兴现在可以得到了锻炼。但是由于实验材料以及电气元件的价格等问题，我们最终也只能用实验室现成的元件接线而已，这样没办法解决实际设计中的很多问题。 在计算来选择电器，这次课设给了我们亲自体验的机会，同时也在锻炼我们的动手能力和知识的掌握程度。但是由于实验材料以及电气元件的价格等问题，我们只能通过实验室现成的元件接线，这就导致了我们没办法及时发现并改正设计中存在的问题，所以设计可能存在一定的瑕疵。5. 鸣谢 这次三相异步电动机星三角降压起动的课程设计中，我们遇到了各种问题，并且由于我们许久未看书本许多知识都连贯不好，还好有诸葛致老师的指导，他的讲解让我们茅塞顿开，解开了一个又一个问题，了解了更多关于电机方面的知识