课程设计绕线异步电动机串电阻启动的设计.doc

课 程 设 计课 程 电气工程课程设计 题 目 绕线异步电动机串电阻启动的设计 院 系 电气信息工程学院自动化系 专业班级 电气二10-1 学生姓名 学生学号 100603120116 指导教师 2011年 7月 24 日 课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 绕线异步电动机串电阻启动 主要内容：绕线式三相异步电动机转子回路串接电阻，一方面可以减小起动电流，另一方面可以增加最初起动转矩，当串入某一合适电阻时，还能使电动机以它的最大转矩T起动。当然，所串联的电阻超过一定数值后，最初起动转矩反而会减小。由于绕线异步电动机的转子串联合适的电阻，不但可以减少起动电流，而且可以增大起动转矩，因而，要求起动的转矩大或起动频繁的生产机械常用绕线型异步电动机。通常，为了使整个起动尽量保持较大的起动转矩，在转子回路接入可以逐级切除的三相启动变阻器，启动变阻器切换使起动转矩保持在所设定的起动转矩最大和最小值之间。起动转矩一般取0.85T左右。参考资料：1 唐介，控制微电机，北京：高等教育出版社，1987年 2 王 东主编，电机学，杭州：浙江大学出版社，1990年 3 李发海等编，电机学，北京：科学出版社，1991年 4 谢桂林，刘允编，电力拖动与控制，徐州中国矿业大学出版社，1997年 5 杨长能主编，电机学，重庆：重庆大学出版社，1994年完成期限 2011.7.14至2011.7.24 指导教师 专业负责人 2011年 7 月 11 日电气工程课程设计（报告）目 录1 设计要求12绕线型异步电动机转子串电阻起动设计原理12.1 工厂实际情况的介绍12.2 工厂负荷计算和无功补偿计算32.3 主要车间配电系统的确定53 电气设备选择与电器校验73.1 主要电气设备的选择73.2 电器校验84 继电保护系统的设计124.1 继电保护的选择、整定及计算124.2 防雷与接地125 变电所平面布置设计及设计图样135.1 变配电所平面布置设计135.2 设计图样14结 论15参考文献161 设计要求（1）进一少巩固和加深“电机与拖动”课程的基本知识，了解绕线型异步电 动机转子串电阻起动设计知识在工程实际中的应用。（2）综合运用“电机与拖动”课程和等候课程的理论及生产实际知识去分析 和解决。（3）通过计算和绘图，学会运用标准、规范的手册、图册和查阅有关资料等，培养电机设计的基本技能。（4）掌握绕线型异步电动机转子串电阻起动的原理与步骤。（5）培养独立的思维和动手能力。2 绕线型异步电动机转子串电阻起动设计原理2.1三相异步电动机的定义旋转电机都是利用电与磁的互相转化和互相作用制成的。三相异步电动机则是利用三相电流通过三相绕组产生在空间旋转的磁场。2.2三相异步电动机的工作原理为了能形象的说明问题，将定子三相绕组通入三相电流后产生的旋转磁场用一对旋转的磁极来表示，它以同步转速n0顺时针方向旋转。于是，转子绕组切割磁感线而产生感应电动势，它的方向可用右手定则来确定。在N极下，穿出纸面，在S极下，进入纸面。由于转子绕组是闭合的，在交变的感应电动势作用下，其中就有交变的感应电流流动。各导体中的感应电流的有功分量和感应电动势同相，两者的方向一致。根据安培定律，导体中电流的有功分量和旋转磁场互相作用而产生电磁力F，它们的方向按照左手定则来决定。电磁力将对转子产生电磁转矩，推动转子沿着旋转磁场的旋转方向转动。至于转子导体中电流的无功分量，因滞后感应电动势90，根据左手定则，这时电磁力F的作用彼此抵消，不会构成电磁转矩。由于转子与旋转磁场之间有相对运动时，转子绕组才会切割磁感线而产生感应电动势和感应电流，才能产生电磁转矩，所以转子的转速总是小于同步转速，两者不可能相等，故称为异步电动机，又称感应电动机。3异步电动机的结构3.1定子（静止部分）3.1.1定子铁心作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。构造：定子铁心一般由0.350.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组.定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。3.1.2定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）（1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。（2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。（3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。3.1.3机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。3.2转子（旋转部分）3.2.1转子铁心作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心，定子和转子铁心冲片如图所示。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。3.2.2转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子（1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。如图所示。（2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。如图所示。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。3.2.3其他附件1、端盖：支撑作用。2、轴承：连接转动部分与不动部分。3、轴承端盖：保护轴承。4、风扇：冷却电动机。3.3铭牌1）型号 Y112M4Y异步电动机112中心高度（毫米）M机座类别（L长机座、M中机座、S短机座）4磁极数2）额定功率PN指电动机在额定运行状态下运行时电动机轴上输出的机械功率，瓦或千瓦。UN1、IN1、hN、cosjN分别为电动机额定的线电压、线电流、效率、功率因数。3）额定电压UN1指电动机在额定运行状态下运行时定子绕组所加的线电压，单位为V或KV。4）额定电流IN1指电动机加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组中的线电流，单位为A。5）额定转速nN指电动机在额定运行状态下运行时转子的转速，单位为r/min.6）额定频率fN规定工频为50HZ。7）额定功率因数cosjN指电动机在额定运行状态下运行时定子边的功率因数。8）接法指电动机定子三相绕组与交流电源的联接方法。9）防护等级指电动机外壳防护的型式4 转子串电阻的启动过程绕线型异步电动机的转子串联合适的电阻不但可以减小起动电流，而且还可以增大起动转矩，因而，要求起动转矩大或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。容量较小的三相绕线型异步电动机可采用转子电路串联起动变阻器的方法起动。起动变阻器通过手柄接成星形。起动先把起动变阻器调到最大值，再合上电源开关S，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除，使转子绕组短接。容量较大的绕线型异步电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中都有较大的起动的转矩和较小的起动电流。现以两级起动为例介绍其起动步骤和起动过。原理电路和机械特性如图1所示。图中机械特性只画出了每条特性的nM段，并近似用直线代替。起动步骤如下：4.1串联起动电阻R和R起动起动前开关S和S断开，使得转子每相串入电阻R和R，加上转子每相绕组自身的电阻R，转子电路每相总电阻为R= R+R+R然后合上电源开关S，这时电动机的机械特性为图中的特性，由于转动转矩T远大于负载转矩T，电动机拖动生产机械开始起动，工作点沿特性a由b点向c点移动。图a图b4.2切除起动电阻R当工作点到达c点，即电磁转矩T等于切换转矩T时，合上开关S切除起动电阻R转子每相电路的总电阻变为：R=R+R这时电动机的机械特性变为特性d。由于切除R的瞬间，转速来不及改变，故工作点由特性a上的c点平移到特性d上e点，使这时的电磁转矩仍等于T，电动机继续加速，工作点沿特性由e点向f点移动4.3切除起动电阻R 当工作点到达f点，即电磁转矩T等于切换转矩T时，合上开关S切除起动电阻R。电动机转子电路短接，转子每相电路的总电阻变为：R=R机械特性变为固有特性g，工作点由f点评至h点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于T,电动机继续加速，工作点沿特性g由h向i移动，经过i点，最后稳定运行在P点.整个起动过程结束。5起动级数未定时起动电阻所计算5.1选择起动转矩T和切换转矩T一般选择T=(0.8-0.9)TT=(1.1-1.2)T5.2求出起动转矩比= T/ T5.3求出起动级数m利用图所示起动过程中的机械特性，根据集合关系推导起动级数m所计算公式如下：由特性2与水平虚线构成的直三角形求得。T/ T=(n-n)/(n-n)=S/ST/T=(n-n)/n-n）=S/S式中n和n是工作在h点和i点时的转速，n是T与特性g交点在的转速（即临界转速）。S,S和S是与之对应的转差率。同理可以求得TS1/T=S/S =S/S= S/ ST/T=S/S=S/S=S/ S由于S= S,对应两式相除，可得=T/T=S/S= (R/ X2)/ (R/ X2)= R/ R由于S=S=TS1/T=S/S= R/ X/ R/ X= R/ R可见R=RR=R所以 R= R=R若是m级起动，则R=R =R式中R2m= R+R+R+R因此=由前面的分析还可以得到S/S=S/SS=S若是m级起动，则S=R/R此外，在固有特性c上工作时Ts1/T=S/SS= S将这些关系带入公式，可得=两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式M=若m不是整数可取相近整数5.4重新计算，校验T,是否在规定范围内若m是取相似整数，则需要重新计算，并求出T，校验T是否在式所规定的范围之内。若不在规定范围内，需加大启动级数m,重新计算和T,直到T满足要求为止。5.5求出转子每相绕组的电阻R转子每相绕组的电阻可以通过实测或者通过名牌上提供的转子绕组额定线电压U和转子绕组的额定线电流I进行计算。由于转子绕组为星形连接，相电流等于线电流，因此，在额定状态下运行时由于S很小，SX可以忽略不计，则I=因此求得R2的计算公式为R=5.6计算各级总电阻由前面的分析知道R=RR=RR=R=RR=mR4.7求出各级起动的电阻R=R-RR=R-RR=R-R具体设计如下： 选择起动转矩T1切换转矩T2T=150N.mT=a T=2.3*150N.m=345N.mT=(0.8-0.9) T=(0.8-0.9)*345=(276-310)N.mT2=(1.1-1.2)Tl=(1.1-1.2)*100取T=280N.m,T2=120N.m求出起切转矩比=T1/T2=280/120=2.3=2.17 求出起动级数m(n0-n0)/n0=750-740=0.013m=1.6/0.36=4.4取m=4. 重新计算,检验T2是否在规定范围内=T2=T1/=280/2.5=110.5T2基本在规定范围之内.由于T1.1T,所以所选m和合适.求出转子每相绕组电阻R2R=计算各级总电阻R=R=2.5*0.045=0.113R=R=2.5*0.113=0.283R=R=2.5*0.283=0.707R=R=2.5*0.707=1.768求出各级起动电阻R= R- R=（0.113-0.0453）=0.0677R=R-R=（0.283-0.1113）=0.17R= R- R=（0.707-0.283）=0.424R=R24-R23=1.768-0.707=1.06113电气工程课程设计（报告）参考文献1 唐介，控制微电机M，北京：高等教育出版社，1987年 2 王 东，电机学M，杭州：浙江大学出版社，1990年 3 李发海，电机学M，北京：科学出版社，1991年 4 谢桂林，刘允，电力拖动与控制M，徐州中国矿业大学出版社，1997年 5 杨长能，电机学M，重庆：重庆