绕线型异步电动机串级调速

1、辽宇工程技术人学电机与拖动课程设计1绕线型异步电动机的基本结构和工作原理1.1绕线型异步电动机的基本结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们 都山定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外, 还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。集电环图1-1绕线型异步电动机的结构1.1.1定子部分定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般山外壳、定子铁心、定子绕 组等部分组成。a 外壳三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。机座:铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、 小型三相电动机的机座还有两个端

2、盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重 要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。 端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子 能够在定子中均匀地旋转。轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移 动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。1王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。b定子铁心异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分,III 0. 35mm05mm厚表面涂有绝缘 漆的薄硅钢片叠压而成，

3、如图1-2所示。山于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘 的，所以减少了山于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布 的槽口，用来嵌放定子绕圈。定/冲片定J铁心1-2图定子绕组C定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流 时，就会产生旋转磁场。三相绕组山三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组乂山若干线圈连接。电角度。线圈山绝缘铜导线或绝缘120而成。每个绕组即为一相, 每个绕组在空间相差铝导线绕制。中、小型三相电动机多釆用圆漆包线，大、中 型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定 规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组。这六个，W, V,

4、W，末端分别标为的 六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为Ik沁1-3出线端在接线盒里的排列 如图所示，可以接成星形或三角形。内部连接星形联接1-3三角形联接图2辽宁工程技术人学电机与拖动课程设计1.1.2转子部分转子铁心是用05mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同, 一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。绕线形绕组与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引岀线分别 接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有 可能在转子电 。1-4路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见图Di Ui Di31 一集电环；2电刷：3变

5、阻器 图1-4绕线形转了与外加变阻器的连接1.1.3其他部分其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用 以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间 的空气隙，一般仅为02mm气隙太大，电动机运行时的功率因数降低； 气隙太小，使装配困难，运行不可幕，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增 加以及使启动性能变差。3王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速1.2绕线型异步电动机的工作原理1.2.1三相交流电机的旋转磁场三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋 转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。如图1-5所示，UU, W, W

6、W为三相定子绕组，在空间彼此相隔120 ,接成Y 形三相绕组的首端U, V, W接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三 相绕组。设电源瘁的相序为U, V, W,的初相角为零，如图1-5波形图所示。图1-5三相交流电流波形图设：i=siii wtii=sin(wt 120 ) 2i=sin(wt+120 )3为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时, 在绕组中从末端流向首端。的瞬间，i二0,i为负值，iwt二0当为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所 产4辽宇工程技术人学电机与拖动课程设计生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图1-6所示，可见此时的合成磁 场

7、是一对磁极(即二极)，右边是极，左边是S极。U18 wt=Owt=901-6二极旋转磁场图空间120度对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场 为极对数P二1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距； 某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。时，即经过1/4周期后，山零变成正的最大值，i仍为负值，当wt二90i已变 成负瘁时相比，已按逆时针方向转过了 90 o所示，这时合成磁场的方位与wt二0 值，如图l-6s ,当时，合成磁场就转过了 180应用同样的方法，可以得出如下 结论：当wt二180。时合成磁）所示；当wt=360 （时合成磁场方向旋转T

8、 300 ,如图3. 6wt=300d场旋转了 360 ,即转1周。由此可见，对称三相电流i、i、i分别通入对称三相绕组uu, VV, W中所形成 注4,的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极 时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即 转速减慢了一半。山此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为2p）,交流电每变化一个周期， 其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速 nl 定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是n=60po 11.2.2三相电动机的转动原理三相交

9、流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n=60f/po旋转磁 场的、磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。 转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且 某时刻为上为北极N下为5王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速南极S,如图1-7所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向 山里向外，用O表示；在下半部则山外向里，用表示。图1-7三相电动机的转动原理原理：定子旋转磁场以速度n切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在 转子。导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n 顺n方向旋转（电。动机左手定则）

10、，并从轴上输出一定大小的机械功率。（n不 能等于n）特点：电动机内必须。有一个以n旋转的磁场。一实现能量转换的前提； 电动运行时n恒不等于n （异步）一必“要条件建立转矩的电流山感应产图1-8异步电动机的模型流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力F的方向可用左手定则确定, 如图1-7所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋 转磁场的方向旋转起来，转速为n。三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n。因为只有这样，转 绕组，与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生 感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转

11、。 山此可见n不等于m且:nn,是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称 也山此而来。切晌 即之差与同步转速之比称为异步电动机的转差率旋转磁场 转速与转子转速nS=(n-n)/n：转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和 计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机处于 电动状态运行时，电磁转矩T和转同向。转子尚未转动时，n二0, s二1；当n二n 时，s二0速，可知异步电动机处于电动状态：s22式中的E和E相加，引入E的瞬间，I增加，使得T增大，TT, 转速n上升，转差率5=涙s减小，使得I 乂开始减小，T随之减小，直到重新T二T 为止，电动机便在此原来高的转口速下稳

12、定运行。串入的E越大，转速n越高。 “当E与E频率相等，相位相反时，上式中的E和E相减，引入E瞬间，I减小， 沁沁使得T减小，TT,转速n下降，转差率s增加，使得I 乂开始增加，T随 之增加，直到次重新T二T为止，电动机便在比原来低的转速下稳定运行。串入的 E越大，转速n越低。上图2-3串级调速的机械特性由于I是由E和E产生的。可以看成I由E和E两者分别产生的两部分电流组成， 沁它们与旋转磁场相互作用分别产生电磁转矩。当E和E相位相同时，两部 分电流相位相心同，它们所产生的电磁转矩方向相同，在同一转速下T增加； 当E和E相位相反时，两沖8辽宁工程技术犬学电机与拖动课程设计部分电流相位相反，它们

13、所产生的电磁转矩方向相反，在同一转速下，T减小。 因此，串级调速的机械特性如图2-3所示。E不同时，特性差不多是上下、左右 平移。附加电动势E的引入问题，可通过晶闸管电路来实现。.串级调速的主要性能如下：a调速的方向既可以往上调，乂可以往下调。b调速的平滑性好，可实现无级调速。c调速的稳定性好，机械特性的硬度不变，只要调速不是太低，静差率不会太 大。d调速的经济性方面，初期投资大，但运行费用不大，效率高。e调速范围广。f调速时的允许负载为恒转矩负载，因为调速时的m和cos “不变，所以 1=1时s的转矩T不变。9王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速3选择串级调速方式，计算各种参数图3-1串级调速

14、主电路原理图10辽宁工程技术人学电机与拖动课程设计3. 1 异步电动机容量的选择考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低, 功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设讣的或是改造的都应对异 步电动机的容量进行重新选择的汁算，串级调速异P计算如下：步电动机的容 量P*P?Kd：左右。对于在长期低速运行的吊级调速系统,1.2K式中：串级调 速系数，一般取，应该取大一点。:按照常规运算方式计算的电动机容量。Ko从产品手册中选择的电动机容量P 2 P”基本结构ICOb基本防护等级为 IP23,基本冷却方法为该电机定额为连续定额S1。和安装方式为IBM3 3-1 衣控制电机型号JRNT1512-4额定

15、功率1050KW额定电流121.5A1045V/627A /电流转了电压最低转速最高/1484/690 r/min效率88.5%0.83功率因数控制装置型号JC4SOOA-SOOV3.2转子整流器的参数计算与元件选择(1)最大转差率OI1I1I1? Smaxlminl?D 1 ? IllUlniaxDmmlmm Jk.屮：n :电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。m：帘级调速系统的最低工 作转速-D :调速范围转差率s = (1500-1484) /1500 = 0.01=(1484 一 690)/ 1484 = 0.535 s 最大转差率唤D=n/n= 1484/690 = 2.15

16、min max (2)转子整流器的最大输出电压1 )1?E?U3K(_式中：E：转子开路相电势20K：整流电压计算系数，见表王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速3-2变流器主电量计算系数农符号KrTKutKuvKivKilKstKiK三相带中线0.36720.670.5770.4721.3510.866三相桥0.36721.350.8130.8161.0520.5双三相桥串联0.36722.70.8161.5781.0340.52 0.26双三相桥并联0.36721.350.4080.7891.0310.52 0.26则 U= 1.35*1045*(1-1/2.15) =755 Vdmax (3

17、)最大直流整流电流Ln? I1?I?1.11.占沁dKiv式中：X :电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2J：转子线电流额定值次K :整流电压计算系数，见上表xv I：转子整流器输出直流电流额定 值I二I / K鬧考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数，则 1= 1.1*2*627/0.813 = 1697 A込3 3整流二极管的选择整流二极管电压的选择：设每个桥臂上吊联的整流二极管数LI为?二3,则每个二极管的反向重复峰值u为: 1）1?3KE（23） 2outDU?krmNKp矽式中：K： 电压计算系数，见上表nE：转子开路相电势:nK :均压系数，一般取0.9。对于元件不要串

18、联时取1战山上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D有 关，调速范围越高，元件承受的电压越高则：1.5*1.35*1045*（1-1/2.15）/ （0.9*3） =419VUkrm在大容量串级调速系统中，需要将儿个整流二极管并联使用。设并联支路数为 N= 3,则每个整流二极管的电流计算如下：12辽宁匸程技术人学电机与拖动课程设计（1.52）KIt ?IFNk?Ac3-2:电流计算系数，见表式中：K :转子整流器最大直流整流电流I glo对于元件不并联的情况下取：均流系数。其值可取0.8、0.9逆变变压器的参数计算.43对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、

19、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配：同时也希望转子电路与交流电网 之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。）逆变压器 二次侧线电压：（1根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的 原则确定：U4U 2t?COSKminuv :逆变变压器二次侧线电圧式中：Ik U：转子整流器最大输出直流电压3:整流电压计算系数。见上表。K.o 30 P：最小逆变角，一般取2）逆变变 压器二次侧线电流：（PIKdNIXT：:逆变变压器二次侧线电流式中：:整流电流计算系数。见上表Kn-:转子整流器输出直流电流额定值I ）逆 变变压器一次侧线电流：（3IidK?I ilitKt I：

20、逆变变压器一次侧线电流式中：T1K：变压器一次侧线电流计算系数。见上表a逆变变压器的变比K： r ）逆变变压器等值容量：（4 IKUS?KiT2Td3-2 :变圧器等值容量计算系数，见表式中：K “晶闸管的参数计算3. 51）晶闸管额定电压的选择（在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电丿玉不能满足要求，需要儿个晶则每个晶闸管反向重复电圧山下式,设每 个串联桥臂上晶闸管的数目为闸管串联使用。确定：13王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速（23）KUt2ut ?U rrmNKap电压计算系数，如上表：式中：KUT1 o对于元件不需串联的情况下取均压系数，其值可取0.80.9KAV :逆变变

21、压器二次侧线电压UT2）晶闸管额定电流的选择2:,则每个晶闸管的额定电流为设每个桥臂并联元件支路数为pI）K52（ls?I fNKpac KIT :电流计算系数，见上表式中：Idmax :转子整流器最大直流整流电流10.80.9。对于元件不并联的情况下取KAC :均流系数。其值可取 平波电抗器电感量的计算3. 6转子直流回路平波电抗器的作用是：一，使串级调速在最小工作电流下仍能维持 电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成 的附加损耗控 制在允许的范围内。平波电抗器的电感量计算如下：保证电流 连续所需要的电感量aUK332TUV? KL?*L?K?L10 LMEr

22、ilwImmd正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查：61式中：逆变变压器二次侧线电压UT2:系数，见上表 KUVA） Idmin :直流回路最小丄作电流（异步电动机折算到转子侧的每相电感 量（： LM逆变变压器折算到二次侧的每相电感量：LT0. 100.090.080. 070.060. 050. 040. 030. 020. 01入运行。38继电器接触器控制电路设计继电器接触器控制电路设计是否合理，关系到串调装置能否按正确的顺序起动、 切换、运行、停车，还关系到装置的安全及元件的使用寿命。在设计中要注意以 下儿点：15王灿祥：绕线型异步电动机的串级调速必须有严格的起动和切换顺

23、序。山于串调装置中硅元件的耐爪等级是按照调速范 围最低转速时所承受的电压来选择的，故继电操作电路必须保证电动机转速在达 到规定的最低转速以上时才允许切换至吊调运行状态。起动顺序是：给控制回路 送电;接通逆变器主电源转子接入频敬变阻器,接通定子电源，电动机开始起动， 电动机加速至规定转速时切换至吊调运行，此后立即切断频敬变阻器。必须有正确的停车顺序。一般绕线式异步电动机空载励磁电流较大，为电动机额 定电流的25%左右，这意味着电动机有较大的磁场能量。因此在电动机分闸时 不允许转子开路.否则转子侧将产生严重过电压，棋至击穿电动机绝缘。停车时 也不允许切除所有电源，应保证逆变器比整流器迟脱离电网。停车顺序为：使吊 调装置脱离电动机转