绕线异步电动机串电阻起动设计剖析

1、4绕线异步电动机串电阻起动设计电机与拖动课程设计报告课程名称：电机与拖动课程设计设计题目：绕线式异步电动机串电阻启动 院 系：班 级：设计者：学 号：同组人：指导教师：设计时间：2015.11.26绕线异步电动机串电阻起动设计设计题目一台绕线式异步电动机，丫/y接法。已知数据为：Un=380V,nN=1460 r/min , Ri =R2 =0.02 QXi o=X2ff=0.06 QKi= Ke=2, xm = 3.6Q。试求：设计内容：1、若要求启动电流是lst=2.5k，求最大的串联电阻并设计其起动级数并计算每级的电 阻值。2、 最大允许的起动转矩T1=1.8Tn ,起动切换转矩T2=T

2、n,试设计其起动级数并设计其 起动级数并计算每级的电阻值。3、 用SIMULK设计串电抗器直接启动仿真模型，测出定/转子电流、转速和转矩的变 化过程。第1章异步电动机工作原理当三相异步电机接入三相交流电源时， 三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。 根据电磁力定律，载流的转子导体在 磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便 向外输出机械能。转子和旋转磁场之间转速差的存在是异步电动机转动的必要条件，转速 差以转差率s衡量的s二删

3、 X100%1.1旋转磁场设将定子三相绕组联成星形接法，三相绕组的首端u1、v1、w1分别与三相交流电的相 线a、b、c相连接。为了讨论方便，选定交流电在正半周时，电流从绕组的首端流入，从 末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋 转磁场。定子三相对称绕组中通以频率为 仁的三相对称电流便会产生旋转磁场。旋转磁 场的转速由下式确定式中，p为电机的极对数。n0又称为同步转速旋转磁场的转向由三相电流通入三相绕组的相序决定。改变电流相序，旋转磁场的转向随之改变。1.2异步电动机结构Y形的电阻，或直接通过短路端环短三相异步电动机主要由静止的和转动的两部分构 成，其静

4、止部分称为定子。定子是用硅钢片叠成的圆筒形铁心，其内圆周有槽用来安放三 相对称绕组：三相对称绕组每相在空间互差 120°,可联接成丫形或形。三相异步电动 机转动的部分称为转子，是用硅钢片叠成的圆柱形铁心，与定子铁心共同形成磁路。转子 外圆周有槽用以安放转子绕组。转子绕组有鼠笼式和线绕式两种。鼠笼式：将铜条扦入槽 内，两端用铜环短接，或直接用熔铝浇铸成短路绕组。线绕式：安放三相对称绕组，其一 端接在一起形成丫形，另一端引出连接三个已被接成路。1.3定子定子铁芯：导磁和嵌放定子三相绕组：0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成；内圆均匀开 槽；槽形有半闭口；半开口和开口槽三种：适用于不同的电机定

5、子绕组：电路；绝缘导线绕制线圈；由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组交流电机的定子绕组称为电枢绕组机座：支撑和固定作用；铸铁或钢板焊接定子模型1.4转子转子铁芯：导磁和嵌放转子绕组；0.5mm硅钢片；外圆开槽转子绕组：分为笼型和绕线型两种笼型绕组：电路；铸铝或铜条优缺点绕线型绕组：对称三相绕组：星接；集电环优缺点气隙：气隙大小的影响：中小型电机的气隙为0.2m m2mmsrA(f)图2 转子模型第2章电动机的起动指标起动是指电动机从静止状态开始转动起来，直至最后达到稳定运行。对于任何一台电动机，在起动时，都有下列两个基本的要求。2.1起动转矩起动转矩要足够大。堵转状态时电动机刚接通电源，转子

6、尚未转动时的工作状态，工 作点在特性曲线上的S点。这时的转差s=1,转速n=0,对应的电磁转矩Tst称为起动转矩。堵转状态说明了电动机的直接起动能力。因为只有在Tst>TL<一般要求Tst> （1.11.2）Tl，电动机才能起动起来。Tst大，电动机才能重载起动；Tst小，电动机只能轻载，甚至空 载起动。所以只有Tst三Tl时，电动机才能改变原来的静止状态，拖动生产机械运转。一般 要求Tst> （1.11.2） Tl。Tst越大于Tl，起动过程所需要的时间就越短。2.2起动电流对三相异步电动机来说，由于起动瞬间s=1,旋转磁场于转子之间的相对运动速度很大，转子电路的感应

7、电动势及电流都很大，所以起动电流远大于额定电流。在电源容量与电动 机的额定功率相比不是足够大时，会引起输电线路上电压的增加，造成供电电压的明显下 降，不仅影响了同一供电系统中其他负载的工作，而且会延长电动机本身的起动时间。此 外在起动过于频繁时，还会引起电动机过热。在这两种情况下，就必须设法减小起动电流。绕线异步电动机串电阻起动设计第3章起动过程(以二级起动为例)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

8、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 n1M段，并近似用直线代替。起 动步骤如下：3.1串联起动电阻Rsti和Rst2起动起动前开关Si和S断开，使得转子每相串入电阻 Rsti和Rst2，加上转子每相绕组自身的电 阻R2，转子电路每相总电阻为R22 二 R2 Rsti Rs

9、t2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Tst远大于负载转矩Tl，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。ni5152RstiR st2AD(b)机械特性图3(a)电路图19绕线异步电动机串电阻起动设计3.2切除起动电阻R st2当工作点到达C点，即电磁转矩T等于切换转矩Ts2时，合上开关Si切除起动电阻 转子每相电路的总电阻变为：R21 = R2 Rsti这时电动机的机械特性变为特性 D。由于切除Rt2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Tsi，电动机继续加速， 工作点沿特性由E点向

10、F点移动。3.3切除起动电阻Rsti当工作点到达F点，即电磁转矩T等于切换转矩Ts2时，合上开关S切除起动电阻Rsti。 电动机转子电路短接，转子每相电路的总电阻变为：R20 = R2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Tsi,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。第4章起动级数未定时起动电阻所计算4.i选择起动转矩Tst和切换转矩Ts2一般选择Tsi =(0.8-0.9)Tm(4-1)求出起动转矩比BTs2 =(1.1-1.2)Tl(4-2)4.2起动级数mB =Tsi/ Ts2(4-3)利

11、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。Tsi/Ts2 =（口 -几）/（口 -nMg）=Sh/SMg（4-4）Ts2/Tm 二（n 1 'ni） / ni 'nMg ） = Si / SMg（ 4-5）式中nh和m是工作在H点和I点时的转速，nMg是Tm与特性G交点在的转速（即临界转速）。Sh, s 和sMg是与之对应的转差率。同理可以求得：Ts1 /TM=Sb/SMa= 2 /SM=Si/SMg(4-6) (4-7)由于Se二Sc，对应两式相除，可得-=Tsi/Ts2SMa / SMd=(R22 / X

12、2)/ (R21 / X2) = R22 / R21(4-8)由于Sh = Sf- =Ts1 /Ts2 = SMd / SMg=R21 / X2 / R20 / X2/R2/X2 = R21 / R?0(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)所以若是m级起动，则R _：mR _：mR _：mRR2m -R20 -R20 -R2式中R2m = R2Rst1Rst2Rstm因此由前面的分析还可以得到/ SMg - 5 / SMa$McSc1 二耳一若是m级起动，则(4-16)此外，在固有特性 C上工作时TSl /TN = Sg / snTn将这些关系带入1

13、公式，可得P =TnSnT|两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)若m不是整数可取相近整数重新计算B,校验T2,是否在规定范围内若m是取相似整数，则需要重新计算B,并求出Ts2，校验Ts2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B和Ts2 ,直到Ts2满足要求为止2）各级总电阻由前面的分析知道R 20 =R 2R 22 = 3R1 = 3 R 23）各级起动的电阻R stl =R 21 -R 2R st2 = R 22 -R 21stm第5章电机具体设计1、若要求启动电流是lst=2.5IN，求最大的串联电阻并设计

14、其起动级数并计算每级的电阻值。最大允许的起动转矩T1=1.8TN，起动切换转矩T2=TN，试设计其起R2R2KjKe2 2°-020.0 0嗨动级数并设计其起动级数并计算每级的电阻值。由 nN=1460 r/min 得 Snn0 - nN1500 -1460no1500:0.027由 R2 = R2 =0.02 Q X1o=X2a=0.06R2Ki= Ke=2,得 r2=KKt 黔巾005。TemaxUPU12(380 、3)2Tn2二 f1 2(RR2 (xX2；J2)U1 R2 / Sn2二 £ (R R2/SN)2 (Xy X2Q23245N m2二 50 2(0.0

15、2 , 0.022 (0.06 0.06)2)(380 ,'3)2 0.02/0.027一 2 50 (0.02 0.02/0.027)2 (0.06 0.06)21148.06N mIstU1380 .3.(R1 R2m)2 (X X2；)2= 750A、(0.02 R2m)2 - (0.060.06)23.(1) 设 In =300A,则 1st =2.5In =750A。求得 R2m = 0.2471，则UfRm(380 3)2 0.2472-f1(R1R2m)2(cx2922二 50(0.020.247)2(0.060.06)2_2650N m _T在 T =(0.8 Lo.9

16、)Temax =(2596 _ 2920)N m范围内T2 =(1.1.2)Tn =(1263_1378)N m取 T2 = 1300N m，贝=2650/1300 =2.04。lg -,1148.06lg0.027 2650lg2.04二 3.89，取 m=41148.060.027 2650-2.00T2 二T.L =2650/2.00 =1325N m，在规定范围内，合理(3)各级总电阻R21= BR=0.01 qR22= B 2R=0.02QR23= B 3R0.04QR24= BR2=0.08Q(4)各级起动电阻Rst1=R21-R2=0.005 QRst2=R22-R21=0.01

17、 QRst3=R23-R22=0.02 QRst3=R23-R22=0.04 Q4.(1)已知起动转矩T1=1.8Tn,起动切换转矩T2=Tn，则B=T1/T2 =1.8lg :lg10.027 1.8lg1.8:5.14(2 )重新计算1 ,检验T2是否在规定范围内取m=6(2)重新计算-,检验T2是否在规定范围内，m Tn = 61=1.66VnT)W 0.027汉 1.8T2 =T / 0 =1.8/1.66=1.08Tn 在规定范围内(3)求出各级总电阻R21= BR=0.0083QR22= -2R2=0.0134QR23= 3R2=0.023QR24= ：4R22=0.038QR25

18、= 5 R22=0.063QR26= ' 6R22=0.105Q(4)求出各级起动电阻Rsti=R2i-R2=0.0033 QRst2=R22-R2i=0.0051 QRst3=R23-R22=0.0096 QRst4=R24-R23=0.01 5 QRst5=R25-R24=0.025 QRst6=R26-R25=0.042 Q第6章串电抗器直接启动SIMULK仿真1、用SIMULK设计串电抗器直接启动仿真模型，测出定/转子电流、转速和转矩的变化过 程。图4仿真模型结论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。转子回路串三相对称可变电阻起动，这种方法既可限制起动电流，又可增大起动转矩， 串