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河海大学文天学院课程设计报告题目专业、学号授课班号学生姓名指导教师完成时间摘要本文首先分析了三相异步电动机的工作原理及稳态工作特性，然后分析了三相异步电动机的启动特性及影响三相交流异步电动机启动特性的因素。所谓星-三角启动即工作时通过改变电机的接线方式而改变起动电压，从而降低启动电流。本设计用于控制电机定子绕组由“星形”至“三角形”的换接启动、运行及停止。采用星-三角启动方式时，电流特性很好，适用于无载或者轻载起动的场合。同任何别的降压启动方式相比，其结构最简单，价格也最便宜。除此之外，星-三角启动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高。关键词：三相交流异步电动机；接触器；降压启动；星-三角启动课题意义异步电机的应用非常广泛，根据统计，在电网中，异步电机用电占总动力负载中的70%，容量从几十瓦一直到几千瓦。虽然异步电机具有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点，但相对欠缺的是其启动性能和调速性能。调速性能随着变频技术的发展，已经得到了很好的解决，所以起动性能是当前和将来最关心的，如果启动过程中措施不到位或起动方式不对，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。二、主要任务：掌握三相交流异步电动机的启动特性影响三相交流异步电动机启动特性的因素三相异步电机主要起动方式比较Y-Δ启动的原理Y-Δ启动时的系统性能研究（电流、转矩）三相异步交流电机的Y-Δ启动控制电路设计与分析Y-Δ启动实现方法（选做，视实验条件）1三相交流异步电机运行原理及特性2.1三相交流异步电机的基本结构三相交流异步电机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分，在定子和转子之间有一定的气隙，叫空气隙。定子由铁芯、绕组和机座三部分组成。定子铁芯是电机磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片自间是绝缘的，以减少涡流损耗。硅钢片的内圈冲有定子槽，槽中安放绕组，铁心被叠压后成为一整体，固定于机座上。定子绕组是电机的电路部分，由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边，分放在两个槽里。三相对称绕组AX,BY,CZ可连接成三角形或星形。机座主要用于固定和支撑铁芯定子。转子由铁芯和绕组组成。转子铁心压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，转子铁心也是电机磁路的一部分。异步电机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊接在两个铜端环上组成，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成。异步电机的绕组除了鼠笼式还有线绕式。线绕式转子绕与定子绕组一样，转子绕组一般是连接成星形的三相绕组转子绕组组成的磁极数与定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能和调节转速。三相交流鼠笼式和线绕式异步电机转子构造虽然不同，但其工作原理是相同的。2.2三相交流异步电机的工作原理直流电动机是通过一静止的磁场与通入电枢绕组中的电流相互作用而产生一恒定方向上的电磁转矩使电机转动。而异步电机是通过一旋转的磁场与感应在转子绕组内所产生的电流相互作用而产生电磁转矩来实现转动。图2.2三相异步电动机的工作原理定子上装有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把他们连接成一个整体。当定子接通三项电源后，即在定子、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场顺时针方向旋转，导体相对磁体为逆时针方向切割磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为出来的，用⊙表示；下半边导体感应电势的方向为进去的，用⊕表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，其方向与电势相同。载流导体在磁场中再受到磁力作用，其方向由左手定则确定。这样，在转子导体上形成一个顺时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动。综上，三相异步电动机能够转动的必备条件：一是电动机的定子必须产生一个在空间不断旋转的旋转磁场，二是电动机的转子必须是闭合导体。2.3三相异步电动机工作特性异步电动机的电磁转矩T是由载流导体在磁场中受电磁力的作用而产生的，它使电动机旋转，三相异步电动机的电磁转矩T可以用电磁功率PM和同步角速度ω1表示，即式中,ω1=2πf1/p，p为极对数。根据三相交流异步电动机的简化“Г”型等效电路，图2.3.1三相交流异步电动机的简化“Г”型等效电路有二式可得由于三相交流异步电动机的转子参数、电源频率f1及电源电压U1一定时，上式即表明异步电动机的电磁转矩T只与转差率s有关，因此可用函数式T表示，称为异步电动机的转矩特性，画出其图象则称为转矩特性曲。如图2所示：额定转矩TN对应的转差率即额定转差率sN最大转差率Tm对应的转差率即临界转差率sm当电动机的输出转矩T2用牛·米(N·m)作单位，旋转角速度ω用弧度/秒(rad/s)作单位时，输出功率P2的单位是瓦特。在电动机中计算转矩时输出功率P2的单位是千瓦(kW)，转速n的单位是转/分(r/min)，可以将计算公式简化，在额定状态下转矩公式为:。图2.3.2异步电动机的机械特性曲线如上图三相异步电机的机械特性曲线有三个特殊点，即图中的A、B及C三点。同步运行点A该点T=0，n=n1=60f1/p,s=0。此时电动机不进行几点能量转换。最大转矩点B该点电磁转矩为最大值Tm，相应的转差率为sm。当ssm时，随T的增加s也增大，转速下降，机械特性曲线n=f（T）的斜率为负；ssm时，随T增大，s减小，n升高，机械特性曲线的斜率为正。所以最大转矩点是三相异步电机机械特性曲线斜率改变符号的分界点。因此，称sm为临界转差率。启动点C该点s=1，n=0，电磁转矩为初始启动转矩Tst。电动机在旋转时，作用在轴上的有两种转矩，一种是电动机产生的电磁转矩T，一种是生产机械作用在轴上的负载转矩TL（其它如摩擦转矩忽略不计），当T=TL时，电动机便以某种相应转速稳定运行；当T＞TL时，电动机则提高转速；当T＜TL时，电动机将降低转速。异步电动机的机械特性参数（1）额定转矩：额定转矩T是指电动机在额定状态下工作时，轴上输出的最大允许转矩。电动机的额定转矩可根据电动机铭牌的额定功率和额定转速用公式来求得。（2）最大转矩与过载系数电动机的额定转矩TN应小于最大转矩Tm，而且不许太接近Tm，否则，电动机略一过载，电动机便停转，因此，一般电动机的额定转矩较最大转矩小得多。把最大转矩与额定转矩的比值称作过载系数λ，它是表示电动机过载能力的一个参数。（3）启动转矩与启动能力电动机的起动转矩Tst是指电动机刚启动瞬间(n=0，s=1)的转矩。将s=1带入得启动转矩可见初始启动转矩Tst具有以下特点：a．在给定的定子频率及三相交流异步电机参数的条件下，Tst与电压U1的平方成正比。b．在一定范围内，增加转子回路电阻r‘2，可以增大启动转矩Tst。c．当U1、f1一定时（x1+x‘2）越大，Tst就越大。启动转矩与额定转矩之比可表示起动能力，用启动转矩倍数来表示，是标明异步电动机启动性能的重要指标。空载或轻载启动的电动机，启动能力为1～1.8，一般的电动机启动能力为1.5～2.4，在重负荷下启动的电动机，要求有大的启动转矩，故启动能力可达2.6～3。2.4三相交流异步电动机启动时的要求三相异步电机启动应该满足以下基本要求1）电动机有足够大的启动转矩;2）一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好;3）启动所需设备简单，操作方便;4）启动过程中功率损耗越小越好。2.5三相交流异步电动机启动问题电动机的启动特性中最主要的是它的启动转矩。设启动转矩为Tst，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩TL加上静摩擦阻力。图2.5：电动机负载特性曲线上图中曲线1表示异步机的T-s曲线，曲线2和3表示（如图4）两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求a点在b点或c点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个启动过程中，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩T在整个启动过程中大于负载的制动力矩TL。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越快。惯量大得机械，起动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。电动机起动特性的另一个问题是起动电流，在起动时电流的大小可以用等值电路来求得。异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍。起动电流太大的影响是：一方面将影响电源的电压，太大的起动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在起动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电机的运行。另一个方面，大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的转动惯量J较大，起动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机起动的要求是不同的，须看负载的特性，电网的情况等因素而定。有时要求有大的起动力矩，有时要求限制启动电流的大小，有时两个要求须同时满足。总的来说，要考虑下列各问题：a.应该有足够大的启动转矩，适当的机械特性曲线；b.尽可能小的启动电流；c.启动的操作应该很方便；所用的启动设备应该尽可能简单、经济；启动过程中的功率损耗应尽可能的少。2.6工业生产机械不同的启动条件用电动机拖动的生产机械有不同的起动条件，有些机械在起动时负载力矩很小，随着速度的增大力矩渐增大到额定值，这些负载的例子如鼓风机，它的负载力矩差不多和转速的平方成正比，起动时只需克服一些静摩擦力矩。有些机械在起动时负载力矩就和额定转速时一样大，这类的例子象卷扬机等起重设备。有些机械则在起动过程中负载较轻，等速度高起来以后再加上负载，例如机床等。此外，起动的频繁程度也是需要考虑的因素。有些机械起动次数少，有些则不断地停而又再起动。这一切因素都将电动机起动性能提出不同的要求。2.7三相交流异步电机启动方法介绍2.7.1直接启动直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上。在变压器容量允许的情况下，三相鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。三相交流异步电动机单向启动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制，过大启动电流可能会使电压下降，影响在同一电网上其他设备的正常运行。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。2.7.2软启动以上几种降压启动的方法是有级启动，启动的平滑性不高，应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动，这种方法称为软启动。软启动分为磁控式和电子式两种。磁控式故障率高，已被电子式取代。启动过程电机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压安指定要求上升，被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压，转速相应由零上升到规定转速。软启动能保证电机在不同负载下平滑启动，减少电机启动对电网冲击，又降低对自身承受的较大结构冲击力。软启动可以设定起始电压、上升方式、启动电流倍数等参数，以适用重载、轻载启动不同情况。2.7.3串电阻（或电抗）降压启动在三相交流异步电动机启动过程中，常在三相定子电路中串接电阻（或电抗）来降低定子绕组上的电压，使电动机在降低了的电压下起动，以达到限制起动电流的目的。一旦电动机转速接近额定值时，切除串联电阻（或电抗），使电动机进入全电压正常运行。这种线路的设计思想，通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻（或电抗）以完成起动过程。在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自动控制来加以实现。2.7.4自耦变压器降压启动在自耦变压器降压启动的控制线路中，限制电动机启动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。自耦变压器的初级和电源相接，自耦变压器的次级与电动