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：电气工程系班级：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2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，Y/y接法。已知数据为：Un=380V,nN=1460r/min，R1=R2’=0.02Ω,X1σ=X2σ’=0.06Ω,KI=Ke=2，xm=3.6Ω。试求：设计内容：1、若要求启动电流是Ist=2.5IN，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=TN，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=11-nnn×100%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f1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n1=160fp绕线异步电动机串电阻起动设计3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Y形或Δ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Y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；铸铁或钢板焊接图1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0.2mm～2mm绕线异步电动机串电阻起动设计4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stT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stTLT一般要求stT（1.1～1.2）LT，电动机才能起动起来。stT大，电动机才能重载起动；stT小，电动机只能轻载，甚至空载起动。所以只有stT≧LT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stT（1.1～1.2）LT。stT越大于LT，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5n1HIFGECTWATS1Ts2TL0SMRst1Rst2S1S23TD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1stR和2stR起动起动前开关1S和2S断开，使得转子每相串入电阻Rst1和Rst2，加上转子每相绕组自身的电阻2R，转子电路每相总电阻为22212ststRRRR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stT远大于负载转矩LT，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。绕线异步电动机串电阻起动设计6图3(a)电路图（b）机械特性3.2切除起动电阻Rst2当工作点到达C点，即电磁转矩T等于切换转矩2sT时，合上开关1S切除起动电阻2stR转子每相电路的总电阻变为：2121stRRR这时电动机的机械特性变为特性D。由于切除2stR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1sT，电动机继续加速，工作点沿特性由E点向F点移动。3.3切除起动电阻1stR当工作点到达F点，即电磁转矩T等于切换转矩2sT时，合上开关1S切除起动电阻1stR。电动机转子电路短接，转子每相电路的总电阻变为：20R=2R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1sT,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4.1选择起动转矩stT和切换转矩2sT一般选择1sT=(0.8-0.9)MT（4-1）2sT=(1.1-1.2)LT（4-2）求出起动转矩比ββ=1sT/2sT（4-3）4.2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。绕线异步电动机串电阻起动设计71211/()/()/sshMghMgTTnnnnss（4-4）2/11()/)/ssMiMgiMgTTnnnns（4-5）式中hn和in是工作在H点和I点时的转速，Mgn是MT与特性G交点在的转速（即临界转速）。hs，is和Mgs是与之对应的转差率。同理可以求得：1////sMbMaeMkhMgTTssssss（4-6）2SMcMafMgiMgTTssssss（4-7）由于ecss，对应两式相除，可得22222122221//(/)/(/)/sisMaMdTTssRXRXRR（4-8）由于fhSS12212202222120////////ssMdMgTTssRXRXRXRR（4-9）2122RR（4-10）2021RR（4-11）所以222R2120RR若是m级起动，则220202RRRRmmmm（4-12）式中stmststmRRRRR.....2122因此22RRmm（4-13）由前面的分析还可以得到//hMgbMassss（4-14）1MccbMassss（4-15）若是m级起动，则绕线异步电动机串电阻起动设计822/gmsRR（4-16）此外，在固有特性c上工作时1//sNgNTTss（4-17）1gNNTssT（4-18）将这些关系带入公式，可得1NmNTsT（4-19）两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式1lglgNNTsTm（4-20）若m不是整数可取相近整数重新计算β，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β，并求出T2s，校验T2s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β和T2s,直到T2s满足要求为止。2）各级总电阻由前面的分析知道R20=R2R21=βR2R22=βR1=β2R2……Rm2=βmR23）各级起动的电阻R1st=R21-R2R2st=R22-R21绕线异步电动机串电阻起动设计9……Rstm=Rm2-R)1(2m第5章电机具体设计1、若要求启动电流是Ist=2.5IN，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=TN，试设计其起'220.020.00522ieRRKK动级数并设计其起动级数并计算每级的电阻值。由nN=1460r/min得00150014600.0271500NNnnsn由R2=R2’=0.02Ω，X1σ=X2σ’=0.06Ω，Ki=Ke=2，得'220.020.00522ieRRKK。2211max2'2221111232(3803)324522502(())2(0.020.02(0.060.06))empUTNmfRRxx2'2121'2'22211212/s32(3803)0.02/0.0271148.062[(/s)()]250[(0.020.02/0.027)(0.060.06)]NNNURmpTNmfRRxx3.（1）设300NIA,则2.5750stNIIA。1'2'2'22121223803750(R)()(0.02)(0.060.06)stmmUIARxxR求得'20.247mR，则2'21211'2'2221121232(3803)0.24726502[()()]250[(0.020.247)(0.060.06)]mstmURmpTNmTfRRxx在1max(0.80.9)T(25962920)eTNm范围内2(1.11.2)T(12631378)NTNm绕线异步电动机串电阻起动设计10取21300TNm，则122650/13002.04TT。11148.06lglg0.02726503.89lglg2.04NNTsTm，取m=4（2）重新计算,检验2T是否在规定范围内411148.062.000.0272650NmNTsT212650/2.001325TTNm，在规定范围内，合理（3）各级总电阻R21=βR2=0.01ΩR22=β²R2=0.02ΩR23=β³R2=0.04ΩR24=βR22=0.08Ω（4）各级起动电阻Rst1=R21-R2=0.005ΩRst2=R22-R21=0.01ΩRst3=R23-R22=0.02ΩRst3=R23-R22=0.04Ω4.（1）已知起动转矩T1=1.8TN，起动切