《电机与拖动》课程设计——绕线型异步电动机转子串电阻起动设计.doc

摘要进一少巩固和加深“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。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直流电动机调速设计中的一些问题，进行电机设计的训练。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。掌握绕线型异步电动机转子串电阻起动的原理与步骤；培养独立的思维和动手能力。一、绕线型异步电动机转子串电阻起动设计原理本次课程设计的主要内容为绕线型异步电动机转子串电阻起动。为了理解这一课程设计的主要内容，首先必须了解一些与之相关的内容。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。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。二、异步电动机的结构1定子（静止部分） 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。 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）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。2转子（旋转部分） 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。 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）其它附件 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铭牌（如图所示） 1）型号   Y112M4 Y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三相异步电动机包括：鼠笼型和绕线型。绕线型异步电动机的转子绕组与定子绕组一样也是三相绕组，都采用星形联结。它的三个首端分别与转轴上的三个彼此绝缘的铜质滑环相连接。每个滑环上都用弹簧压着一个固定不动的电刷，转子转动时滑环与电刷之间保持滑动接触。转子绕组的三个首端通过电刷引到接线盒中，以便在转子电路中串入附加电阻，改善电动机的起动和调速性能。 起动的定义：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。起动要求：（1）起动转矩要足够大。只有Tst>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）起动电流不要超过允许范围。对三相异步电动机来说，由于起动瞬间s=1，旋转磁场与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降的增加，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。下面来完整地叙述绕线型异步电动机串电阻起动：为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩且减小起动电流，要求起动转矩大或起动频繁的绕线型异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。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。起动前先把起动变阻器调到最大值，再合上电源开关，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，直至全部切除，使转子绕组短接。 容量较小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 的起动转矩和较小的起动电流。一、 转子串电阻起动 图1 图2图1，图2所示为绕线式三相异步电动机转子串电阻分级起动的接线图与机械特性，起动过程如下：1、接触器触点K1，K2，K3断开，绕线型异步电动机定子接额定电压，转子每相电路串入起动电阻Rst1,Rst2,Rst3,加上转子每相绕组自身的电阻r2，转子每相电路总电阻为R3=r2+Rst1+Rst2+Rst3。电动机开始起动，起点为机械特性曲线3上的a点，起动转矩T1TM。2、转速上升工作点由a点到达b点时，电磁转矩T等于切换转矩T2为了加大电磁转矩加速起动过程，接触器触点K3闭合，切除起动电阻Rst3。转子每相电路的总电阻为R2=r2+Rst1+Rst2，这时电动机的机械特性变为特性2。忽略异步电动机的电磁惯性，只计拖动系统的机械惯性，由于切除瞬间转速来不及改变，则电动机运行点从b变到机械特性曲线2上的c点，该点上电动机电磁转矩T=T1。3、转速继续上升，工作点沿特性2由c到d点，电磁转矩T等于切换转矩T2。接触器触点K2闭合，切除起动电阻Rst2，此时转子每相电路的总电阻R2=r2+Rst1。电动机运行点从d平行移到机械特性曲线1上的e点，该点上的电磁转矩T=T1。转速继续上升，工作点沿特性1由e点移动到f点，电磁转矩T等于T2，接触器触点K1闭合，切除起动电阻Rst1，此时转子每相电路总电阻R1=r2，运行点从f变为固有机械特性曲线上的g点，该点上T=T1。4、转速继续上升，工作点沿特性0由g点向h点移动，经过h点，最后稳定运行在j点，整个起动过程结束。上述起动过程中，转子回路外串电阻分三级切除，故称为三级起动T1为最大起动转矩，T2为最小起动转矩或切换转矩。二、作图法计算起动电阻转子串电阻分级起动需要定量计算各级起动电阻的大小，由于三相异步电动机机械特性不是直线，准确计算将会很麻烦。为了简化计算，通常把异步电动机机械特性近似看成直线，这对在0<s<sm范围的机械特性来说，误差不算太大，而s>sm范围，没有运行点，不需要考虑。作图法计算起动电阻首先应作出分级起动的机械特性，然后根据作图的结果，计算各级起动电阻。当起动级数确定时，例如m=6，起动机械特性作图步骤如下：（1） 先画固有机械特性。固有机械特性为过理想空载运行点和额定工作点的直线。理想空载运行点：T=0,n=n1；额定工作点：nN已知，TN=11.55。（2） 确定最大起动转矩T1及切换转矩T2。考虑电源电压可能向下波动，取T1（0.70.8）TM；切换转矩T2(1.31.6)TL。（3） 作第一级起动机械特性。根据T1，确定起动点a(sa=1,Ta=T1)。过a点与理想空载运行点画直线，即为第一级起动机械特性曲线3。（4） 作第二级起动机械特性。根据T2，确定第一级起动机械特性上的切换点b，从b点平行右移找出第二级起动机械特性上的c点(sc=s2,Tc=T1)。过c点及理想空载点画直线，即为第二级起动机械特性曲线2。（5） 作第三级起动机械特性。第二级起动机械特性上的T=T2的点为切换点d，从d平行右移找到第三级起动机械特性上的e点(se=s1,Te=T1)。过e点及理想空载点的直线为第三级起动机械特性曲线1。（6） 完成作图。第三级起动机械特性上T=T2的点为切换点f。三级起动时，从f点平行右移找出g点(ng=gf,Tg=T1)。若g点也为固有机械特性上的点，即g点为三直线焦点时，则作图正确，完成了作图。若g点不在固有机械特性上，则作图不正确，需要修改T1或T2大小，重新作图，直到正确为止。 根据正确作图结果，可以计算各级起动电阻值。为此，先看一个比例关系。机械特性线性化后，方程式为T=s转子回路串入不同的电阻后，若T=常数，则有s sM (r2+R)其中r2+R为转子回路总电阻。或者可以写为=常数利用上面这个比例关系，根据作图结果，可以推导出各级起动电阻的如下计算方法。图1中，T=T1不变，转子回路串入不同电阻值时，则有=令R1=r2+Rst1，R2=r2+Rst1+Rst2，R3=r2+Rst1+Rst2+Rst3，则有=即R1=r2R2=r2R3=r2各级起动电阻则为Rst1=R1-r2=(-)r2=r2Rst2=R2-R1=r2=r2Rst3=R3-R2=r2=r2其中，转子绕组是Y接法，每相电阻按下式计算：r2z2s=式中U2N为转子感应电动势（线值），由电动机铭牌或产品目录给出；I2N为转子额定线电流，由铭牌或产品目录给出；z2s=r2+jx2s=r2+jsNx2，为额定运行时的转子实际阻抗，sN<<1,r2>>sNx2。三、解析法计算起动电阻（一） 起动级数未定时起动电阻的计算1、 选择起动转矩T1和切换转矩T2一般选择T1=(0.80.9)TM T2=(1.11.2)TL 2、求出起切转矩比= 3、求出起切级数m，利用图1所示起动过程中的机械特性，根据几何关系推导起动级数m的计算公如下：由特性0与水平虚线构成直角三角形求出= =式中ng和nh是工作在g和h点的转速，nM0是TM和特性0交点上的转速（临界转速）。sg、sh、sM0是与之对应的转差率。同理可以求得=由于sc=sb对应两式相除，并参照式SM=可得=由于se=sd，对应两式相除可得=由于sg=sf，对应两式相除可得=可见R3=R2R2=R1R1=R0所以R3=R2=2R1=3R0若是m级起动则Rm=mR0=m r2式中Rm=r2+Rst1+Rst2+ +Rstm因此=由前面的分析还可以得到=sg=sa=1×=若是m级起动则sg=此外在固有特性0上工作时=sg=sN将这些关系代入公式可得= 两边取对数便得到起动级数m的计算公式m 若m不是整数，可取相近整数4、重新计算，检验T2是否在规定范围之内。若m是取相近整数，则需重新由式计算，并由式求出T2，检验T2是否在式所规定的范围之内。若不在范围之内，需加大起动级数m，重新计算和T2，直到T2满足要求的值。5、求出转子每相绕组的电阻r2转子每相绕组的电阻可以通过实测或者通过铭牌上提供的转子绕组额定线电压（开路时的线电压）U2N和转子绕组的额定线电流（满载时的线电流）I2N进行计算。由于转子绕组为星形联结，相电流等于线电流。因此，在额定状态下运行时I2N=由于sN很小，sNX2可以忽略不计，则I2N=由此求得r2的计算公式为 r2= 6、计算各级总电阻R0r2R1r2R2=R1=2r2R3=2R2=3r2Rm=Rm-1=mr27、求出各级起动电阻Rst1= R1- r2Rst2= R2- R1Rst3= R3- R2Rstm=Rm-Rm-1（二） 起动级数已定时，起动电阻的计算1、 按式选择T1。2、 按式求出。3、 按式求出T2，并检验T2，T2是否在规定范围内，否则加大起动级数m，重新计算，直到T2符合要求为止。4、 按式求出r2。5、 用最后确定的和m按求出各级总电阻。6、 用求出各级起动电阻。三、课程设计内容某厂一台JR41-4型三相绕线线型异步电动机，用其拖动某生产机械，参数如下：PN=40 KWnN=1432 r/minU2N=297VI2N=88Aamt=2.6欲采用转子电路串电阻起动，起动时的负载转矩：TL=200·m，起动级数m=3。试设计各级起动电阻按如上原理进行计算：解：（1）选择起动转矩TN=× N·m=266.88 N·mTM=MT·TN=2.6×266.88 N·m=693 .89 N·mT1=(0.80.9)TM=(0.80.9)×693.89 N·m=(555.11624.50) N·m取T1=596 N·m（2）求出起切转矩比sN=0.0453=2.146（3）求出切换转矩T2T2= N·m=277.73 N·m由于T2>1.1TL，所以所选m和合适。（4）求出转子每相绕组电阻r2=0.0884 （5）求出各级总电阻R1=r2=2.146×0.0884 =0.190R2=R1=2.146×0.190 =0.408 R3=R2=2.146×0.408 =0.876 （6）求出各级起动电阻Rst1= R1- r2=(0.190-0.0884) =0.102 Rst2= R2- R1=(0.408-0.190) =0.218 Rst3= R3- R2=(0.876-0.408) =0.468 四、设计结论通过本次课程设计使我进一步理解了绕线型异步电动机转子电路串电阻起动的起动过程及起动电阻的计算方法。容量较小的三相绕组型异步电动机可采用转子电路串起动变阻器的方法起动。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。容量较大的绕组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有较大的起动转矩和较小的起动电流。起动电阻可通过画图法和解析法求出。绕线型转子异步电动机不仅能在转子回路串入电阻以减小起动电流增大起动转矩，还可以在小范围内进行调速。因此，广泛地应用起动转矩大或起动频繁的生产机械（如起重吊机和卷扬机等）上。但他的结构比笼型异步电动机复杂，造价高，效率也稍低。在起动过程中，当切除电阻时，转矩突然增大，会在机械部件上产生冲击。当电动机容量较大时，转子电流很大，起动设备也将变的庞大，操作和维修工作量大，为了克服这些缺点，目前多采用频敏变阻器作为起动电阻。五、体会这次是我第一次做课程设计，刚开始我们都认为很简单，现在看来这不是件容易的事情，我们要在掌握基础知识的同时熟练的运用知识，在设计过程中，我发现要真正的理解知识点，不能模棱两可，还要善于总结，才能做好课程设计。作为一名大二的自动化专业的学生，我认为做这样的设计是非常必要的，因为它无论对我们的理论知识还是动手操作能力都是一个锻炼，对我们今后的发展是很有帮助的。在这次设计过程中我收集了大量资料，为这次设计做出了充分的准备。通过这次设计我对绕线型异步电动机转子串电阻起动有了更深刻的理解，还从知识的海洋里发掘了许多以前不曾学过的内容，对本门课程进行了补充和扩展。与此同时，我的独立思考能力也得到了相应的提高，我的打字速度也加快了，学会了很多计算机方面的技能，使我在疲惫的同时，获得了以前从没有过的收获和快乐。通过一周的努力终于结束我的第一次课程设计，在奋斗的过程中我体会到了成功背后的艰辛和困难，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。我希望以后能多有这样的机会做课程设计，使我在熟悉课本知识的同时提高工作效率，培养自己独立设计能力，培养自己成为一个全面发展的高级应用型人才。六、致谢 我的本次电机与拖动课程设计是在孟庆春、王继强、王巍三位老师的细心指导下完成的。他们严肃认真,严谨的治学精神和精益求精的工作作风，深深地感染着我。在完成课题的过程中，老师们始终如一的给予了我细心的指导和不懈的支持。他们一丝不苟的工作作风是我学习工作的榜样，他们循循善诱的教导给予我很多新的构想。在此向老师们致以诚挚的谢意。谢谢七、参考文献电机与传动 高等教育出版社 唐介 主编电机及拖动基础 机械工业出版社 顾绳谷 主编电力拖动原理 华中工学院出版社 李浚源 主编电机与电气控制 机械工业出版社 谭维瑜 主编电力拖动基础 冶金工业出版 任兴权 主编电机学 浙江大学出版社 王东 主编电工使用手册 中国电力出版社 秦曾发 主编课程设计名称：电机与拖动课程设计题 目：绕线型异步电动机转子串电阻启 动设计 专 业： 电气工程与自动化（自动化）班 级： 自动化06-2姓 名： 王园园 学 号： 0605010221辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表学 期第四学期姓 名王园园专 业电气工程与自动化（自动化）班 级自动化06-2课程名称电机与拖动课程设计论文题目绕线型异步电动机转子串电阻起动设计评 定 标 准评定标准分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师王继强时 间2008年7月3日备 注课程设计任务书一 设计题目绕线型异步电动机转子串电阻起动设计二 设计任务RL=0.076 某厂一台JR71-4型三相绕线型异步电动机，用其拖动某生产机械，参数如下：,，.欲采用转子电路串电阻起动，起动时的负载转矩：，起动级数m=3。要求：试设计各级起动电阻。三 设计计划电机与拖动课程设计共计1周内完成。第12天查资料，熟悉题目；第35天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第6天准备答辩；第7天答辩。四 设计要求1设计工作量为按要求完成设计说明书；2设计必须根据进度计划按期完成；3设计说明书必须经指导老师审查签字方可答辩。指 导 教师：孟庆春 王继强 王巍教研室主任：孟庆春 时 间：2008 年 7 月 3日目录一、异步电动机的基本结构1二、异步电动机的工作原理5三、异步电动机的启动指标6四、异步电动机的启动过程10五、起动级数未定时启动电阻的计算14六、起动级数已定时，启动电阻的计算15七、结论八、设计体会16九、致谢17十、参考文献18