6三相异步电动机的启动及调速系统设计与应用

3摘要文章从理论上研究了三相异步电动机的启动方法与调速系统的设计，给出了三相异步电动机在工作时采用了电动机拖动生产机械，有足够大的启动转矩，保证了生产机械正常启动。启动平滑，设备安全可靠，结构简单，操作方便等特点。有许多启动方法，如：直接启动，鼠笼式异步电动机降压启动，三相鼠笼式异步电动机Y-△启动绕线式三相异步电动机的启动及各种运行状态。调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速，这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。关键词：三相异步电动机，电机转速，功率因数安徽工贸职业技术学院毕业设计（论文）2目录摘要..........................................................................1第一章绪论..................................................................3第二章三相异步电动机启动方案............................................42.1三相异步电动机直接启动............................................................................................................42.2.1定子串电抗器启动.....................................................52.2.2星-三角启动..........................................................72.2.3自耦减压启动........................................................92.3绕线式三相异步电动机的启动…………………………………………………………………102.3.2转子串频敏变阻器起动...............................................11第三章三相异步电动机的调速系统..........................................133．1概述...........................................................................................................................................133．2三相异步电动机调速系统的组成............................................................................................13第四章三相异步电动机调速系统的设计与应用.....................................204.1三相异步电动机调压调速系统的工作原理..................................204.2三相异步电动机调速系统的结构原理图以及系统实现............................20结论.......................................................................25致谢.........................................................................25参考文献....................................................................27。3第一章绪论在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度.电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此,调速技术一直是研究的热点。长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此,20世纪80年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高。目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例,1975年在调速领域,直流占80%,交流占20%;1985年交流占80%,直流占20%。到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外,几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压器（TVC）等几种。晶闸管调压方式为最佳。目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。总之，随着现代新技术的发展，电气传动控制技术的发展极为迅速，控制手段不断更新，控制方式日趋优化，其控制技术和装置已成为现代生活的组成部分。全新的数控技术已经使调速技术更加完善，更加以人为本，使控制技术更加先进合理，这种整体的组合将会带来很大的经济效益和社会效益。安徽工贸职业技术学院毕业设计（论文）4第二章三相异步电动机启动方案2.1三相异步电动机直接启动三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的启动。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。三相异步电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大，以保证生产机械的正常启动。缩短启动时间；启动电流要小。以减小对电网的冲击。由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率S＝1，主磁通≈额定磁通的1/2，功率因数cos很小，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流＝（4～7）IN（为起动电流倍数）起动转矩＝TN（0.9～1.3）对于绕线式三相异步电动机的起动转矩TS＜TN。起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差△＝±10%或更严重。这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压U的平方成正比，导致Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。下面两种情况不能直接启动。变压器与电机容量之比不足够大。启动转矩不能满足要求。综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于7.5kw的小容量鼠笼式异步电机。对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法：（1）降低定子电压；（2）加大定子端电阻或电抗；（3）对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电机，可以结构上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。总结：直接起动即全压起动。直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下：1：若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；2：若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。全压起动条件：（1）异步电动机功率低于7.5KW（2）：kf小于或等于1/4乘以3加电源总容量/启动电动机容量直接起动时的影响：（1）起动电流较大，可达额定电流的4～7倍，甚至达到8～12倍。安徽工贸职业技术学院毕业设计（论文）5（2）过大的起动电流造成电机过热，影响电动机的寿命。（3）过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击，绕组变形可能造成短路而烧毁电动机。（4）过大的起动电流会使电网线路电压降增大，对同一线路中的其他电器设备造成影响。2.2三相鼠笼式异步电动机启动2.2.1定子串电抗器启动起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图1——1所示。电源额定电压nU.直接加在短路阻抗kkkjXRZ上，定子侧串入电抗X起动时，每相等效电路如图1——2所示，Un加在（jX+kZ）上，而kZ上的电压是U/。定子侧串电抗起动可以理解为增大定子侧电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的是减小起动电流。在定子侧串入电抗后，其堵转电流为I/s图1---1直接起动图1---2定子串电抗起动kkNsZUjXZUI'.1.')(三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗中KKKZRjX=+，KKXZ»所致，一般的说，0.9KKXZ。因此，串电抗起动时，可以近似把ZK的模值与X相加，而不考虑阻抗角，误差不大。设串电抗时电动机定子电压'1.U与直接起动时定子的额定电压NU.比值为u，则：'1KnKzUUUZX==+''11ksskZIUUIUZX===+''22211()()ksskZTUuTUZX===+安徽工贸职业技术学院毕业设计（论文）6式中，'.SSII分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流；',SSTT分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩，当选定u时，定子应串的电抗为：kZuuX.1从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看，定子回路中串电阻或是串电抗效果是一样的。但是串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电机容量较小时才允许使用，大中型电机仅采用串电抗起动。定子回路串电阻或是电抗都能减小起动电流，使得电网的冲击电流减小，对改善电网的稳定性是有利的。但是，问题的另一面是，随着起动电流的减小，电机产生的起动转矩也随着变化，有必要对起动转矩进行校验，看它是否能满足生产工艺的要求，拖动系统是否能顺利的升速到要求的转速根据图示的等值电路，起动时的电磁功率为：1..qKsDMRIP对于恒定的同步角速度Ω，起动转矩和起动电流的平方成正比。利用这个重要关系式可以得出结论：不管是定子回路串电阻还是电抗，只要能将起动电流改变为直接起动是的a倍，则起动转矩就将变成直接起动时的2a倍。显然，如果起动电流是直接起动时的1/2，则起动转矩将是直接起动时的1/4。因为鼠笼异步机的直接起动转矩本来就不大，采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小，必须对这种起动转矩的大幅度下降进行校验，看它是否能保证拖