电机课程设计

第一章绪论1.1摘要电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起来与单相电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的随着工业的不断发展，三相异步电动机的需求会越来越大，三相异步电动机的应用越来越广泛，三相异步电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而三相异步电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是三相异步电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中三相交流异步电动机调频变速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。1.2课程目的笼式三相异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。正由于此，通过此课程设计，实现三相异步电动机的变频调速控制与应用。1.3课程意义这次课程设计可以使我们在学校学的理论知识用到实践中，使我们在学习中起到主导地位，是我们在实践中掌握相关知识，能够培养我们的职业技能，课程设计是以任务引领，以工作过程为导向，以活动为载体，给我们提供了一个真实的过程，通过设计和运行，反复调试、训练、便于我们掌握规范系统的电机方面的知识，同时也提高了我们的动手能力1.4课程内容在这次课程设计任务中，主要工作在于1.了解三相异步电动机的结构和工作原理2.了解异步电动机调速的意义、方法及其在工程上的应用，重点掌握绕线式三相异步电动机的串电阻调速方法，掌握绕线式异步电动机调压调速的原理和方法3.三相异步电动机使用过程中的注意事项及故障处理4.心得体会第二章相关技术与理论2.1电动机的基本结构2.1.1定子部分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。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。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2.1.2转子部分1、三相异步电动机的转子铁心：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。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300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。2、三相异步电动机的转子绕组作用：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。（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。2.1.3电动机其他附件其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm～1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差2.2电动机的分类三相异步电动一般为系列产品，其系列、品种、规格繁多，因而分类也较繁多。1按电动机尺寸大小分类大型电动机：定子铁心外径D＞1000mm或机座中心高H＞630mm。中型电动机：D=500~1000mm或H=355~630mm。大型电动机：D=120~500mm或H=80~315mm。2按电动机外壳防护结构分类3按电动机冷方式分类电动机按冷却方式可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式等。可参见国家标准GB/T1993-93《旋转电机冷却方式》。4按电动机的安装形式分类IMB3：卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘。IMB5：卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘。IMB35：卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘。5按电动机运行工作制分类S1；连续工作制S2：短时工作制S3~S8：周期性工作制6按转子结构形式分类三相笼型异步电动机三相绕线型异步电动机2.3三相异步电动机的工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来第三章三相异步电动机的调速方法3.1三相异步电动机的调速异步电动机比起直流电动机来,省去了换向器,使得结构更简单、结实、紧凑,它具有维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快的特点。过去由于对它缺少相应的控制手段,实现速度的调节比较困难,所以在20世纪的大部分年代里,交流电动机主要在不调速的场合应用。近年来,由于电力电子和微电子技术的飞速发展,新器件和新的控制系统的不断推出,使交流电气传动也具有与直流电气传动同样优良的调速性能,从而使交流调速得到了迅速发展。三相异步电动机的转速公式为)1(60)1(1spfsnns，其中sn为旋转磁场的速度，n为转子转速为旋转磁场的频率，s为转差率。所以异步电动机的调速可由三个方面入手；一是改变定子绕组的极对数；二是改变电源频率；三是改变电动机的转差率。此外还有改变定子电压调速法。3.1.1变极对数调速法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子,因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变,使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线型转子,则定子极对数改变时,转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数,很不方便。特点如下:具有较硬的机械特性,稳定性良好;无转差损耗,效率高;接线简单、控制方便、价格低;有级调速,级差较大,不能获得平滑调速。本方法适用于自动化程度要求不高,不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。如下图所示接法，则形成两级绕组若改为下图接法，则兴城四级绕组3.1.2改变定子电压调速法当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时,在一定的转差率下,电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方成正比,因此,改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系,从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。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。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等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点是:调压调速线路简单,易实现自动控制;调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中,效率较低。调压调速系统一般适用于100KW以下的生产机械。目前,已成功地大量使用在电梯、卷扬机械与化纤机械等工业装置3.1.3改变转差调速1.转子外加电阻调速法，这种方法只适用于绕线型异步电动机当转子回路中串入调速电阻时，电动机的Te-s曲线将发生变化，若此时电机的负载转矩和空载转矩Tl+T0保持不变，转子的转差率改变，则转速改变。这种方法的优点是方法简单、调速范围广，缺点是调速电阻需要消耗一定功率，此方法主要应用于中、小容量的感应电机，例如桥式起重机所用的电机。2串级调速转子回路串入调速电阻，损耗较大。为了利用这部分电功率，可以在转子回路中接入一个转差频率的功率变换装置，把这部分功率送回电网，即达到调速的目的，又获得较高的效率。3双馈电机如图所示，为一双馈电机结构，定子由三相交流电源供电，转子由三相交流电源经变压器降压，再经交--交变频器把工频变为转差频率，然后接至转子。此变频器的频率、幅值、相位和相序均可调节，转差率的传递方向也可以改变。这种定、转子两边均由交流电源供电的电机，称为双馈电机。当转子转速低于同步转速时，双馈电机的工作情况与普通感应电机相似，此时转子的转差率由变频器回馈给电源，调节变频器的输出功率，电动机的转速会改变；调节变频器输出电压和相位，就可以调节电动机定子边的功率因数。当变频器的频率调到0时，变频器将向转子输出直流，此时电动机将在同步转速下运行。改变变频器输出电压相序，并将频率由零上调，此时转差功率反向，从电网经变频器输入到绕线转子，于是转子的转差率将变成负值，电动机将在超同步转速下运行。3.2绕线型异步电动机的转子串电阻调速与定子降压调速实验