課程設計---繞線異步電動機串電阻啟動的設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　2011年 7月 24 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程 電氣工程課程設計 </p><p>　　題目

2、 繞線異步電動機串電阻啟動 </p><p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　繞線式三相異步電動機轉子回路串接電阻，一方面可以減小起動電流，另一方面可以增加最初起動轉矩，當串入某一合適電阻時，還能使電動機以它的最大轉矩T起動。當然，所串聯的電阻超過一定數值后，最初起動轉矩反而會減小

3、。由于繞線異步電動機的轉子串聯合適的電阻，不但可以減少起動電流，而且可以增大起動轉矩，因而，要求起動的轉矩大或起動頻繁的生產機械常用繞線型異步電動機。</p><p>　　通常，為了使整個起動盡量保持較大的起動轉矩，在轉子回路接入可以逐級切除的三相啟動變阻器，啟動變阻器切換使起動轉矩保持在所設定的起動轉矩最大和最小值之間。起動轉矩一般取0.85T左右。</p><p><b>　

4、　參考資料：</b></p><p>　　[1] 唐介，控制微電機，北京：高等教育出版社，1987年</p><p>　　[2] 王 東主編，電機學，杭州：浙江大學出版社，1990年</p><p>　　[3] 李發(fā)海等編，電機學，北京：科學出版社，1991年．</p><p>　　[4] 謝桂林，劉允編，電力拖動與控制，徐州中國

5、礦業(yè)大學出版社，1997年</p><p>　　[5] 楊長能主編，電機學，重慶：重慶大學出版社，1994年</p><p>　　完成期限 2011.7.14至2011.7.24 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　專業(yè)負責人

6、 </p><p>　　2011年 7 月 11 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 設計要求1</b></p><p>　　2繞線型異步電動機轉子串電阻起動設計原理1</p><p>　　2.1 工廠實際情況的介紹1&l

7、t;/p><p>　　2.2 工廠負荷計算和無功補償計算3</p><p>　　2.3 主要車間配電系統(tǒng)的確定5</p><p>　　3 電氣設備選擇與電器校驗7</p><p>　　3.1 主要電氣設備的選擇7</p><p>　　3.2 電器校驗8</p><p>　　4 繼電保護系統(tǒng)

8、的設計12</p><p>　　4.1 繼電保護的選擇、整定及計算12</p><p>　　4.2 防雷與接地12</p><p>　　5 變電所平面布置設計及設計圖樣13</p><p>　　5.1 變配電所平面布置設計13</p><p>　　5.2 設計圖樣14</p><p>

9、;<b>　　結 論15</b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　1 設計要求</b></p><p>　?。?）進一少鞏固和加深“電機與拖動”課程的基本知識，了解繞線型異步電 動機轉子串電阻起動設計知識在工程實際中的應用。</p>

10、<p>　?。?）綜合運用“電機與拖動”課程和等候課程的理論及生產實際知識去分析 和解決。</p><p>　?。?）通過計算和繪圖，學會運用標準、規(guī)范的手冊、圖冊和查閱有關資料等，培養(yǎng)電機設計的基本技能。</p><p>　?。?）掌握繞線型異步電動機轉子串電阻起動的原理與步驟。</p><p>　?。?）培養(yǎng)獨立的思維和動手能力。</p>

11、<p>　　2 繞線型異步電動機轉子串電阻起動設計原理</p><p>　　2.1三相異步電動機的定義</p><p>　　旋轉電機都是利用電與磁的互相轉化和互相作用制成的。三相異步電動機則是利用三相電流通過三相繞組產生在空間旋轉的磁場。</p><p>　　2.2三相異步電動機的工作原理</p><p>　　為了能形象的說明問題

12、，將定子三相繞組通入三相電流后產生的旋轉磁場用一對旋轉的磁極來表示，它以同步轉速n0順時針方向旋轉。于是，轉子繞組切割磁感線而產生感應電動勢，它的方向可用右手定則來確定。在N極下，穿出紙面，在S極下，進入紙面。由于轉子繞組是閉合的，在交變的感應電動勢作用下，其中就有交變的感應電流流動。各導體中的感應電流的有功分量和感應電動勢同相，兩者的方向一致。根據安培定律，導體中電流的有功分量和旋轉磁場互相作用而產生電磁力F，它們的方向按照左手定則來

13、決定。電磁力將對轉子產生電磁轉矩，推動轉子沿著旋轉磁場的旋轉方向轉動。至于轉子導體中電流的無功分量，因滯后感應電動勢90°，根據左手定則，這時電磁力F的作用彼此抵消，不會構成電磁轉矩。由于轉子與旋轉磁場之間有相對運動時，轉子繞組才會切割磁感線而產生感應電動勢和感應電流，才能產生電磁轉矩，所以轉子的轉速總是小于同步轉速，兩者不可能相等，故稱為異步電動機，又稱感應電動機。</p><p><b>

14、　　3異步電動機的結構</b></p><p>　　3.1定子（靜止部分） </p><p>　　3.1.1定子鐵心                     &

15、#160;      作用：電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。構造：定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組. 定子鐵心槽型有以下幾種： 半閉口型槽：電動機的效率和功率因數較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。 半開口型槽：可嵌放成型繞

16、組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經過絕緣處理后再放入槽內。 開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。 </p><p>　　3.1.2定子繞組作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場。 構造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內。

17、定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣） </p><p>　　（1）  對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。 （2）  相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。 （3）  匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。 電動機接線盒內的接線： 

18、電動機接線盒內都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，并規(guī)定上排三個接線樁自左至右排列的編號為1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三個接線樁自左至右排列的編號為6（W2）、4（U2）、5（V2），.將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡制造和維修時均應按這個序號排列。 </p><p><b>　　。 </b></p><p>　　3.

19、1.3機座 作用：固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉子，并起防護、散熱等作用 構造：機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風孔，使電動機內外的空氣可直接對流，以利于散熱。</p><p><b>　　。</b></p><p>　　3

20、.2轉子（旋轉部分）</p><p>　　3.2.1轉子鐵心 </p><p>　　作用：作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內放置轉子繞組。 構造：所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內圓來沖制轉子鐵心，定子和轉子鐵心沖片如圖所示。一般小型異步電動機的轉子鐵心直接壓裝在轉軸上

21、，大、中型異步電動機（轉子直徑在300~400毫米以上）的轉子鐵心則借助與轉子支架壓在轉軸上。 </p><p><b>　　3.2.2轉子繞組</b></p><p>　　作用：切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流，并形成電磁轉矩而使電動機旋轉。 </p><p>　　構造：分為鼠籠式轉子和繞線式轉子 （1）鼠

22、籠式轉子：轉子繞組由插入轉子槽中的多根導條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。如圖所示。 （2）繞線式轉子：繞線轉子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯接。如圖所示。 特點：結構較復雜，故繞線式電動機的應用不如鼠籠

23、式電動機廣泛。但通過集流環(huán)和電刷在轉子繞組回路中串入附加電阻等元件，用以改善異步電動機的起、制動性能及調速性能，故在要求一定范圍內進行平滑調速的設備，如吊車、電梯、空氣壓縮機等上面采用。</p><p><b>　　3.2.3其他附件</b></p><p>　　1、端蓋：支撐作用。 2、軸承：連接轉動部分與不動部分。 3、軸承端蓋：保護軸承。

24、 4、風扇：冷卻電動機。 </p><p><b>　　3.3銘牌</b></p><p>　　1）型號   Y—112M—4 Y——異步電動機 112——中心高度（毫米） M——機座類別（L長機座、M 中機座、S短機座） 4——磁極數 2）額定功率PN&

25、#160;  指電動機在額定運行狀態(tài)下運行時電動機軸上輸出的機械功率，瓦或千瓦。      UN1、IN1、hN、cosjN分別為電動機額定的線電壓、線電流、效率、功率因數。 3）額定電壓UN1  指電動機在額定運行狀態(tài)下運行時定子繞組所加的線電壓，單位為V或KV。 4）額定電流IN1 指電動機加額定電

26、壓、輸出額定功率時，流入定子繞組中的線電流，單位為A。 5）額定轉速nN  指電動機在額定運行狀態(tài)下運行時轉子的轉速，單位為r/min.6）額定頻率fN  規(guī)定工頻為50HZ。 7）額定功率因數cosjN  指電動機在額定運行狀態(tài)下運行時定子邊的功率因數。 8）接法  指電動機定子三相繞組與交 流電源的聯接方法

27、。 9）防護等級  指電動機外殼防護的型式</p><p>　　4 轉子串電阻的啟動過程</p><p>　　繞線型異步電動機的轉子串聯合適的電阻不但可以減小起動電流，而且還可以增大起動轉矩，因而，要求起動轉矩大或起動頻繁的生產機械常采用繞線型異步電動機拖動。</p><p>　　容量較小的三相繞線型異步電動機可采用轉子電路串聯起動變

28、阻器的方法起動。起動變阻器通過手柄接成星形。起動先把起動變阻器調到最大值，再合上電源開關S，電動機開始起動。隨著轉速的升高，逐漸減小起動變阻器的電阻，直到全部切除，使轉子繞組短接。</p><p>　　容量較大的繞線型異步電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中都有較大的起動的轉矩和較小的起動電流。現以兩級起動為例介紹其起動步驟和起動過。原理電路和機械特性如圖1所示。圖中機械特性只畫出了每條特性的nM段，并近

29、似用直線代替。起動步驟如下：</p><p>　　4.1串聯起動電阻R和R起動</p><p>　　起動前開關S和S斷開，使得轉子每相串入電阻R″和R′，加上轉子每相繞組自身的電阻R，轉子電路每相總電阻為</p><p>　　R= R+R″+R′</p><p>　　然后合上電源開關S，這時電動機的機械特性為圖中的特性，由于轉動轉矩T遠大于負

30、載轉矩T，電動機拖動生產機械開始起動，工作點沿特性a由b點向c點移動。</p><p><b>　　圖a</b></p><p><b>　　圖b</b></p><p>　　4.2切除起動電阻R</p><p>　　當工作點到達c點，即電磁轉矩T等于切換轉矩T時，合上開關S切除起動電阻R轉子每相電

31、路的總電阻變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　R=R+R</b></p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)樘匦詃。由于切除R的瞬間，轉速來不及改變，故工作點由特性a上的c點平移到特性d上e點，使這時的電磁轉矩仍等于T，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性由e點向f點移動</p><p>　　4.3切除起動電阻R</p><p&g

32、t;　　當工作點到達f點，即電磁轉矩T等于切換轉矩T時，合上開關S切除起動電阻R。電動機轉子電路短接，轉子每相電路的總電阻變?yōu)椋篟=R</p><p>　　機械特性變?yōu)楣逃刑匦詆，工作點由f點評至h點，使得這時的電磁轉矩T仍正好等于T,電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性g由h向i移動，經過i點，最后穩(wěn)定運行在P點.整個起動過程結束。</p><p>　　5．起動級數未定時起動電阻所計算</

33、p><p>　　5.1選擇起動轉矩T和切換轉矩T</p><p><b>　　一般選擇</b></p><p>　　T=(0.8-0.9)T</p><p>　　T=(1.1-1.2)T</p><p>　　5.2求出起動轉矩比β</p><p><b>　　β= T

34、/ T</b></p><p>　　5.3求出起動級數m</p><p>　　利用圖所示起動過程中的機械特性，根據集合關系推導起動級數m所計算公式如下：由特性2與水平虛線構成的直三角形求得。</p><p>　　T/ T=(n-n)/(n-n)=S/S</p><p>　　T/T=(n-n)/n-n）=S/S</p>

35、<p>　　式中n和n是工作在h點和i點時的轉速，n是T與特性g交點在的轉速（即臨界轉速）。S,S和S是與之對應的轉差率。同理可以求得</p><p>　　TS1/T=S/S =S/S= S/ S</p><p>　　T/T=S/S=S/S=S/ S</p><p>　　由于S= S,對應兩式相除，可得</p><p><b

36、>　　β=T/T</b></p><p><b>　　=S/S</b></p><p>　　= (R/ X2)/ (R/ X2)</p><p><b>　　= R/ R</b></p><p><b>　　由于S=S</b></p><p

37、><b>　　β=TS1/T</b></p><p><b>　　=S/S</b></p><p>　　= R/ X/ R/ X</p><p><b>　　= R/ R</b></p><p><b>　　可見</b></p><

38、;p><b>　　R=βR</b></p><p><b>　　R=βR</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　R=β R</b></p><p><b>　　=βR</b></

39、p><p><b>　　若是m級起動，則</b></p><p><b>　　R=βR</b></p><p><b>　　=βR</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　R2m= R+R+R+……+R&l

40、t;/p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　β=</b></p><p>　　由前面的分析還可以得到</p><p><b>　　S/S=S/S</b></p><p><b>　　S=S</b></p

41、><p><b>　　若是m級起動，則</b></p><p><b>　　S=R/R</b></p><p>　　此外，在固有特性c上工作時</p><p><b>　　Ts1/T=S/S</b></p><p><b>　　S= S</b

42、></p><p>　　將這些關系帶入β公式，可得</p><p><b>　　β=</b></p><p>　　兩邊取對數，便得到了起動級數m的計算公式</p><p><b>　　M=</b></p><p>　　若m不是整數可取相近整數</p>&l

43、t;p>　　5.4重新計算β，校驗T,是否在規(guī)定范圍內</p><p>　　若m是取相似整數，則需要重新計算β，并求出T，校驗T是否在式所規(guī)定的范圍之內。</p><p>　　若不在規(guī)定范圍內，需加大啟動級數m,重新計算β和T,直到T滿足要求為止。</p><p>　　5.5求出轉子每相繞組的電阻R</p><p>　　轉子每相繞組的電

44、阻可以通過實測或者通過名牌上提供的轉子繞組額定線電壓U和轉子繞組的額定線電流I進行計算。</p><p>　　由于轉子繞組為星形連接，相電流等于線電流，因此，在額定狀態(tài)下運行時</p><p>　　由于S很小，SX可以忽略不計，則</p><p><b>　　I=</b></p><p>　　因此求得R2的計算公式為&l

45、t;/p><p><b>　　R=</b></p><p>　　5.6計算各級總電阻</p><p><b>　　由前面的分析知道</b></p><p><b>　　R=R</b></p><p><b>　　R=βR</b><

46、/p><p><b>　　R=βR=βR</b></p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　R=βmR</b></p><p>　　4.7求出各級起動的電阻</p><p><b>　　R=R-R</b>&l

47、t;/p><p><b>　　R=R-R</b></p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　R=R-R</b></p><p><b>　　具體設計如下：</b></p><p>　　選擇起動轉矩T1切換轉矩

48、T2</p><p>　　T===150N.m</p><p><b>　　T=a T</b></p><p>　　=2.3*150N.m</p><p><b>　　=345N.m</b></p><p>　　T=(0.8-0.9) T</p><p&g

49、t;　　=(0.8-0.9)*345</p><p>　　=(276-310)N.m</p><p>　　T2=(1.1-1.2)Tl=(1.1-1.2)*100</p><p>　　取T=280N.m,T2=120N.m</p><p><b>　?、谇蟪銎鹎修D矩比β</b></p><p>　

50、　β=T1/T2=280/120=2.3</p><p><b>　　β===2.17</b></p><p><b>　　求出起動級數m</b></p><p>　　(n0-n0)/n0=750-740=0.013</p><p><b>　　m=</b></p>

51、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=1.6/0.36</b></p><p><b>　　=4.4</b></p><p><b>　　取m=4.</b></p><p>　　重新計算β,檢驗T2是否在規(guī)定范圍內&l

52、t;/p><p><b>　　β==</b></p><p>　　T2=T1/β=280/2.5=110.5</p><p>　　T2基本在規(guī)定范圍之內.</p><p>　　由于T>1.1T,所以所選m和β合適.</p><p>　?、萸蟪鲛D子每相繞組電阻R2</p><p

53、><b>　　R==Ω</b></p><p><b>　?、抻嬎愀骷壙傠娮?lt;/b></p><p><b>　　R=βR</b></p><p>　　=2.5*0.045</p><p><b>　　=0.113Ω</b></p>&

54、lt;p><b>　　R=βR</b></p><p>　　=2.5*0.113</p><p><b>　　=0.283Ω</b></p><p><b>　　R=βR</b></p><p>　　=2.5*0.283</p><p><b

55、>　　=0.707Ω</b></p><p><b>　　R=βR</b></p><p>　　=2.5*0.707</p><p><b>　　=1.768</b></p><p><b>　?、咔蟪龈骷壠饎与娮?lt;/b></p><p&g

56、t;<b>　　R= R- R</b></p><p>　　=（0.113-0.0453）Ω</p><p><b>　　=0.0677Ω</b></p><p><b>　　R=R-R</b></p><p>　　=（0.283-0.1113）</p><

57、p><b>　　=0.17Ω</b></p><p><b>　　R= R- R</b></p><p>　　=（0.707-0.283）</p><p><b>　　=0.424Ω</b></p><p><b>　　R=R24-R23</b>&l

58、t;/p><p>　　=1.768-0.707</p><p><b>　　=1.061Ω</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 唐介，控制微電機[M]，北京：高等教育出版社，1987年</p><p>　　[2] 王 東，電機學[M]

59、，杭州：浙江大學出版社，1990年</p><p>　　[3] 李發(fā)海，電機學[M]，北京：科學出版社，1991年</p><p>　　[4] 謝桂林，劉允，電力拖動與控制[M]，徐州中國礦業(yè)大學出版社，1997年</p><p>　　[5] 楊長能，電機學[M]，重慶：重慶大學出版社，1994年</p><p>　　[6] 李海發(fā)，電機學[

60、M]，北京：科學出版社，2001年</p><p>　　[7] 鄭朝科，電力拖動基礎[M]，北京：北京理工大學出版社，2000年</p><p>　　[8] 秦曾發(fā)，電工實用手冊[M]，北京：中國電力出版社，1990年</p><p>　　[9] 王維儉，電力系統(tǒng)繼電保護基本原理[M]，北京：清華大學出版社，1991</p><p>　　[1

61、0] 李浚源，電力拖動原理[M]，華中工學院出版社，2004年</p><p>　　[11] 陳伯時，拖動自動控制系統(tǒng) [M] ．北京：機械工業(yè)出版社，2000年</p><p>　　[12] 杜少武，合肥工業(yè)大學電氣工程專業(yè)發(fā)展思路探討[D]電氣電子教學學報 第27卷第6期，2005年</p><p>　　[13]電力電子技術課程的逆向思維教學法研究[D]電氣電子