三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用(编辑修改稿)

三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用(编辑修改稿)内容摘要：

公式 22 自耦变压器高压边的起动电流为 39。 SI ，与 39。 39。 SI 之间的关系为： 39。 239。 39。 1SSI NIN= 公式 23 因此，降压起动与直接起动相比，供电变压器提供的起动电流的 39。 SI 关系 39。 221()SSI NIN= 公式 24 自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为 39。 ST ，与直接起动时的堵转转矩 sT 之间的关系为： 39。 39。 2221( ) ( )SSNT NUT U N== 公式 25 由以上可以看出，采用 自耦减压起动时，与直接起动相比较，电压降低到 N2/N1倍，堵转电流与堵转转矩降低到 （ N2/N1） 2倍。 换句话说：如果采用自耦减压起动，北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 10 则起动电流变化的比值和转矩变化的比值相等，都是直接起动时的 KA 分之一。 自耦减压起动，比起定子串阻抗起动，当限定的起动电流相同时，堵转转矩损失较少，比 Y△ 起动灵活，并且当 N2/N1较大时，可以拖动较大的负载起动。 但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。 自耦减压起动在较大容量鼠笼型异步电动机上广泛应用。 前面介绍的几种鼠笼型异步电动机的降压起动方法，主要目的都是减 小起动电流，但同时有都程度不同地降低了堵转转矩，因此，只适合空载或轻载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则经常需要堵转转矩较大的异步电动机，加大堵转转矩的方法是增大转子电阻。 对于绕线型异步电动机，则可在转子回路内串电阻。 对于鼠笼型异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值。 绕线式三相异步电动机的启动 转子回路串电阻 绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻，可以减小定子电流。 当所串入的电阻 RS合适，可以增大堵转转矩值。 当所串电阻折合值 39。 SR 为： 39。 39。 39。 2 1 2SR R X X+ = + 公式 26 39。 39。 39。 1 2 2SR X X R= + 公式 27 即 Sm=1，电动机的堵转转矩达最大值。 为什么在绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻后，定、转子电流减小了，而堵转转矩却能增大。 从电动机电磁转矩公式 2239。 cosIC mT 知道，在气隙每极磁通量 m 一定时，电磁转矩 T 与转子有功电流 2239。 cosI 成正比。 已知串入电阻 RS后，转子功率因数角为： ssRR X222 a rc ta n 公式 28 即 2 角比不串 SR 时小很多，使得 2cos 值增大。 尽管刚起动时，因为串电阻 SR使得 2I 减小，但 2cos 值的增大，使得转子有功电流 22cosI 反而增大了，从而增北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 11 大堵转转矩值。 当然，过分增大所串电阻 SR ，虽然 2cos 会增大，其极限值为 1，因转子电流减小使堵转转矩也跟着减小。 图 27（ a） 是绕线型异步电动机转子串电阻的示意图，为了简单，也有采用图 27（ b） 不对称电阻。 图 2— 7（ a） 绕线型异步电动机转子串电阻 图 2— 7（ b） 不对称电阻 绕线型三相异步电动机多用在拖动那些要求堵转转矩大的生产机械，如起重机械，球磨机，空压机，皮带运输机以及矿井提升机等。 为了减小绕线型三相异步电动机运行时电刷与集电环间的摩擦损耗，有些电机安装了电刷提起装置。 当电动机起动完毕后，把转子三相绕组彼此短路，将电刷从集电环上举起。 转子串频敏变阻器起动 对于那些单纯为了限制起动电流增大堵转转矩的绕线型异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动，如图 28 所示。 频敏变阻器是一个三相铁心线圈，它的铁心是由实心铁板或钢板叠加而成，板的厚度为 3050mm。 图 28 中，接触器点 K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。 起动过程结束后，接触器点 K 再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。 频敏变阻器每一相的等效电路与变压器空载运行时的等效电路是一致的。 忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用 P P PZ R jX=+ 表北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 12 示。 但是，与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点： （ 1） 频率为 50HZ 的电流通过时，阻 抗 P P PZ R jX=+ 比一般的变压器励磁阻抗小的多。 这样，串在转子回路中，既限制了定 .转子电流，又不致使堵转电流过小而减小堵转转矩。 （ 2） 频率为 50HZ的电流通过时， PR ＞ PX。 其原因，频敏变阻器中磁通密度取的较高，铁心处于饱和状态，励磁电流较大，因此，励磁电抗 PX 较小。 而铁心是厚铁板或后钢板的，磁滞，涡流损耗都比较大，频 敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此 PR 较大。 图 28 转子串频敏变阻器起动 绕线型三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时 （ s=1） ，转子回路频率为50HZ，因为 PR ＞ PX ，转子回路主要是串入了电阻，提高了转子回路的功率因数，既限制了堵转电流，又提高了堵 转转矩。 起动过程中，随着转速升高，转子回路频率 1sf 逐渐降低，频敏变阻器中铁损耗减小，电阻 PR 也小；电抗 PX 也小。 正因如此，电动机在几乎整个起动过程中始终保持较大的电磁转矩。 为了用户的方便，频敏变阻器的等效阻抗是可以调节的。 实际的频敏变阻器线圈上都有几级中间抽头，供使用时选择一个比较合适的等效阻抗值。 铁损和磁北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 13 密的平方成正比，改变线圈的匝数将引起等效阻抗的较大 变化。 中间抽头受到结构条件的限制，只能是有限的几种，不可能适应紧密调节的需要。 为了将起动电流和起动转矩比较准确的整定在要求的数值上，频敏变阻器都装有调节气隙长度的活动铁心。 气隙越大，磁密越小，等效阻抗也愈小。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 14 第 三 章 三相 异步电动机调速系统 概述 本次设计主要是 综合应用所学知识，设计异步电动机调压调速系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。 能够较全面地巩固和应用 “ 异步电动机交流调速 ” 课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握 Matlab 语言设计的基本方法。 应用场合 : 应用异步电动机调压调 速系统 ，一般工业场合以及特殊伺用机床。 系统功能介绍 :本系统以三相异步电动机的转速为被控对象，根据工业场合的具体需要，调节定子电压对电动机进行无级调速。 异步电动机调速系统的组成 交流调压调速是一种比较简便的调速方法。 常见的异步电动机调压调速系统由以下六大基本部分组成：转速调节器 （ ASR） 、触发装置（ GT）、晶闸管交流调压器（ TVC）、测速发电机（ TG）、软启动器以及三相异步电动机（ M）。 这里主要介绍三相异步电动机（ M）的结构，和测速发电机（ TG）、晶闸管交流调压器（ TVC）和软启动器四大部分的具 体结构以及工作原理。 一、三相异步电动机 异步电动机 (asynchronous motor) 又称感应电动机 ,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩 ,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式 :有鼠笼式、绕线式异步电动机。 作电动机运行的异步电机。 因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。 异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。 在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的 60％ 多。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护 方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，因此在工农业生产中得到了极广泛的应用。 其突出的优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 15 实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。 异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。 以三相异步电动机为例，与同功率、同 电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。 和直流电 机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子两大部分组成。 定子与转子之间有 — 个较小的气隙。 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。 为了使异步电动机能产生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的。 对于容量较大 (10kw以上 )的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。 定子铁心上的槽形通常有三种 ： 半闭口槽，半开口槽及开口槽。 从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭口槽最好。 定子绕组 定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈按一定规律联接面成。 能分散嵌入半闭口槽的线圈由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成，放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁沿线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。 开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有 “ 槽绝缘 ” ，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。 一般根据定 子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型式。 容量较大的异步电动机都采用双层绕组。 双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。 小容量异步电动机常采用单层绕组。 槽内定子绕组的导线用槽楔紧固。 槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。 中小型异步电动机一般都采用铸铁机坐，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。 例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。 为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热 筋，以增大散热面积。 对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。 转速的直流 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 16 异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般也由 叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。 整个转子铁心的外表面成圆柱形。 转子绕组分为笼型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。 笼形绕组，由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的，不需由外电源对转子绕组供电，因此绕组可自行闭合；绕组的相数亦不必限定为三相。 因此笼形绕组的各相均由单根导条组成，因为异步电动机正常运行时，旋转磁场与转子导条的相对转速不大，即转差率在 5％ 之下，所以导条中的感应电动势不大，如导条与铁心之间不加绝缘，由导条与铁心之间的接触电阻来限制导条间的漏电流也是可以的，一般无须用绝缘材料把导条与铁心隔开， 艺极为简单。 笼型绕组就可以由插入每个转子中的导条和两端的环形端环组成。 如果去掉铁心，整个绕组的外形 就象一个关松鼠的笼子，所以具有这种笼型绕组的转子，习惯上称为笼型转子。 为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都采用铸铝转子。 这种转子的导条和端环一次铸出。 对容量大于 100kW的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼形绕组。 笼型转子上既无集电环，又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运行可靠。 绕线型绕组 ， 它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上三个 集电环 ，再通过 电刷 使转子绕组与外电路接通。 这种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。 为了减小电刷的磨损与摩擦损耗，中等容量以上的异步电动机还装有一种提刷短路装置。 这种装置当电动机起动以后而又不需要调节速度时，移动其手柄，可使电刷提起，与集电环脱离接触，同时使三只集电环彼此短接起来。 异步电动机定、转子 之间的气隙是很小的，中小型电机 — 般为 ～ 2mm。 气隙的大小与异步电动机的性能关系极大。 气隙愈大，磁阻也愈大。 磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。 励磁电流是无功电流 (与变压器中的情况一样 )，该电流增大会使电机的功率因数变坏。 然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。 气隙过小，会使装配困难和运转不安全。 如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。 一般异步电动机的气隙以较小。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 17 二、交流测速发电机（ TG） 交流测速发电机 有空心杯转子异步。