还剩15页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
84.
171、绪论目前,工业中原动力主要由电动机提供,电动机可分为直流和交流电机由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供,尤其以鼠笼式电机居多根据统计,在电网的总负载中,动力负载约占59%,而异步电机则占总动力负载中的85%,由此可见异步电动机在工农业中的重要性,异步电机的应用范围是非常广的,容量从几十瓦一直到几千瓦,应用在各种行业,例如,在工业方面,中小型的轧钢设备都采用异步电机,它也被广泛地用在各种机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备在矿山上,它常用来拖动卷扬机和鼓风机等在农业方面,它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械此外,它在人民日常生活中也越来越占重要地位,例如电扇,冷冻机,和各种医疗机械钟也都采用异步电机总之,异步电动机应用范围广,需要量大,而且随着电气化自动化的发展,它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大与直流电机相比,交流电机有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点,但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能作为调速性能,随着变频技术的发展,已经得到了很好的解决,所以一直处于弱势的是其启动性能因为在该阶段,由于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的现象,所以在工程界比较重视电机的启动问题
2、三相异步电机运行原理及特性
2.1三相异步电机的基本结构三相异步电机主要由定子和转子构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转的部分,在定子和转子之间有一定的气隙,叫空气隙定子由铁心、绕组和机座三部分组成定子铁心是电机磁路的一部分,它由
0.5mm的硅钢片叠压而成,片与片自间是绝缘的,以减少涡流损耗硅钢片的内圈冲有定子槽,槽中安放绕组,铁心被叠压后成为一整体,固定于机座上定子绕组是电机的电路部分,由许多线圈连接而成,每个线圈有两个有效边,分放在两个槽里三相对称绕组AXBYCZ可连接成三角形或星形机座主要用于固定和支撑铁心定子转子由铁心和绕组组成转子铁心压装在转轴上,由硅钢片叠压而成,转子铁心也是电机磁路的一部分异步电机转子绕组多采用鼠笼式,它是在转子铁心槽里插入铜条,再将全部铜条两端焊接在两个铜端环上组成,小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成异步电机的绕组除了鼠笼式还有线绕式线绕式转子绕与定子绕组一样,转子绕组一般是连接成星形的三相绕组转子绕组组成的磁极数与定子相同,线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻,用以改善启动性能和调节转速鼠笼式和线绕式电动机转子构造虽然不同,但其工作原理是相同的
2.2三相异步电机的工作原理直流电动机是通过一静止的磁场与通入电枢绕组中的电流相互作用而产生一恒定方向上的电磁转矩使电机转动而异步电机是通过一旋转的磁场与感应在转子绕组内所产生的电流相互作用而产生电磁转矩来实现转动图1三相异步电动机的工作原理上图是三项异步电动机的工作原理图,定子上装有对称三相绕组,在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条,导条两端分别用铜环把他们连接成一个整体当定子接通三项电源后,即在定子、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场磁场旋转时将切割转子导体,根据电磁感应定律可知,在转子导体中将产生感应电势,其方向可由右手定则确定磁场顺时针方向旋转,导体相对磁体为逆时针方向切割磁力线转子上半边导体感应电势的方向为出来的,用⊙表示;下半边导体感应电势的方向为进去的,用⊕表示因转子绕组是闭合的,导体中有电流,其方向与电势相同载流导体在磁场中再受到磁力作用,其方向由左手定则确定,如图
(1)这样,在转子导体上形成一个顺时针方向的电磁转矩于是转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动综上,三项异步电动机能够转动的必备条件一是电动机的定子必须产生一个在空间不断旋转的旋转磁场,二是电动机的转子必须是闭合导体
2.3三相异步电动机工作特性
2.
3.1三相异步电动机的转矩特性异步电动机的电磁转矩T是由载流导体在磁场中受电磁力的作用而产生的,它使电动机旋转,T≈CSR2UI2/f1R22+f1S2X202u1——定子绕组线电压有效值,单位伏特(v);f1——定子电源频率,单位是赫兹Hz;s——电动机的转差率;R2——转子绕组一相电阻,单位是欧姆Ω;X20——转子不动时一相感抗,单位是欧姆Ω;C——与电机结构有关的比例常数为了分析方便,将异步电动机的电磁转矩T代替电动机的输出转矩T2由于电动机的转子参数R2及X20是一定的,电源频率f1也是一定的,故当电源电压U1一定时,上式即表明异步电动机的电磁转矩T只与转差率s有关,因此可用函数式T表示,称为异步电动机的转矩特性,画出其图象则称为转矩特性曲如下图所示图2异步电动机的转矩特性曲线
2.
3.2异步电动机的机械特性1电动机的额定转矩的实用计算式旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积对于电动机而言就有P2=T2Ω当电动机的输出转矩T2用牛·米N·m作单位,旋转角速度Ω用弧度/秒rad/s作单位时,输出功率P2的单位是瓦特在电动机中计算转矩时输出功率P2的单位是千瓦kW,转速n的单位是转/分r/min,可以将计算公式简化,在额定状态下转矩公式为:Tn=9550Pn/Nn图3异步电动机的机械特性曲线电动机在旋转时,作用在轴上的有两种转矩,一种是电动机产生的电磁转矩T,一种是生产机械作用在轴上的负载转矩TL(其它如摩擦转矩忽略不计),当T=TL时,电动机便以某种相应转速稳定运行;当T>TL时,电动机则提高转速;当T<TL时,电动机将降低转速2)异步电动机的机械特性参数
(1)额定转矩额定转矩T是指电动机在额定状态下工作时,轴上输出的最大允许转矩电动机的额定转矩可根据电动机铭牌的额定功率和额定转速用公式来求得
(2)最大转矩与过载系数电动机的额定转矩应小于最大转矩Tm,而且不许太接近Tm,否则,电动机略一过载,电动机便停转,因此,一般电动机的额定转矩较最大转矩小得多把最大转矩与额定转矩的比值称作过载系数λ,它是表示电动机过载能力的一个参数
(3)起动转矩与起动能力电动机的起动转矩Tst是指电动机刚起动瞬间n=0,s=1的转矩起动转矩与额定转矩之比可表示起动能力,用起动转矩倍数来表示,是标明异步电动机起动性能的重要指标空载或轻载起动的电动机,起动能力为1~
1.8,一般的电动机起动能力为
1.5~
2.4,在重负荷下起动的电动机,要求有大的起动转矩,故起动能力可达
2.6~33三相异步电机启动出现的问题
3.
1.异步电动机启动时的要求1)电动机有足够大的启动转矩2)一定大小启动转矩前提下,启动电流越小越好3)启动所需设备简单,操作方便4)启动过程中功率损耗越小越好
3.2三相异步电动机启动问题电动机的起动特性中最主要的是它的起动力矩设起动力矩为M,为了机组能转动起来,必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩M加上静摩擦阻力图4电动机负载特性曲线图4曲线1表示异步机的M—S曲线,曲线2和3表示(如图4)两种不同的负载特性曲线,为了能转动起来,必须要求a点在b点或c点的上面,否则机组将转动不起来根据力矩平衡关系可以得出,为了保证能顺利加速到额定转速,在整个起动过程忠,必须保持正的加速度,也就要求电动机的电磁力矩M在整个起动过程中大于负载的制动力矩在相同的惯量下,力矩的差额越大,加速越快惯量大得机械,起动就较慢对于重复起动的生产机械来说,加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的电动机起动特性的另一个问题是起动电流,在起动时电流的大小可以用等值电路来求得异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍起动电流太大的影响是一方面将影响电源的电压,太大的起动电流将产生较大的线路压降,使得电源电压在起动时下降,特别当电源容量较小时电压降更多,可能影响电源上其它电机的运行另一个方面,大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热,特别是当加速力矩较小,机组的惯量J较大,起动很慢的情况下,损耗将很多而发热也更严重由上面可以看出,对电动机起动的要求是不同的,须看负载的特性,电网的情况等因素而定有时要求有大的起动力矩,有时要求限制起动电流的大小,有时两个要求须同时满足总的来说,要考虑下列各问题
1.应该有足够大的起动力矩,适当的机械特性曲线;
2.尽可能小的起动电流;
3.起动的操作应该很方便;所用的起动设备应该尽可能简单、经济;起动过程中的功率损耗应尽可能的少
3.3工业生产机械不同的起动条件用电动机拖动的生产机械有不同的起动条件,有些机械在起动时负载力矩很小,随着速度的增大力矩渐增大到额定值,这些负载的例子如鼓风机,它的负载力矩差不多和转速的平方成正比,起动时只需克服一些静摩擦力矩有些机械在起动时负载力矩就和额定转速时一样大,这类的例子象卷扬机等起重设备有些机械则在起动过程中负载较轻,等速度高起来以后再加上负载,例如机床等此外,起动的频繁程度也是需要考虑的因素有些机械起动次数少,有些则不断地停而又再起动这一切因素都将电动机起动性能提出不同的要求4三相异步电机的典型启动方式
4.
1.直接启动直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上在变压器容量允许的情况下,鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动,既可以提高控制线路的可靠性,又可以减少电器的维修工作量电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备图5是电动机单向起动控制线路的电气原理图这是一种最常用、最简单的控制线路,能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等图5电动机单向起动控制线路的电气原理图直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制,过大启动电流可能会使电压下降,影响在同一电网上其他设备的正常运行一般异步电机的功率小于
7.5千瓦时允许直接启动,对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定
4.2软启动以上几种降压启动的方法是有级启动,启动的平滑性不高,应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动,这种方法称为软启动软启动分为磁控式和电子式两种磁控式故障率高,已被电子式取代启动过程电机所加的电压不是一个固定值,软启动装置输出电压安指定要求上升,被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压,转速相应由零上升到规定转速软启动能保证电机在不同负载下平滑启动,减少电机启动对电网冲击,又降低对自身承受的较大结构冲击力软启动可以设定起始电压、上升方式、启动电流倍数等参数,以适用重载、轻载启动不同情况
4.3降压启动鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时,控制线路简单,维修工作量较少但是,并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍过大的起动电流会降低电动机寿命,致使变压器二次电压大幅度下降,减少电动机本身的起动转矩,甚至使电动机根本无法起动,还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作如何判断一台电动机能否全压起动呢?一般规定,电动机容量在10kW以下者,可直接起动10kW以上的异步电动机是否允许直接起动,要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定对于给定容量的电动机,一般用下面的经验公式来估计Iq/Ie≤(3/4+电源变压器容量)/(4×电动机容量),式中Iq—电动机全电压起动电流;Ie—电动机额定电流若计算结果满足上述经验公式,一般可以全压起动,否则不予全压起动应考虑采用降压起动有时,为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用,允许全压起动的电动机,也多采用降压起动方式鼠笼式异步电动机降压起动的方法有以下几种定子电路串电阻(或电抗)降压起动、自耦变压器降压起动、Y-△降压起动、△-△降压起动等.使用这些方法都是为了限制起动电流一般降低电压后的起动电流为电动机额定电流的2-3倍,减小供电干线的电压降落,保障各个用户的电气设备正常运行
4.
3.1串电阻(或电抗)降压起动控制线路在电动机起动过程中,常在三相定子电路中串接电阻(或电抗)来降低定子绕组上的电压,使电动机在降低了的电压下起动,以达到限制起动电流的目的一旦电动机转速接近额定值时,切除串联电阻(或电抗),使电动机进入全电压正常运行这种线路的设计思想,通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻(或电抗)以完成起动过程在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自动控制来加以实现图6定子串电阻降压起动控制线路图6是定子串电阻降压起动控制线路电动机起动时在三相定子电路中串接电阻,使电动机定子绕组电压降低,起动后再将电阻短路,电动机仍然在正常电压下运行这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制,设备简单,因而在中小型机床中也有应用机床中也常用这种串接电阻的方法限制点动调整时的起动电流图6(A)控制线路的工作过程如下按SB2,KM1得电(电动机串电阻启动),KT得电,KM2得电(短接电阻,电动机正常运行),按SB1,KM2断电,其主触点断开,电动机停车只要KM2得电就能使电动机正常运行但线路图A在电动机起动后KM1与KT一直得电动作,这是不必要的线路图B就解决了这个问题,接触器KM2得电后,其动断触点将KM1及KT断电,KM2自锁这样,在电动机起动后,只要KM2得电,电动机便能正常运行串电阻起动的优点是控制线路结构简单,成本低,动作可靠,提高了功率因数,有利于保证电网质量但是,由于定子串电阻降压起动,起动电流随定子电压成正比下降,而起动转矩则按电压下降比例的平方倍下降同时,每次起动都要消耗大量的电能因此,三相鼠笼式异步电动机采用电阻降压的起动方法,仅适用于要求起动平稳的中小容量电动机以及起动不频繁的场合大容量电动机多采用串电抗降压起动
4.
3.2串自耦变压器降压起动控制线路在自耦变压器降压起动的控制线路中,限制电动机起动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的自耦变压器的初级和电源相接,自耦变压器的次级与电动机相联自耦变压器的次级一般有3个抽头,可得到3种数值不等的电压使用时,可根据起动电流和起动转矩的要求灵活选择电动机起动时,定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压,一旦起动完毕,自耦变压器便被切除,电动机直接接至电源,即得到自耦变压器的一次电压,电动机进入全电压运行通常称这种自耦变压器为起动补偿器这一线路的设计思想和串电阻起动线路基本相同,都是按时间原则来完成电动机起动过程的图7定子串自耦变压器降压起动控制线路在自耦变压器降压起动过程中,起动电流与起动转矩的比值按变比平方倍降低在获得同样起动转矩的情况下,采用自耦变压器降压起动从电网获取的电流,比采用电阻降压起动要小得多,对电网电流冲击小,功率损耗小所以自耦变压器被称之为起动补偿器换句话说,若从电网取得同样大小的起动电流,采用自耦变压器降压起动会产生较大的起动转矩这种起动方法常用于容量较大、正常运行为星形接法的电动机其缺点是自耦变压器价格较贵,相对电阻结构复杂,体积庞大,且是按照非连续工作制设计制造的,故不允许频繁操作
4.
3.3Y—△降压起动控制线路线路设计思想Y—△降压起动也称为星形—三角形降压起动,简称星三角降压起动这一线路的设计思想仍是按时间原则控制起动过程所不同的是,在起动时将电动机定子绕组接成星形,每相绕组承受的电压为电源的相电压220V,减小了起动电流对电网的影响而在其起动后期则按预先整定的时间换接成三角形接法,每相绕组承受的电压为电源的线电压380V,电动机进入正常运行凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机,均可采用这种线路定子绕组接成Y—△降压起动的自动控制线路如图8所示图8Y—△降压起动控制线路图中,可以看到主电路中有三组主触点,其中接触器KM2和KM3主触点一定不能同时闭合,意味着电源将被短路所以,控制线路的设计必须保证一个接触器吸和时,另一个接触器不能吸和,这就叫做互锁也就是说KM2和KM3两个接触器需要互锁通常的方法是在控制线路中解除其KM2与KM3线圈的支路里分别串联对方的一个动断辅助触电这样,每个接触器线圈能否被接通,将取决于另一个接触器是否处于释放状态,如解除其KM2已接通,它的动断辅助触点八KM3线圈的电路断开,从而保证KM2和KM3两个接触器不会同时吸合这一对动断触点叫做互锁触点Y-Δ降压起动控制线路的工作原理如下合上电源开关QS,按下起动按钮SB2,这时,接触器KM
1、KM2时间继电器KT线圈通电,解除其KM1主触点和自锁触点闭合KM2主触点闭合与KM2互锁触点断开,电动机按Y形接法起动,经过所整定延时时间后,时间继电器KT的动合触点闭合和动断触点断开,使接触器KM2线圈断电,接触器KM2主触点断开,电动机暂时断电,同时接触器KM2互锁触点闭合,使得接触器KM3线圈通电,接触器KM3主触点和自锁触点闭合,电动机改为三角形连接,然后进入稳定运行,同时接触器KM3互锁触点断开,使时间继电器KT线圈断电Y接法的起动的电流仅为Δ接法的三分之一,从而限制了起动电流,但是Y接法的起动转矩为Δ接法的三分之一,所以Y-Δ起动只适用空载或轻载起动这种方法适用在正常运行时绕组是三角接法的电机电机定子的六个线头都引出来,接到换接开关上在起动时先将定子接成星型,这时加在每相绕组上的电压将为额定电压的倍,待起动完成后再改接到三角接法,加上额定电压下图是星三角启动的接线图图9星型——三角起动的接线图结论三相异步电动机星三角启动的优点是附加设备少,操作简便所以现在生产的小型异步电动机常采用这种方法为了便于采用星三角启动,小型异步电动机的定子绕组一般设计成三角形连接,刚开始采用星型连接的电流是三角连接的三分之一,从而减小启动电流,保护电网安全,待启动后改为三角形连接,转矩就为开始星连接的三倍,从而保证对电机力矩的要求致谢在此论文的写作期间,得到毕业设计指导老师悉心的指导和精心的帮助,并在实习时也得到实习老师的帮助,在此向各老师表示深深的感谢同时我也得到机电工程系同学的大力支持及学长们的无私帮助,另外本文参考了多篇论文,在此一并表示感谢!参考文献
1.汤蕴璆,电机学,机械工业出版社,北京
2003.
12.邓星钟,机电传动控制,华中科技大学出版社,
2001.
34.秦曾煌,电工学,第五版,高等教育出版社,北京,
2005.
123.李永东,交流电机数字控制系统,机械工业出版社,
2002.5。