两台三相交流异步电动机的设计 精品.docx
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两台三相交流电动机配电柜的设计
毕
业
设
计
说
明
书
系部：
机电工程系
专业：
电气自动化
班级：
08电气一班
姓名：
引言
本次设计对象为某乡工业用水水厂两台37kw三相交流电动机的动力配电柜，该配电柜是以交流50Hz，额定电压380v的低压电气柜。
低压电气柜是集多个开关电器和相关的控制、测量、信号、保护、调节等单元于一体的一种电气设备。
本设计主要内容是两台37kw三相交流异步电动机的控制、低压控制电器的选择、低压控制电器的参数、指示灯、按钮、导线、母线排、接线端子的选择、三相交流笼型异步电动机主电路的设计、三相交流笼型异步电动机控制电路的设计、柜体的设计、电器布置图的设计、元件明细表、用AutoCAD完成控制电路接线图的绘制。
目前，国内实际使用的电控类和低压配电类电气柜的行业几乎包括了国民经济的全部行业。
据有关资料显示，我国发电量及用电量以平均每年10％的速度增长，社会对高低压配电柜的需求量也逐渐加大，而本次设计的低压配电柜具有分断能力强、动热稳定性好、电气方案灵活、组合方便、实用性强、结构新颖等特点，使传统的高低压成套设备逐步向智能化、自动化方向发展。
编者
2011年3月
基本原理
该配电柜主要控制对象为工业用水水厂两台三相交流异步电动机，该柜是由柜体、母线、一二次元件、辅材等组成的完整设备，它在电网中起着接收和分配电能的作用，同时对电力设备起着控制和保护作用。
其中母线板、刀开关、断路器、电流互感器、自耦变压器、交流接触器、热继电器组成的设备为一次设备。
为了使一次系统能安全可靠、稳定地运行，随时监视一次系统运行状态，同时能随时控制一次系统所必须配备许多其他电器元件及设备，如：
测量仪表（电流表）、控制信号元件（信号灯、按扭、转换开关等）、继电保护装置等。
首先该厂使用的是自扇冷式三相笼型异步电动机，其额定功率为37kw，额定电流为71.2A，额定工作电压为380v。
对于电动机的起动，如果采用直接起动，起动电流将使电网电压发生较大的波动而影响其他电动机或电器的正常工作，所以，采用通过自耦变压器减压起动的方法。
QS为刀开关，主要用于手动接通或分断开电流较小的电路。
TA为电流互感器，它二次绕组的额定电流为5A，可以避免主电路的高压直接引入仪表、继电器，又可防止仪表、继电器的故障影响主电路，提高工作的安全性和可靠性。
FR为热继电器，做电动机的过载保护。
KM为交流接触器，是一种自动化的控制电器，主要用于频繁的接通和分断交直流电路，具有控制容量大，可远距离操作的优点。
结构设计说明
（一）控制方案分析
1.确定起动方法
对于两台37kw的三相异步电动机，如果直接起动，起动电流将使电网电压发生较大的波动而影响其他电动机或电器的正常工作，所以需采用减压起动。
三相异步电动机常用的减压起动方法有：
定子电路串电阻器（或电抗器）减压起动法；星形－三角形减压起动法；自耦变压器减压起动法等几种。
在本例中，因电动机的接法是星形，所以带负载又为重载，根据各种起动方法的特点，选择自耦变压器减压起动法起动。
自耦变压器又成起动补偿器，它可以限制起动电流的同时，用自耦变压器减压起动将比其他减压起动方法获得较大的起动转矩；起动用自耦变压器减压起动，用户可根据电网允许的起动电流和机械负载所需的起动转矩通过二次绕组的三个抽头进行选配。
2. 电动机的控制原则
在电动机的起动、调速、反向与制动过程中，按不同参数的变化来实现自动控制，称为电力拖动自动控制原则。
各种控制原则及特点如下表。
选择控制原则时，除考虑其本身特点外，还应考虑电力控制系统提出的基本要求、安全可靠性、操作维修等因素。
控制
原则
特点
时间
原则
电路简单,不受电机参数、电网电压等参数的影响，任何电机都适用
速度
原则
电路简单，控制加速时受电网电压影响，制动时则无影响
电流
原则
电路联锁复杂，可靠性差，受各种参数影响大
电势
原则
较准确反应电动机转速
行程原则
电路简单，不受各种参数影响，只反应动作部分的位置
根据各种控制原则的特点，综合考虑选用时间原则进行控制。
3.电气控制电路的联锁环节和电动机的保护环节
为了保证电力拖动控制系统中电动机、各种电器和控制电路能正常运行，消除可能出现的危险因素，并在出现电气故障时，尽可能缩小故障范围，保障人身和设备的安全，必须对电力拖动控制系统设置各种联锁和保护环节。
（1）联锁环节
在控制电路中，常用的联锁有自锁环节、互锁环节、顺序动作环节和机械联锁等，以保证生产工艺要求的实现与电路安全可靠地工作。
（2）电动机的保护环节
电动机常用的保护环节有短路保护、过电流保护、热保护、零电压和欠电压保护、弱磁保护及超速保护等。
电力拖动系统中，根据不同的工作情况，对电动机设置一种或几种保护措施。
如：
过载保护、缺相保护、短路保护等，确定保护元件如下：
断路器、热继电器和熔断器。
（二）原理图设计
1.主电路设计
在设计主电路时除要考虑有关保护外，对主电路中的电流大小还应有指示，因而加电流表对电流进行监视。
根据以上的方案分析以及设计要求，设计两台电动机控制线路的主电路。
2. 控制电路设计
根据控制要求和主电路的设计方案设计控制电路。
注意事项：
a.在起动过程中应保证KM3、KM6不能得电；b.起动结束后应将自耦变压器T1、T2切除。
M1的控制电路图：
M2的控制电路图：
（三）控制电路原理分析
鉴于两台电动机控制电路的原理相同，选取其中一台电动机（M2）进行分析。
合上主电路中的QS2、QF2～HL11、HL12亮（通用指示）
1. 电动机起动
按下SB7或SB8～KM4得电并自锁→KM5得电
KT2得电且延时
→[HL11、HL12熄灭]
→[HL9、HL10亮]电动机起动→KT2延时时间到→KA2得电自锁 → [KM4失电]
[HL9、HL10熄灭]→[KM6
得电]
[KT2、KM5失电]→【HL7、HL8亮
电动机正常运行
2. 电动机停止
按下SB5或SB6后，KM6失电，电动机停止
3.控制电路的互锁保护
KM4得电时，其串在KM6线圈支路上的常闭触头断开，保证了KM6不能得电；KM6得电的前提是KA2得电，KA2的常闭触头又会将KM4切断，保证电动机在全压运行时，KM4、KM5线圈处于断电状态，因而将自耦变压器T2切除。
（四）柜体设计
柜体设计应满足以下三个方面的要求：
1.尺寸要求
机柜为电气元器件和各种附件提供必须的安装空间，因而首先遇到的是尺寸问题。
由于工程设计和机柜本身配件的需要，对机柜的外形尺寸、安装尺寸和某些互换尺寸必须作出一些规定，一般都以标准的形式加以规范。
我们设计时参照GB7267－87电力系统二次回路控制，保护屏及柜基本尺寸系列标准。
在前面我们选用的自耦变压器的外形尺寸为：
380mm×138mm×297mm，所以设计的柜体必须能放得下两个这样的自耦变压器。
2.功能要求
机柜的功能要求包括产品的功能要求和机柜结构的功能要求这两个方面。
归纳起来大致有①电气元器件及其附件的安装要求；②外壳防护要求；③屏蔽和接地要求；④通风散热要求；⑤人机学要求；⑥布线要求；⑦机柜的强度和刚性要求等。
3.机柜的工艺性要求机柜的工艺性要求是指在满足使用功能要求的前提下，对机柜的总体及零件、部件制造的可行性和经济性的要求，以及机柜满足电气设备装配的工艺性和可维修性要求。
在设计一般的配电、控制柜时，柜体都可选用标准系列柜。
对于非标准柜，可根据以上设计原则进行设计。
为缩短设计时间、减少工作量、降低成本，原则标准柜。
跟据要求选择标准GGD柜，产品代号TGGD2 08，主要尺寸为长800mm，宽600mm，高2200mm。
此柜的柜门采用镀锌转轴式铰链与构架相连，安装、拆卸方便。
柜体前后，顶面及两端侧的防护等级达到IP30，也可根据用户的要求在IP20～IP40之间选择。
在柜体的下部、后上部和顶部均有通风散热孔，使柜体在运行中形成自然通风道，有较好的散热性能。
柜体的顶盖可在需要时拆除，便于现场主母线的装配和调整。
柜顶的四角装有吊环，便于起吊、装运。
另外GGD柜的价格也比较适中，可以满足我们的要求。
（五）电气布置图的设计
低压电器电控设备的布置原则
在进行布置时应考虑到监视、操作、连线及维修的方便，并应力求整齐美观。
设计要符合GB4720《电气传动控制设备 第一部分：
低压电器电控设备》中技术条件的规定。
（1）接触器、继电器的布置 控制柜、屏上继电器、接触器均应符合本身的安全要求。
喷弧距离较长的接触器应布置在屏、柜的最上部，并保证喷弧距离，以免引起事故，有必要时，可增设阻隔电弧的设施。
但应注意构架的机械强度及振动影响。
大型元件可装在屏、柜的下部。
在屏、柜的整个区域内均可布置中小型接触器和继电器，而手动复位继电器则应布置在便于操作的部位，推荐布置在距地面700～1700mm的区域内。
对喷弧区较大的电器，应布置在距地面1.7m以上的区域。
元件的空间距离应符合GB4720《电气传动控制设备 第一部分：
低压电器电控设备》的规定，即安装在设备上的电器元件与另一个电器元件的导电部分之间；一个导电部件与另一个导电部件之间的爬电距离和电气间隙，不得低于下表中的数据。
额定绝缘电压/V
电气间距/mm
爬电间距/mm
≤300
6
10
300～600
8
14
660～800
10
20
800～1500
14
28
布置元器件时，应留有布线，接线，维修和调整操作的空间距离，板前接线式元器件应大于板后接线式元器件的空间间距。
（2）操纵器件的布置
操纵器件包括：
低压断路器操作手柄、按钮、按键开关、转换开关等。
控制柜的仪表板上只能安装小型操纵器件，且一般布置在仪表板的下部。
其他操纵器件推荐布置在柜、屏距地面700～1700mm的区域。
布置时应按照操作顺序由左到右、从上至下布置。
按钮的排列：
停止按钮可放在一端或中间位置，在这个控制线路中按钮的排列，如下图：
停止运行
向上喷弧的低压断路器，应留有足够的喷弧距离或增设阻隔电弧的设施，以免损坏其他元器件。
（3）其他器件的布置
1）接线座 用于相邻柜、屏间的连线时，宜布置在柜、屏的两侧；用于外部接线的接线座，宜布置在柜、屏下部。
接线座布置在屏下时，不宜低于300mm，柜内布置时不应低于200mm。
周围需留有足够的空间，以便于外部电缆的引入。
2）母线 母线应涂色表示相序、正极、负级及中性线。
除安全接线需全长标色外，其他允许在母线的题目处标示一段。
主电路相序排列和颜色，以屏、柜的正视方向为准，应符合规定。
技术指标分析
1.用电设备计算负荷的计算：
由于电动机为37KW即Pe=37kw
由工厂供电附录1查得：
水泵电动机需要系数Kd=0.8,cos∮=0.8，tan∮=0.75
有功计算负荷P30=KdPe=0.8×37=29.6
无功计算负荷Q30=P30tan∮=29.6×0.75=22.2kvar
视在计算负荷S30=P30/cos∮=29.6/0.8=37KVA
I30=S30/√3UN=37/1.732×0.38=56.21A
2.自耦变压器的选择
选择自耦变压器主要是选择其型号与功率。
对于起动用自耦变压器型号主要有QZB1和ZOB10两种，在此我们选用QZB1系列的自耦变压器；对于功率，原则上应与所控制的电动机的功率相同，但由于市场上并没有37kw这个功率等级的自耦变压器出售，所以我们选用40kw，即QZB1－40。
其外形尺寸为380mm×138mm×297mm。
3.接触器的选择
该控制照路中共使用了三只交流接触器，因控制电路的电压为交流380V，故三只接触器的线圈额定电压均为380V。
又因控制的是三相笼型异步电动机的起动与停止，故选用的类别均为AC－3。
由于电路电压为380V，故所选接触器的额定电压应不小于380V。
因三个接触器KM1、KM2、KM3在工作时流过主触头的电流大小不一样，所以应分别加以选择。
电动机控制电路电流计算；
流过接触器KM2的电流；
IKM2=PM1×1000/K.UN取K=1
则IKM2=37×1000/380=97.36A
所以KM2选择额定电流为100A的接触器，型号为CJ20-100。
由于主触头额定电流IKM3与IKM2相同
即IKM3=IKM2=97.36A
所以KM3选择额定电流为100A的接触器，型号为CJ20-100。
由于KM1连接自耦变压器，工作时间短，且电流较平稳，故选择额定电流较小一点的，选63A,型号为CJ20-63。
3.低压断路器的选择根据低压断路器的选择原则，所选断路器的额定工作电压必须不小于电路额定电压380V；额定电流必须不小于主电路的额定电流71.2A；额定短路通断能力应不小于电路中可能出现的最大短路电流，经计算最大短路电流约为16KA。
断路器欠电压脱扣器额定电压应等于电路额定电压380V；作为电动机保护的断路器，其瞬时整定电流应为8～15倍的电动机的额定电流。
根据以上要求我们选用DZ20Y-100/3300型塑料外壳式低压断路器。
4.刀开关的选择
因电路电压为交流380V，电动机的工作电流为71.2A，再考虑控制电路中各电器线圈的工作电流一般为几十毫安至几百毫安，可选额定电压为交流380V，且IQN≥3×电动机额定电流IN
IQN≥3×71.2=213.6A
考虑到控制电路中各电器线圈的工作电流一般都很小，所以选择380V,200A的HD13系列3极刀开关，型号为HD13BX-200/31。
5.热继电器的选择
为保护电动机不会因缺相而烧坏，所以热继电器除具有过载保护作用外，还应具备缺相保护功能。
所以选择用JR16系列的热继电器。
一般情况下，热继电器热元件的整定电流I可按下式选取：
I＝（0.95～1.05）INM
式中INM－电动机额定电流，单位为A。
取上式系数为1.0，则热继电器热元件的整定电流为71.2A，再根据热元件等级，最后确定热元件额定电流为85A，所以确定选用JR16B－150/3D型热继电器，其额定电流为150A。
整定电流调节范围53A～70A～85A。
6.电流互感器与电流表的选择
因电动机的额定电流为71.2A，电流互感器一次侧的额定电流值应不小于71.2A，而二次侧的电流为标准的5A，故可选用LMZ3－ 0.66－150/5型电流互感器，该互感器额定电压为660V，一次侧额定电流为150A，二次侧额定电流为5A。
电流表的选择，只要选用读数范围与电流互感器一次侧的额定电流值配套的交流电表即可，确定选用42L6－A150型电流表。
7.时间继电器的选择
该控制电路的电压为380V，所以KT1的线圈电压也应为380V。
在此电路中对触头的要求是：
得电延时的常开触头需有一对。
根据以上要求，查阅有关手册，选用ST3PA－B型超级时间继电器.
8.中间继电器的选择
选择中间继电器的主要技术参数有：
a.中间继电器的额定电压；b.常开常闭触头数量；c.线圈额定电压。
因控制电路电压为交流380V，常开常闭触头的数目是2常开2常闭，可选用JZ7－44型中间继电器。
其额定电压为380V，线圈额定电压也为380V，触头数量为4常开4常闭，触头额定电流为5A。
9.熔断器的选择
熔断器作为控制电路的短路保护，选择时主要从额定电压、额定电流和额定分断能力等三方面考虑。
1）熔断器的额定电压必须不小于熔断器工作点的电压，380V。
2）熔断器的额定分断能力应大于线路中可能出现的最大短路电流16KA。
3）熔断器的额定电流应根据被保护的电路及设备的额定负载电流选择。
该控制电路在工作时，最多有两个线圈同时吸合以及两个指示灯同时工作，估算其最大负载电流为10A，故所选熔断器应大于此值。
另外为方便安装，所选熔断器应能插在安装端子的导轨槽中。
熔断器电流的计算；
查工厂供电设计手册得PN为37KW的电动机冲击电流Ist=195A,额定电流IN=71.2A
尖峰电流；Ipk=I30+（Ist-IN）max=180A
根据熔体额定电流IN.FE≥K.IPK
KIPK=0.085×180=15.3A
即IN.FE≥15.3A
该熔断器额定电流选16A,型号为RT18-32。
10.指示灯的选择
该控制电路共用了6只指示灯，选择指示灯，主要是根据其工作电压以及使用场合来确定其型号和颜色。
据此我们选用AD11系列的指示灯，其型号为AD11－22/41－5G，额定电压为380V。
各指示灯的颜色，根据国家标准GB 26681－81的规定，选定为：
HL1、HL2为绿色；HL3、HL4为黄色；HL5、HL6为红色。
11.按钮的选择
该控制电路中共用了4只按钮。
按钮选择的主要参数有按钮的型号、触头数量、额定电压与颜色等。
大部分按钮额定电流达到5A就能满足要求。
根据控制电路电压，按钮触头数，选定各按钮型号为LA18－22即2对常开，2对常闭，型式为一般式，额定电压为交流380V。
各按钮的颜色，根据国家标准GB26681－81的规定确定为：
停止按钮SB1、SB2为红色，起动按钮SB3、SB4为绿色。
12.导线的选择
导线主要分为两个部分：
连接主电路用导线和连接控制电路用导线。
电控装置中控制电路的导线截面，应按规定的载流量选择，但考虑到机械强度的需要，对于低压电控设备的辅助线路，应选用截面不小于0.75平方毫米的单芯铜绝缘线，或不小于0.5平方毫米的多芯铜绝缘线。
导线的额定绝缘电压应与电路的额定工作电压相适应。
故选用绝缘电压为交流380V的BV铜芯塑料硬线作为控制电路的连接线，截面积为1.50平方毫米。
该线在环境温度为40摄氏度时允许载流量为19A，考虑导线成捆或在行线槽中布线时按1＼2允许载流量作为实际载流量计算，也达到9A，远超出实际负载电流。
主电路中导线一般截面较大，不考虑机械有强度而只按允许载流量选择。
在这里主电路中电流按电动机达最大功率时满载电流来选择，选用绝缘电压为380V的BVR铜芯塑料软线作为主电路的连接线，截面积为35平方毫米。
该线在环境温度为40摄氏度时允许载流量达134A，肯定能满足要求。
对于主电路中电流表回路的连接线，由于电流最大为5A，所以可选用截面为2.5平方毫米的BVR铜芯塑料绝缘软线作为连接线。
导线选择；
（1）主电路导线截面的选择；
查工厂供配电设计手册BVR型铜芯绝缘线的载流量附录得；
40℃时，主电路每相BVR型铜芯绝缘线截面为35m㎡时载流量Ial=134A＞I30=56.21A.
所以按发热条件，主电路相线选择35m㎡。
（2）主电路中电流表回路连接线的选择；
40℃时，BVR型铜芯绝缘线截面为2.5m㎡时载流量Ial=18.06A＞5A.
所以按发热条件，电流表回路连接线选择选择2.5m㎡。
（3）控制电路导线截面的选择；
40℃时，BV型铜芯绝缘线截面为1.5m㎡时载流量Ial=19A＞5A.
所以按发热条件，电流表回路连接线选择选择1.5m㎡。
13.母线排的选择
母线的选择主要考虑以下几个方面：
母线的材料、截面形状、截面积、排列方式和支撑件的距离；母线在短路时的热稳定性和动稳定性。
母线的材料主要有铜和铝，一般用铜材料较多。
母线截面形状的选择应考虑集肤效应、邻近效应、电磁波渗透深度等因素的影响，要求散热良好、机械强度高、安装简单和连接方便。
成套开关设备用母线一般选用矩形，再根据母线的载流量，通过查阅《电机工程手册》选用截面为30mm*3mm（宽度＊厚度）的铜排作为母线。
14.接线端子的选择
在设计配电柜时往往将整个控制系统分成几部分安装，各部分之间的连接线必须通过接线端子连接，所以还需要选择接线端子。
接线端子分为主电路接线端子与控制电路接线端子。
由于主电路的导线捷面较大、自耦变压器上自带接线柱，所以无需再选择接线端子。
对于主电路中电流表回路的接线，根据其连接导线的截面，选用JF5－2.5型端子。
同样，控制电路的接线端子，可选用JF5－1.5型，此端子连接导线的最大截面为1.5平方毫米。
15．元件明细表
序号
元件符号
元件名称
型号规格
备注
1
KM1KM4
交流接触器
CJ20-63
～380V
2
KM2KM3
KM5KM6
交流接触器
CJ20-100
～380V
3
QF1QF2
低压断路器
DZ20Y-100/3300
4
QS1QS2
刀开关
HD13BX-200/31
5
TA1TA2
电流互感器
LMZ3-0.66-150/5
6
A1A2
A3A4
电流表
42L6-A150A
7
T1T2
自耦变压器
QZB1-40
8
FR1FR2
热继电器
JR16B-150/3D
～380V
9
FU1FU2
熔断器
RT18-32
16A
10
SB1SB2
SB5SB6
按钮
LA18-22
红色
11
SB3SB4
SB7SB8
LA18-22
绿色
12
HL1HL2
指示灯
AD11-22/41-5G
绿色
13
HL3HL4
AD11-22/41-5G
黄色
14
HL5HL6
AD11-22/41-5G
红色
15
KA1KA2
中间继电器
JZ7-44
～380V
16
KT1KT2
时间继电器
ST3PA-B
～380V
17
I
接线端子
JF5-1.5
控制电路
18
II
接线端子
JF5-1.5
电流表回路
结论
通过对两台37kw三相交流电动机的动力配电柜的设计，让我掌握了低压配电柜的一般设计方法，并对低压配电柜的组成员件及其作用有了更深刻的认识。
首先，通过这段时间的学习，重温了电动机的知识，对电动机的起动、制动，以及电动机正常运行时的过载、短路、缺相等保护，还依据电动机的控制原则，设计出了控制两台三相异步电动机的主电路，控制电路。
并对主电路及控制电路进行分析；其次，掌握配电柜的低压电器的用途及其参数，查阅资料后，知道了自耦变压器是在电动机起动时，对电动机进行降压起动，从而减小因电动机起动瞬间电流过大对电网电压及其他设备的影响，通过对其参数分析后，选择型号为QZB1-40自耦变压器，用手动接通和断开电流较小的电路，依据电路电压380V，电动机额定电流71.2A，选择额定电压为交流380V，额定电流为200A的HD13系列3极刀开关，型号为HD13BX－200/31。
电流互感器的二次额定电流为5A，以避免主电路的高压直接引入依表、继电器，又可防止仪表、继电器的故障影响主电路，从而提高工作的安全性和可靠性。
依据额定电压为660
升级会员 