电气091交流课设E.docx

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电气091交流课设E

江西理工大学应用科学学院

电力拖动综合课程设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

091班

学号：

姓名：

设计题目：

交流电动机拖动设计题目E

设计报告格式25分

设计内容45分

答辩

考勤

总计得分

封面

3

页面布局

5

目录格式

3

图表质量

4

间行距、字体

5

页眉页脚

5

设计题目分析

5

系统控制方案

8

设备计算、选型

7

电气原理图

调节器参数整定或程序设计

10

10

20

主电路

5

控制电路

5

总图

5

目录

第1章设计课题及分析3

1．1设计题目3

1.2对设计题目的分析3

第2章电动机的选择、组成及原理4

2.1电动机的选型4

2.2绕线型异步电动机的基本结构4

2.2.1定子部分5

2.2.2转子部分6

2.2.3其他部分7

2.3绕线型异步电动机的工作原理7

2.3.1三相交流电机的旋转磁场7

2.3.2三相电动机的转动原理8

第3章水闸门拖动系统的运行方案10

3.1速度图10

3.2水闸门拖动系统的运行方案10

第4章水闸门拖动系统11

4.1水闸门拖动系统的启动方案11

4.1.1转子串电阻的分级起动的原理11

4.2水闸门拖动系统的调速方案12

4.2.1转子串电阻调速的原理12

4.3水闸门拖动系统的制动方案13

4.3.1转速反向的反接制动的原理13

第5章水闸门拖动系统的参数计算14

5.1启动参数的计算14

5.2调速参数的计算15

5.3制动参数的计算16

参考文献17

设计心得18

第1章设计课题及分析

1．1设计题目

某水电厂闸门重60吨，采用绕线异步电动机进行电力拖动，要求启门扬程为9m,启闭速度为0.95m/min，闸门的开度能进行控制，系统的示意图如下：

卷扬机传动轴传动轴卷扬机

图1-1示意图

1.2对设计题目的分析

由于是第一次接触此类工程设计题目，经验不足，只能参照模型（起重机）进行设计，而且在一定程度上，水电厂的闸门拖动同起重机的重物起降是相似的。

基于以上原因，本人会尽力地达到设计题目的要求，从而圆满完成这次课程设计！

第2章电动机的选择、组成及原理

2.1电动机的选型

根据题目的技术要求，本人选用了YZR132M16型绕线式三相异步电动机。

YZR系列是最新设计的电动机，具有过载能力大和机械强度高的特点，特别适用于驱动各种类型的冶金及起重机械或其他类似设备。

（1）YZR系电动机能在下列环境条件下正常运行：

1）冷却介质温度不超过60℃（冶金用电动机）或40℃（起重用电动机）。

2）海拔不超过1000米。

3）经常的、显著的机械振动和冲击。

（2）YZR系电动机在下列负载条件下能正常工作：

1）经常的起动与逆转。

2）经常的电器或机械制动。

（3）电动机的额定频率为50赫，额定电压为380伏

（4）接法：

功率为132千瓦和小于132千瓦的定子绕组用Y接法，其余的用△接法。

（5）型号说明：

图2-1型号说明

2.2绕线型异步电动机的基本结构

三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。

此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。

图2-2绕线型异步电动机的结构

2.2.1定子部分

定子是用来产生旋转磁场的。

三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。

a外壳

三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座：

铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。

中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。

通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。

端盖：

用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

轴承盖：

也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。

接线盒：

一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。

吊环：

一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。

b定子铁心

异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图2-3所示。

由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。

铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。

定子铁心定子冲片

图2-3定子

c定子绕组

定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。

三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。

每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。

线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。

中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。

定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1,V1,W1，末端分别标为U2,V2,W2。

这六个出线端在接线盒里的排列如图2-4所示，可以接成星形或三角形。

内部连接星形联接三角形联接

图2-4连接方式

2.2.2转子部分

转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。

绕线形绕组与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见图2-5

1—集电环；2—电刷；3—变阻器

图2-5绕线形转子与外加变阻器的连接

2.2.3其他部分

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。

2.3绕线型异步电动机的工作原理

2.3.1三相交流电机的旋转磁场

三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。

下面来讨论旋转磁场的产生。

如图2-6所示，U1U2,V1V2,W1W2为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成Y形。

三相绕组的首端U1,V1,W1接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。

设电源的相序为U,V,W,的初相角为零，如图2-6波形图所示。

图2-6三相交流电流波形图

设：

i1=sinwt（2-1）

i2=sin（wt-120°）（2-2）

i3=sin（wt+120°）（2-3）

为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。

当wt=0o的瞬间，i1=0,i2为负值，i3为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图2-7所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），右边是N极，左边是S极。

wt=0owt=90o

图2-7二极旋转磁场

空间120度对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。

当wt=90o时，即经过1/4周期后，由零变成正的最大值，i2仍为负值，i3已变成负值，如图2-7所示，这时合成磁场的方位与wt=0o时相比，已按逆时针方向转过了90°。

应用同样的方法，可以得出如下结论：

当wt=180o时，合成磁场就转过了180o，当wt=300o时合成磁场方向旋转了300°，如图3.6（d）所示；当wt=360o时合成磁场旋转了360°，即转1周。

由此可见，对称三相电流i1、i2、i3分别通入对称三相绕组U1U2，V1V2，W1W2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。

以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。

由此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。

因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是n1=60f/p。

2.3.2三相电动机的转动原理

三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p。

旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。

转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。

设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为南极S，如图2-8所示。

根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示

图2-8三相电动机的转动原理

原理：

定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。

（n不能等于n0）特点：

电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。

－实现能量转换的前提；电动运行时n恒不等于n0（异步）－必要条件n

图2-9异步电动机的模型

流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力F的方向可用左手定则确定，如图2-9所示。

电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。

三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。

因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。

由此可见n1不等于n，且n

旋转磁场转速n1与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率s，即S=（n1-n）/n1；转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。

当异步电动机处于电动状态运行时，电磁转矩Tem和转速n同向。

转子尚未转动时，n=0,s=1；当n1=n时，s=0，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。

一般情况下，额定运行时=1%～5%。

第3章水闸门拖动系统的运行方案

本次设计拖动系统采用的是绕线式三相异步电动机：

PN=60kw，nN=960r/min，UN=380V，I2N=71A，E2N=179V，Y接，λm=2.26，提升水闸门速度v2=0.95m/min=0.016m/s，下放重物速度v3=0.95m/min=0.016m/s。

3.1速度图

图3-1水闸门拖动速度图

3.2水闸门拖动系统的运行方案

（1）加速阶段t1:

该阶段是起动阶段，采用了转子串电阻的分级起动。

（2）等速阶段t2：

以v1速度匀速运行

（3）调速阶段t3：

以v2速度匀速运行，v2=0.6v1,该阶段采用了改变转差率调速中的转子串电阻调速。

（4）减加速阶段t4：

以最大减加速度减速，速度由v2变换到v3，该阶段采用了转向反向的反接制动。

（5）等速阶段t5：

以v3匀速运行

（6）减速阶段t6：

由v3减速到0，该阶段采用了转向反向的反接制动

第4章水闸门拖动系统

4.1水闸门拖动系统的启动方案

绕线式三相异步电动机的起动方法有：

转子串电阻的分级起动；转子串频敏变阻器的起动。

为了使起动过程中转子转速的变化尽可能平稳，经分析在设计中选用了转子串电阻的分级起动。

4.1.1转子串电阻的分级起动的原理

起动时，在转子电路串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因转子电阻增大也限制了起动电流；起动结束，切除转子所串电阻。

为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。

起动接线图和特性曲线如图4-1所示。

图4-1绕线式异步电动机起动接线图和特性曲线

（1）接触器触点KM1、KM2、KM3全断开（接触器的控制由第五篇电器控制技术讨论），电动机定子接额定电压，转子每相串入全部电阻。

如正确选取电阻的阻值，使转子回路的总电阻值=X1+X2’（注意r2’是转子一相绕组本身的电阻与串加电阻总和的折算值），则由式

Sm=r2’/（X1+X2’）（4-1）

可知，此时Sm=1,最大

Temax=3pU12/4πf1（X1+X2’）（4-2）

就产生在电动机起动的瞬间，如图4-1中曲线0中a点，起动转矩Ts1。

（2）由于Ts1>TL（负载转矩）电动机加速到b点时，T=Ts2，为了加速起动过程，接触器KM1闭合，切除起动电阻R’，特性变为曲线1，因机械惯性，转速瞬时不变，工作点水平过渡到c点，使该点T=Ts1。

（3）因Ts1>TL，转速沿曲线1继续上升，到d点时KM2闭合，R’’被切除，电动机运行点从d转变到特性曲线2上的e点……。

依次类推，直到切除全部电阻，电动机便沿着固有特性曲线3加速，经h点，最后运行于i点（T=TL）。

上述起动过程中，转子三相绕组所接电阻平衡，另外三级平衡切除，故称为三级起动。

在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的，适合于容量较大的设备，重载起动的情况，广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备；对于一些容量较小的设备，转子三相绕组所接电阻也可以不平衡，同样，在切除时，也要进行非平衡切换。

转子串电阻起动的缺点是所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上，起动级数也较少。

注意：

转子三相绕组所接电阻并非越大越好，若出现r2’>X1+X2’的情况，即起动于图中特性曲线4上面，起动转矩T3,T3

所以，转子三相绕组所接电阻要适当。

4.2水闸门拖动系统的调速方案

绕线式三相异步电动机的调速方法有：

变级调速；变频调速；改变转差率调速。

变级调速有：

从星形改成双星形，三角形改成双星形；变频调速有：

从基频向下调变频调速，从基频向上调变频调；改变转差率调速有：

改变定子电压调速，转子串电阻调速，串级调速。

通过分析，由于调速时间短，调速范围不大，设计中选用了改变转差率调速中的转子串电阻调速。

4.2.1转子串电阻调速的原理

绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图4-2所示。

转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。

所串电阻越大，运行段特性斜率越大。

若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。

图4-2转子串电阻调速的机械特性

根据电磁转矩参数表达式，当T为常数且电压不变时，则有

r2/Sa=（r2+R1）/Sb=常数（4-3）

因而绕线转子异步电动机转子串电阻调速时调速电阻的计算公式为

R1=（Sb/Sa-1）/r2（4-4）

式中

Sa——转子串电阻前电动机运行的转差率；

Sb——转子串入电阻R1后新稳态运行时电动机的转差率；

r2——子每相绕组电阻转

尽管绕线式异步电动机转子串电阻调速方案在低速时运行效率较低，但由于这种调速方式具有起动平滑、可以额定转矩起动、起动电流小、调速范围宽和投资小等优点，因而对于起动负载能在一定范围内得到应用。

4.3水闸门拖动系统的制动方案

制动指的是电磁转矩与转子转速方向相反的一种运行状态。

绕线式三相异步电动机的制动方法有：

能耗制动，反接制动，回馈制动。

反接制动有：

转速反向的反接制动；定子两相反接的反接制动。

通过分析在设计中，采用了转速反向的反接制动。

4.3.1转速反向的反接制动的原理

转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。

异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻Rf，机械特性的最大转矩点到了第IV象限。

当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物G产生的负载转矩相反，而且Tst

此时转差率

（4-5）

随着

的增加，

、

及

均增大，直到转矩增至T=Tz，转速稳定为-n2，此时重物以等速下降，稳定运行点在第IV象限的

点，如图4-3（b）所示，图中机械特性在第IV象限的部分即为异步电动机转速反向的反接制动。

（a）电路图  （b）机械特性

图4-3 三相绕线式异步电动机转速反向的反接制动图

电动机在反接制动状态时，它由轴上输入机械功率（s>1,P2为负），同时，定子又通过气隙向转子输送电功率，这两部分合起来消耗在转子电路的总电阻R2+Rf中。

这种制动与回馈制动一样，可用于水电厂的闸门下放，这也属于一种稳定运行状态。

第5章水闸门拖动系统的参数计算

本次设计拖动系统采用的是绕线式三相异步电动机：

PN=60kw，nN=960r/min，UN=380V，I2N=71A，E2N=179V，Y接，λm=2.26，提升水闸门速度v1=0.95m/min=0.016m/s，下放重物速度v2=0.95m/min=0.016m/s。

5.1启动参数的计算

机械特性式：

T=2λmTN/（Sm/S+S/Sm）（5-1）

机械特性曲线

图5-1绕线式异步电动机起动接线图和特性曲线

S=Sm[λm*TN/T-√（（λm*TN/T）2-1）]=Smσ（5-2）

转矩函数：

σ=λm*TN/T-√（（λm*TN/T）2-1）（5-3）

最大起动转矩TS1的转矩函数：

σ1=λm*TN/Ts1-√（（λm*TN/Ts1）2-1）（5-4）

切换转矩TS2的转矩函数：

σ2=λm*TN/Ts2-√（（λm*TN/Ts2）2-1）（5-5）

额定转矩TN的转矩函数：

σn=λm-√（λm2-1）（5-6）

代入数据得：

σn=0.2333

取TS1=0.84λmTN,

取TS2>1.1TN,

SN=（n1-nN）/n1=0.04（5-7）

回路的总电阻之间的公比：

q=σ1/σ2=1.67（5-8）

级数

m=ln（σn/（σ1*sN））/lnq=5（5-9）

取m=5,重新计算

q=4√（σn/（σ1*SN））=1.67（5-10）

σ2=σ1/q=0.2929Ts2=2λm*σ2/（1+σ22）=1.2193TN›1.1TN满足条件，（5-11）

所以m=5，q=1.67

r2=SNE2N/√3I2N=0.0582Ω（5-12）

各级起动时的转子回路总电阻：

R1=q1r2=0.0972Ω（5-13）

R2=q2r2=0.1623Ω（5-14）

R3=q3r2=0.2711Ω（5-15）

R4=q4r2=0.4527Ω（5-16）

R5=q5r2=0.7560Ω（5-17）

各级起动时转子回路外串起动电阻：

Rz1=R1-r2=0.0138Ω（5-18）

Rz2=R2-Rz1=0.0651Ω（5-19）

Rz3=R3-Rz2=0.1087Ω（5-20）

Rz4=R4-Rz3=0.1815Ω（5-21）

Rz5=R5-Rz4=0.3033Ω（5-22）

5.2调速参数的计算

忽略摩擦因素，得出需拖动水闸门的拉力为

F=mg+mv2/r（5-23）

由于速度变化小，简作为匀速运动，得出功率为

P=Fv=mgv+mv3/r（5-24）

T=9550P/n（5-25）

n1=60*f1/p=1000r/min（5-26）

SN=（n1-nN）/n1=（1000-960）/1000=0.04（5-27）

由于是恒转矩调速，得出功率与转速成正比，因此

nB=PCnB/PN（5-28）

nB=153.6r/min（5-29）

SA=（n1-nA）/n1=0.04（5-30）

SB=（n1-nB）/n1=0.846（5-31）

由

SB/SA=（r2+RΩ1）/r2（5-32）

解得

RΩ1=（SC/SA-1）*r2=1.1727Ω（5-33）

5.3制动参数的计算

（1）t4阶段用的是转速反向的反接制动：

nB=0.6*nA=153.6r/min（5-34）

nC=-0.6*nA=-153.6r/min（5-35）

SB=（1000-153.6）/1000=0.846（5-36）

SC=（1000-（-153.6））/1000=1.154（5-37）

SB/SC=（r2+RΩ1）/（r2+RΩ1+RΩ2）（5-38）

得

RΩ2=0.4481Ω

（2）t6阶段用的是转速反向的反接制动

SD=（n1-0）/n1=1（5-39）

SD/SC=（r2+RΩ1+RΩ2）/（r2+RΩ1+RΩ2+RΩ3）（5-40）

得

RΩ3=0.2241Ω

参考文献

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