毕业论文《关于三相异步电动机的启动与制动问题的研究.docx
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毕业论文《关于三相异步电动机的启动与制动问题的研究
网络教育学院
专科生毕业大作业
题目:
关于三相异步电动机启动和制动问题的研究
学习中心:
河北唐山迁安奥鹏中心
层次:
高中起点专科
专业:
电气工程学及其自动化
年级:
2009年秋季
学号:
5
学生:
张东有
指导教师:
郑秋辰
完成日期:
2011年8月10日
内容摘要
三相异步电动机是水利、工矿、冶金、化工等轻重工业、农业生产中以电能转换为机械能的核心动力源,在其各个电力拖动领域中发挥着不可替代的主导作用。
本文共分三章主要对三相异步电动机的启动问题、三相异步电动机的制动问题、电动机启动和制动分析总结、三相异步电动机的启动问题共分六节、相异步电动机的制动问题共分五节关于异步电动机的启动和制动的方式和特点以及适应场合作以阐述分析,同时以实例分析根据要求选择确定电动机启动方式,部分内容并以插图加以说明,但由于笔者水平所限难免偏波之处,望请指正。
关键词:
三相异步电动机的直接启动、降压启动、机械制动、电气制动
内容摘要·····························································I
前言·································································1
第一章三相异步电动机的启动问题·······································2
1.1异步电动机的启动要求··············································2
1.2异步电机固有的启动特性············································2
1.3直接启动··························································3
1.4笼型异步电动机的降压启动··········································3
1.5绕线式转子异步电动机的启动····································10
1.6启动方法选择实例分析·············································12
第二章三相异步电动机的制动问题······································14
2.1制动作用及分类···················································14
2.2机械制动·························································14
2.3电气制动-反接制动·················································14
2.4电气制动-能耗制动·················································15
2.5电气制动-再生发电制动(回馈制动)··································16
第三章电动机启动和制动分析总结······································17
参考文献····························································18
前言
三相异步电动机基本工作原理是当三相定子绕组通入对称的三相正弦交流电时,在定转子气隙中就产生了一个旋转磁场。
通过这个磁场把定子获得的能量传递给转子,在转子导条中产生了感应电动势即感应电流,和旋转磁场相互作用形成了电磁转矩,使转子沿着磁场方向转动,实现了拖动作用。
在初始异步电动机投入电网时,电动机从静止状态一直加速到稳定运行的转速,这个过程就是启动过程。
当电动机断电后,因转子及所带部件的爬行和惯性作用,故不能立即停止运转。
但许多设备如吊车、机床工作台等都要求准确定位和迅速停车,这就要对电动机进行制动,即当电动机脱离电源后,迫使其立即停车,这个过程就是制动过程,下文着重对于电动机的启动和制动问题进一步加以叙述。
编者
2011年7月
第一章三相异步电动机的启动问题
1.1异步电动机的启动要求
启动是异步电动机的一种特殊运行状态,异步电动机的启动性能,首先必须满足生产工艺的要求,同时还要使电动机本身能够合理地运行,所以对电动机的启动性能的要求主要是:
具有足够大的启动转矩,以保证生产机械正常启动;
启动电流越小越好,避免对电网及其他电气设备的负面影响;
启动设备力求简单,操作方便;
能力损失越小越好。
1.2异步电机固有的启动特性
异步电机的启动特性如图1-1所示:
图1-1异步电机的启动特性
普通异步电动机(包括笼式和绕线式),如果直接投入电网启动,其启动性能和要求恰恰相反,即启动电流大而启动转矩却很小.这是因为电动机起动时,n=0,s=1,旋转磁场以同步转速切割转子导体,在短路的转子绕组内感应很大的电势和电流,从而使它的定子电流也很大。
据公式
I’2=
当电动机正常运行时,转差率S很小(为0.01~0.03),所以
很大,从而限制了定子、转子电流。
但在启动时,S=1,
却很小,电动机等效电阻很小,启动电流很大,一般异步电动机启动电流约为其额定电流的4~7倍。
为什么异步电动机的启动电流很大,而启动转矩却很小呢?
根据前面讲过的公式M=CMφmI’2cosφ2可知,启动时,S=1,转子电流的功率因素接近900,所以cosφ2很小,尽管此时I’2很大,但其有功分量I’2cosφ2并不大。
另外,由于启动电流很大,定子绕组的漏阻抗压降打,因为U1=-E1+I1Z,E1将减小,必然导致气隙磁通φm减小。
总之,由于启动时每极磁通量φm减小,cosφ下降,启动电流虽然很大,启动转矩却很小。
一般异步电动机启动转矩为额定值的0.8~1.8倍。
启动电流过大,对于电网和电动机本身都不利。
过大的启动电流冲击,将引起电网的波动,影响接在同一电网上的其它电气设备正常运行。
对于电动机,过大的启动电流使电动机受到过大的电磁力冲击,如经常启动,能使绕组过热,甚至烧毁电机。
启动转矩小,启动时间长,降低生产机械的生产效率。
1.3直接启动
直接启动就是全压启动,把电动机直接接到具有额定电压的电源上,笼式一般都允许直接启动。
启动瞬间S=1,电动机的启动转矩MST要大于负载的总制动转矩Mb=M2+MO,电动机转速才可能从零开始逐渐上升,在整个启动过程中,若MST始终大于Mb,则电动机转速一直上升,转速达到稳定状态,启动才告结束。
直接启动的优点是启动设备和操作都比较简单,缺点是启动电流大,启动转矩不高,适宜在对启动要求不高的场合。
但是若电网容量不够大,电动机起动电流可能使电网电压产生较大的波动。
通常规定,用电单位如有专用变压器,对于不频繁启动的电动机,其容量应小于变压器容量的30%,对于频繁启动的电动机,其容量应小于变压器容量的20%允许直接启动。
如果没有专用变压器,而是和照明电源共用,则允许全压启动的电动机最大容量以启动时的电压降不超过5%为原则。
在工程实践中,直接启动方式可找下列公式核定。
式中Iq----------电动机的起动电流;
Ie---------电动机的额定电流;
Pe---------电动机的额定功率,KW;
PH---------电源总容量,KVA。
如果不能满足上式要求,则必须采取限制启动电流的措施。
随着电网容量的不断增加,全压启动的使用范围不断扩大。
1.4笼型异步电动机的降压启动
1.4.1定子电路串加电阻(或电抗器)降压启动
如图1-2所示:
图1-2定子回路串加电阻(或电抗器)降压启动
启动时合上K1,将电抗器或电阻接入定子回路,待转速接近额定值再合上K2切除电抗器(或电阻),启动时启动电流在电抗器(或电阻)上产生一定的电压降,使加在电动机上的端电压降低了,因而限制了启动电流.如令电动机直接启动时的电流为Iq,启动转矩为Mq,串入电抗器(或电阻)后,使启动电流减少为I’q,令K=
,它是一个大于1的系数,加在电动机上的端电压减少到Uq=
根据启动转矩和所加电压平方成正比的关系,I’q=
得到
M’q=
可见若将启动电流降低一半,则启动转矩降到原值的
。
一般地说,如果启动电流降到只有原来的
倍(K>1),则启动转矩只有原来的
倍。
说明电抗器(或电阻)降压启动,能够降低启动电流,但转矩更为明显降低,而且串接电阻启动,损耗也较大。
1.4.2自耦变压器降压启动
其接线原理如图1-3(a)
图1-3自耦变压器降压启动
K4在启动前就已合上,将K1、K3闭合,这时自耦变压器的三相绕组接成星形接
至电网,电动机定子绕组接在自耦变压器的副边,电动机的定子绕组在降低了的电压开始启动,待转速上升到一定数值后,将K1、K3断开,闭合K2,自耦变压器从电网切除,电动机全电压运行。
画出一相的等值电路见图1-3(b)。
因为
且K>1,。
所以加在定子绕组的一相电压为Uq=
定子绕组中的启动电流
IqD=
变压器原边电流
IqB=
亦即说,采用自耦变压器降压启动定子端电压为电网电压的
倍,定子绕组中启动电流IqD为直接启动电流的
倍,但对电网的冲击电流IqB,则只有直接启动电流的
倍,大大减轻电网的负担。
当然电动机的启动转矩和定子端电压平方成正比,所以
M’q=(
2Mq=
自耦变压器降压和电抗器降压相比较,自耦变压器降压对电网冲击较小,使电网提供的启动电流降到同一允许值时,用自耦变压器降压启动的转矩比电抗器启动时要大些。
所以自耦变压器启动适用于电动机容量大、电网容量小的场合。
国产启动用自耦变压器副绕组一般有40%、60%、80%等抽头。
自耦变压器的容量应和电动机的额定功率相同。
自耦变压器降压启动的缺点是线路比较复杂,体积大,造价高,维修麻烦,而且不允许频繁启动。
1.4.3星形-三角形降压启动
原理接线如图1-4所示:
图1-4星形-三角形降压启动原理接线图
电动机正常运行时,定子绕组是三角形连接,可以采用星形-三角形连接的降压启动,如图启动时,K1闭合,并将K2倒向启动位置,这时定子绕组接成星形,待转速上升到一定程度后,将K2倒向运行位置,于是定子绕组接成三角形。
如果是三角形直接启动,相电流IΔ=
。
电网的线电流为
IΔ线=
IΔ=
式中ZK---------电动机的短路阻抗;
U1---------电网的线电压。
在启动时把定子绕组接成星形,每相绕组承受的电压为
,而且星形接法时,
IY线=I相=
所以
由此可见,对电网来说,星形接法的启动电流仅为三角形接法的1/3,星形接法时每相绕组上的电压仅为三角形接法的1/
,故启动转矩也只有三角形接法时的1/3。
所以这种启动方法只适用于空载或轻载启动的场合。
值得注意的是,当电动机停车时,不仅要断开K1,而且应立即断开K2,并放在中间位置,否则下次启动时将造成直接启动,这是不允许的。
随着启动设备的不断更新换代,用交流接触器切换实行星角转换的启动控制,通过电气连锁彻底解决了这一弊端,这里不再详述。
1.4.4延边三角形降压启动
图1-5延边三角形降压启动原理图
采用Y-Δ启动控制,由于启动转矩较小,使用中有一定的限制。
为此可采用延边三角形启动法,其原理是在启动时,将电动机的部分绕组接成星形,另一部分绕组接成三角形,如图1-5所示,此时在电动机绕组通入三相电源时,每相绕组所承受的电压取决于绕组中匝数Zφ1和Zφ2的比值,也称为抽头比。
Zφ1所占的比例越大,相电压越低。
如通入的线电压为380V当Zφ1:
Zφ2=1:
2时,则相电压为290V,当Zφ1:
Zφ2=1:
1时,相电压为,264V。
在实际使用中可根据不同的使用要求,选用不同的抽头比进行降压启动,待电动机启动后再将绕组接成三角形。
此种方法虽然可以根据启动时对转矩的要求对相电压进行调整,启动性能优于Y-Δ启动,但电动机需特制,抽头也较麻烦,普通电机不能实现,所以不能大面积推广和使用。
这里不便过多地赘述。
1.4.5软启动器
1.4.5.1 软起动器工作原理
软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置,国外称为SoftStarter。
软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。
这种电路如三相全控桥式整流电路。
使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,避免启动过流跳闸。
待电机达到额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提高其工作效率,又使电网避免了谐波污染。
软启动器同时还提供软停车功能,软停车和软启动过程相反,电压逐渐降低,转数逐渐下降到零,避免自由停车引起的转矩冲击。
1.4.5.2节能原理
电动机属感性负载,电流滞后电压,大多数用电器都属此类
。
为了提高功率因数须用容性负载来补偿,并电容或用同步电动机补偿。
降低电动机的激磁电流也可提高功率因数(HPS2节能功能,在轻载时降低电压,使激磁电流降低,使COS∮提高)。
节能运行模式:
轻载时降低电压减少了激磁电流,电机电流分为有功分量和无功分量(激磁分量)提高COS∮。
1.4.5.3运行模式
当电动机负载轻时,软启动器在选择节能功能的状态下,PF开关热拨至Y位,在电流反馈的作用下,软启动器自动降低电动机电压。
减少了电动机电流的励磁分量。
从而提高了电动机的功率因数(COS∮)。
(国产软启动器多无此功能)在接触器旁路状态下无法实现此功能。
TPF开关提供了节能功能的两种反应时间;正常、慢速。
节能运行模式:
自动节能运行。
(正常、慢速两种反应速度)空载节能40%,负载节能5%。
1.4.5.4保护功能
(1)过载保护功能:
软起动器引进了电流控制环,因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。
通过增加过载电流的设定和反时限控制模式,实现了过载保护功能,使电机过载时
,关断晶闸管并发出报警信号。
(2)缺相保护功能:
工作时,软起动器随时检测三相线电流的变化,一旦发生断流,即可作出缺相保护反应。
(3)过热保护功能:
通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度,一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管,并发出报警信号。
(4)其它功能:
通过电子电路的组合,还可在系统中实现其它种种联锁保护。
1.4.5.5使用领域
软起动器安装调节方便,所有控制连接及参数调节均在正面上完成。
该软起动器在安装后用户仍可方便就地改造,如:
附加限流功能和内接/外接转换选择。
该软起动器可不带旁路持续在线运行。
软起动器为旁路和故障单独设置了控制继电器。
该软起动器所有参数均通过面板上的三只旋钮电位计和一只拔码开关设定,直观准确。
它甚至可以工作在有振动和环境温度较高的使用场合。
当该软起动器用于内接时因可控硅模块上承受的是三角形接法时的相电流,所以相同电流的软起动器在内接时可以负载比外接时大1.73倍的电机。
如一台58A的S型软起动器内接使用时可以负载100A的电机。
原则上,笼型异步电动机凡不需要调速的各种使用场合都可适用。
使用范围是交流电380V(也可660V),电机功率从几千瓦到800千瓦。
软起动器特别适用于各种泵负载或风机及其他各类型负载,需要软起动和软停车的场合更为适用。
1.4.5.6JJR2000系列软启动器实用图例:
图1-6JJR2000型软启动电原理图
1.4.6水电阻启动
1.4.6.1概况
水电阻技术最早发源于日本,属于70年代左右的产物,在大量新技术及新型电子元件产生的今天,已属于渐被淘汰的产品。
但是由于其低廉的价格,以及在大容量电机启动设备上技术的限制,现阶段比较适合中国的国情,因而在国内各大工矿企业大量普及使用。
由于高低压电动机直接起动时,起动电流会达到电机额定电流的7~8倍,一般上一级变压器的容量都承受不了,特别是大功率的电机,必须加装起动设备,否则会造成变压器局部下跳闸。
随着技术的逐渐进步,水阻起动的发展属于无级调节,所以起动过程较平滑,切换无冲击电流等优点。
1.4.6.2水阻的分类
按照电机的不同,分为两种水阻:
一种是转子串水阻,即电机属于绕线式电机,即转子回路未短接。
此时通过改变起动过程中转子回路的
电阻值来逐步实现软起动。
二是定子串水阻,即电机属于鼠笼型电机,即转子回路在电机内部已短接。
此时通过改变起动过程中定子回路的电阻值来逐步实现软启动。
1.4.6.3实现方式
一种是温度改变阻值大小,即在启动过程中,由于液体内部的电解液随着液体温度的升高,电解液分子活动加剧,使电阻值逐步减小,逐步改变机端电压,使之达到软起动的目的。
二是通过柜内增加极板升降电机,匀速的改变输入输出极板之间的距离,改变电阻值的大小,逐步改变机端电压,使之达到软起动的目的。
1.5绕线式转子异步电动机的启动
绕线式转子异步电动机除直接启动外绝大多数采用转子回路串接电阻或串接频敏变阻器的启动方法。
前者具有限制启动电流增大启动转矩的特点,启动性能比笼式电动机好,适用于功率较大的重载启动场合;而后者则具有转子回路等效电阻值随转速上升而自动减小的优点,可以使电动机平滑启动。
1.5.1绕线式异步电动机转子串接电阻启动
线式异步电动机转子回路串入适当的电阻,既可降低启动电流,又可提高启动转矩,其原理接线图和机械特性曲线如图1-7所示。
转子回路串入启动电阻后,转子绕组每相总电阻为r’2+r’q.当电动机启动起来后,随着转速的提高,电磁转矩沿着曲线1逐渐减小,为了加快启动过程,缩短启动时间,可把串入电阻切除,以提高启动过程的启动转矩,见图1-7(b)中的曲线a→b→c→d→e→f→g→A,到达A点时,Mdc=Mfz,电动机以转速nA稳定运行,启动过程即告结束。
图1-7绕线式异步电动机转子串接电阻启动
一般来说,启动电阻都是按设计时运行方式设计的,所以启动完毕以后,即应把电阻切除。
绕线式异步电动转子串接电阻启动,既减少了启动电流,又提高了启动转矩,较好地改善了启动性能。
对于启动困难的机械,如铲土机、卷扬机、起重用的吊车等中确有大量使用。
其缺点是结构复杂、造价高效率亦较低。
1.5.2绕线式异步电动机转子串接频敏变阻器启动
绕线式异步电动机转子回路串电阻启动由于分级切除启动电阻,会造成电流和转矩的跳跃变化,对机械产生冲击。
所以串接电阻逐步被频敏变阻器所代替。
1.5.2.1频敏变阻启动原理
频敏变阻器的特点是,其阻抗值随电流频率的变化而变化,电流频率高时,其阻抗值也高,而绕线式电动机转子的电动势频率是取决于转差率S的。
开始时由于转差率S很大,频敏变阻器的阻抗也大,随着电动机的转速上升,转差率S减小,变阻器的阻抗也随之减小,使绕线式异步电动机的整个启动过程接近于恒定的启动转矩。
1.5.2.2实际电路控制分析
如图1-8所示:
图1-8频敏实际电路控制图
启动时将开关SA扳向“自动”时,按下启动按钮SB2,KM1接通主电路后,时间继电器KT会自动中间继电器KA和KM2,在适当时间将频敏变阻器PB短接。
开关SA扳向“手动”时,时间继电器KT不起作用,利用SB3手动控制中间继电器KA。
启动过程中,KA的常闭触点将热继电器FR的发热元件短路,以免因启动时间过长而使热继电器误动作。
频敏变阻的阻抗可以通过调整其线圈的匝数和气隙来改变。
1.6启动方法选择实例分析
例某三相鼠笼式异步电动机,Pe=300kW,定子星形连接,Ue=380V,Ie=527A,ne=1475r/min,启动电流和额定电流之比KI=6.7,启动转矩和额定转矩之比KT=1.5,λ=2.5;车间变电站允许最大冲击电流为800A,生产机械要求起动转矩不小于1000N.m,分析并选择该台异步电动机的起动方法。
解:
1.
7140(KV.A)
PH=
=526.528(KV.A)
PH
,
2.星三角、自偶降压等传统方式启动电流只能限制在2.5~3.5倍左右,比车间变电站允许最大冲击电流800A差之甚远,转矩1000N.m也无法保证,均不能采用。
最好选用变频启动,利用0~50HZ自行掌握上升时间,无任何机械和电网冲击,又具备恒磁通、恒转矩的启动特点,但造价较高。
3.其次可以使用软启动控制,也属无极减压,不但转矩较大而且启动模式亦可方便选择,使用限流模式,可使电动机在启动时最大不超过预先设定的限流值Im,可根据用户电网容量及电动机负载情况而定。
如使用电压斜坡模式,初起电压可限制在10~30%,由于电压从初始值到额定值上升变化(初始值可保证电动机的最大启动力矩),所以整个启动过程保证电动机平稳的启动,按分析虽能使用但不如变频启动效果好。
第二章三相异步电动机的制动问题
2.1制动作用及分类
电动机断电后,因转子及所带部件的爬行和惯性作用,故不能立即停止运转。
但许多设备如吊车、机床工作台等都要求准确定位和迅速停车,这就要对电动机进行制动,即当电动机脱离电源后,能够迫使其立即停车。
制动方法分为机械制动和电气制动两类,常用的电气制动又有反接制动、能耗制动、再生发电制动等。
2.2机械制动
机械制动常用的装置是电磁抱闸,其结构主要由制动电磁铁、闸瓦和传动装置组成。
在电动机运转时,制动电磁铁同时被通电吸合,使抱闸松开。
当电动机切断电源时,电磁铁同时断电,依靠闸瓦抱紧和电机转轴相联的闸轮,依靠摩擦力实现制动。
另外还有电磁离合器制动器、液压推动器制动等靠摩擦力实现制动的设备均属于机械制动的范畴。
机械制动制动力大,不会因中途断电或电气故障的影响而造成事故,定位准确,安全可靠,使用广泛。
一般起重机械、卷扬设备普遍采用机械制动。
2.3电气制动-反接制动
反接制动是电气制动的一种,其原理是利用改变定子绕组中的电源相序,使转子受到和原旋转方向相反的电磁力而迅速停转。
反接制动要在电动机转速为零时,及时切断电源。
否则电动机会反向启动。
为此在线路中需安装速度继电器,它能在转速接近零时发出信号,和中间继电器配合,实现断电。
使用速度继电器进行反接制动控制电路如图2-1所示:
图2-1反接制动控制电路
按SB2电动机启动,速度达120r/min时,速度继电器SR动合触点(即常开触点)闭合,但由于此时KM1的常闭触点已断开,所以KM2不会动作。
按下停止按钮SB1时,KM1断电,KM2吸合,电动机反接制动,转速迅速下降。
当电动机转速降至120r/min时,SR动合触点断开,KM2失电,切除电源。
反接制动电流很大,故在定子的制动回路中,一般串入电阻来限制制动电流。
反接制动适用于2~3KW小容量电动机不频繁启动的场合。
反接制动时的震动和冲击力较大,影响机床等设备精度,使其使用受到一定限制。
2.4电气制动-能耗制动
能耗制动可用于功率较大、制动频繁的生产机械,制动准确平稳。
其工作原理是,当电动机停止工作时,立即在任意两项定子绕组中通入直流电,使电动机定子绕组产生一个静止磁场,此时转子由于惯性仍在转动,便像直流发电机一样,切割磁力线产生感应电流,和静止磁场相互作用,产生制动力矩。
这种制动方式是将转动部分的机械能转换为电能,再在转子的电阻R上转化为热能而消化掉,故称此种制动方式为能耗制动。
能耗制动的控制线路如图2-2所示:
图2-2能耗制动的控制线路
VC