三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用.docx
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三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用
毕业论文
三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用
北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议
题目：
三相异步电动机的起动及调速系统设计与应用
系别：
专业：
电气工程及其自动化
姓名：
学号：
指导教师建议成绩：
83
评阅教师建议成绩：
82
答辩小组建议成绩：
80
总成绩：
82
答辩委员会主席签字：
年月日
北京交通大学
摘要
文章从理论上研究了三相异步电动机的启动方法与调速系统的设计，给出了三相异步电动机在工作时采用了电动机拖动生产机械，有足够大的启动转矩，保证了生产机械正常启动。
启动平滑，设备安全可靠，结构简单，操作方便等特点。
有许多启动方法，如：
直接启动，鼠笼式异步电动机降压启动，三相鼠笼式异步电动机Y-△启动绕线式三相异步电动机的启动及各种运行状态。
调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速，这是生产机械经常向电动机提出的要求。
调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
关键词：
三相异步电动机；电机转速；功率因数
ABSTRACT
Articletheoreticallystudiedthree-phaseasynchronousmotorstartupmethodandspeedcontrolsystemdesign,andgivesthethree-phaseasynchronousmotorworkwhenusingthemotordragmachinery,arelargeenoughtostarttorque,ensuretheproductionmachinerybootingnormally.Startingsmoothness,equipment,safeandreliable,simplestructure,convenientoperation,etc.Therearemanystart-upmethods,suchas:
directstart,arattraptypethree-phaseasynchronousmotorstep-downstart,arattraptypeasynchronousmotorY-trainstartwindingtypethree-phaseasynchronousmotorstart-upandvariousoperatingstatus.Speedisincertainload,accordingtotheneedsoftheproductionoftheartificialchangetheturningspeedofthemotor,thisisoftenmanufacturingmachinerytomotoroftherequest.Speedtheperformanceoftenaffectproductionmachineryworkefficiencyandproductquality.Variable-frequencyregulatingspeedtechnologyisbasedonthebasicprincipleofthemotorspeedandworkpowerinputfrequencyisproportionaltotherelationship,bychangingthemotorworkpowerfrequencytochangethemotorspeedpurpose.
Keywords:
three-phaseasynchronousmotor;themotorspeed;powerfactor
第一章绪论
在实际应用中，电机的电能转换成机械能的主要设备，机电能量转换效率更高；二是应根据用于控制和调节电动机机械生产技术的旋转速度。
电机的调速性能和如何提高产品质量，提高劳动生产率和节约能源有着决定性的直接影响。
因此，控制技术一直是研究的重点。
长期以来，由于其优越的性能的直流电机速度和覆盖在工程中广泛应用的结构复杂的缺点。
在额定转速下运行的直流电动机，保持恒定的励磁电流，电枢电压的方法可以改变恒转矩速度；在额定转速运行，保持电枢电压恒定，可以改变励磁的方法实现恒功率速度。
转速，电流双闭环直流调速系统能获得优良的静动态特性，调速。
因此，在十九年代，在该领域的变速驱动器，直流调速一直占据主导地位。
近年来，科学的快速发展为交流调速技术的发展和技术有了极为有利的条件和物质基础，创造了。
交流电机调速控制系统不仅具有直流电机的性能，且成本低于直流电机系统，可靠性高。
目前，国外先进工业国家的基本呈下降趋势，直流传动装置的生产，和交流变频调速装置，大幅度提高生产。
以日本为例，1975在调速领域，交流直流占80%，占20%；1985直流交流占80%，占20%。
到目前为止，除了另一个地方去日本继续由直流电机驱动，调速系统是在几乎所有的交流变频装置采用。
当定子电压来改变电动机的机械特性曲线，可以有不同的设置，因为电机电压的转矩的最大转矩的平方成正比，所以要低得多，速度范围很小，所以很难适用普通笼型电动机。
电压调节器的主要设备是可提供电源电压的变化，共模电压串联饱和电抗器，自耦变压器、晶闸管调压器（TVC）等。
高压晶闸管。
目前，有三对反并联晶闸管或三双向晶闸管交流电压调节器分别串接在三相电路，主电路的连接方法有多种方案，具有输出电压相位控制的变化。
机械调压调速的生产通常适用于以下100kw。
总之，随着现代科技的迅速发展，电气传动控制技术的发展，控制手段的不断更新，控制模式进行了优化，其控制技术和设备已成为现代生活的一部分。
数控技术的新取得了控制技术更加完善，更加以人为本，使控制技术更为先进合理整个组合将带来巨大的经济效益和社会效益。
第二章三相异步电动机启动方案
2.1三相异步电动机直接启动
三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的启动。
特点：
电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。
三相异步电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大，以保证生产机械的正常启动。
缩短启动时间；启动电流要小。
以减小对电网的冲击。
由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。
即转差率S=1，主磁通额定磁通的1/2，功率因数cos很小，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。
例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流=（4~7）IN（为起动电流倍数）起动转矩=TN（0.9~1.3）对于绕线式三相异步电动机的起动转矩TS＜TN。
起动电流过大，对电网冲击大。
使电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。
使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差△=±10%或更严重。
这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压U的平方成正比，导致Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。
下面两种情况不能直接启动。
变压器与电机容量之比不足够大。
启动转矩不能满足要求。
综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于7.5kw的小容量鼠笼式异步电机。
对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法：
（1）降低定子电压；
（2）加大定子端电阻或电抗；（3）对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。
对于鼠笼式异步电机，可以结构上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。
总结：
直接起动即全压起动。
直接启动的条件：
由于直接启动的启动电流很大，因此在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。
一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下：
1：
若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；
2：
若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。
如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。
全压起动条件：
（1）异步电动机功率低于7.5KW
（2）kf小于或等于1/4乘以3加电源总容量/启动电动机容量
直接起动时的影响：
（1）起动电流较大，可达额定电流的4~7倍，甚至达到8~12倍。
（2）过大的起动电流造成电机过热，影响电动机的寿命。
（3）过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击，绕组变形可能造成短路而烧毁电动机。
（4）过大的起动电流会使电网线路电压降增大，对同一线路中的其他电器设备造成影响。
2.2三相鼠笼式异步电动机启动
2.2.1定子串电抗器启动
起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。
三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图2-1所示。
电源额定电压
直接加在短路阻抗
上，定子侧串入电抗X起动时，每相等效电路如图2-2所示，Un加在（jX+
）上，而
上的电压是U/。
定子侧串电抗起动可以理解为增大定子侧电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的是减小起动电流。
在定子侧串入电抗后，其堵转电流为I′
图2-1直接起动图2-2定子串电抗起动
三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗中
，
所致，一般的说，
。
因此，串电抗起动时，可以近似把ZK的模值与X相加，而不考虑阻抗角，误差不大。
设串电抗时电动机定子电压
与直接起动时定子的额定电压
比值为u，则：
式中，
分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流；
分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩，当选定u时，定子应串的电抗为：
从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看，定子回路中串电阻或是串电抗效果是一样的。
但是串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电机容量较小时才允许使用，大中型电机仅采用串电抗起动。
定子回路串电阻或是电抗都能减小起动电流，使得电网的冲击电流减小，对改善电网的稳定性是有利的。
但是，问题的另一面是，随着起动电流的减小，电机产生的起动转矩也随着变化，有必要对起动转矩进行校验，看它是否能满足生产工艺的要求，拖动系统是否能顺利的升速到要求的转速根据图示的等值电路，起动时的电磁功率为：
对于恒定的同步角速度Ω，起动转矩和起动电流的平方成正比。
利用这个重要关系式可以得出结论：
不管是定子回路串电阻还是电抗，只要能将起动电流改变为直接起动是的
倍，则起动转矩就将变成直接起动时的
倍。
显然，如果起动电流是直接起动时的1/2，则起动转矩将是直接起动时的1/4。
因为鼠笼异步机的直接起动转矩本来就不大，采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小，必须对这种起动转矩的大幅度下降进行校验，看它是否能保证拖动系统顺利完成起动任务。
一般地说由于起动转矩较小，所以定子回路串阻抗的起动方法只适用于轻载起动或者是空载起动的生产机械。
2.2.2星-三角启动
凡正常运行时定子绕组接成三角形的是三相鼠笼式异步电动机，在启动时临时成星形，待电动机启动后接近额定转速时，在将定子绕组通过Y－△降压启动装置接换成三角形运行，这种启动方法叫Y－△降压启动。
属于电动机降压启动的一种方式，由于启动时定子绕组的电压只有原运行电压的，启动力矩较小只有原力矩的，所以这种启动电路适用于轻载或空载启动的电动机。
图2-3三相异步电动机Y－△降压控制接线示意图
特点：
定子绕组星形接法时，启动电压为直接启动采用三角形接法的1/3，起动电流为三角形接法的1/3因而启动电流特性好，线路比较简单，投资少，其中启动转矩特性差，所以该线路适应用于轻载或空载启动场合。
线路分析如下：
1、合上空气开关QF接通三相电源，
2、按下启动按钮SB2，首先交流接触器KM3线圈通电吸合，KM3的三对主触头将定子绕组尾端联在一起。
KM3的辅助常开触点接通使交流接触器KM1线圈通电吸合，KM1三对主常触头闭合接通电动机定子三相绕组的首端，，电动机在Y接下低压启动。
3、随着电动机转速的升高，待接近额定转速时（或观察电流表接近额定电流时），按下运行按钮SB3，此时BS3的常闭触点断开KM3线圈的回路，KM3失电释放，常开主触头释放将三相绕组尾端连接打开，SB3的常开接点接通中间继电器KA线圈通电吸合，KA的常闭接点断开KM3电路（互锁），KM3的常开接点吸合，通过SB2的常闭接点和KM1常开互锁接点实现自保，同时通过KM3常闭接点（互锁）使接触器KM2线圈通电吸合，KM2主触头闭合将电动机三相绕组连接成△，使电动机在△接法下运行。
完成了Y－△接压启动的任务。
4、热继电器FR作为电动机的过载保护，热继电器FR的热元件接在三角形的里面，流过热继电器的电流是相电流，定值时应按电动机额定电流的 计算。
5、KM2及KM3常闭触点构成互锁环节，保证了电动机Y－△接法不可能同时出现，避免发生将电源短路事故。
三相异步电动机Y－△降压控制接线示意图安装注意事项：
1、Y－△降压启动电路，只适用于△形接线，380V的鼠笼异步电动机。
不可用于Y形接线的电动机应为启动时已是Y形接线，电动机全压启动，当转入△形运行时，电动机绕组会应电压过高而烧毁。
2、接线时应先将电动机接线盒的连接片拆除。
3、接线时应特别注意电动机的首尾端接线相序不可有错，如果接线有错，在通电运行会出现启动时电动机左转，运行时电动机右转，应为电动机突然反转电流剧增烧毁电动机或造成掉闸事故。
4、如果需要调换电动机旋转方向，应在电源开关负荷侧调电源线为好，这样操作不容易造成电动机首尾端接线错误。
5、电路中装电流表的目的，是监视电动机起动、运行电流的，电流表的量程应按电动机额定电流的3倍选择。
常见故障：
1、Y启动过程正常，但按下SB3后电动机发出异常声音转速也急剧下降，这是为什么？
分析现象；接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。
问题出现在接上电动机后，从故障现象分析，很可能是电动机主回路接线有误，使电路由Y接转到△接时，送入电动机的电源顺序改变了，电动机由正常启动突然变成了反序电源制动，强大的反向制动电流造成了电动机转速急剧下降和异常声音。
处理故障；核查主回路接触器及电动机接线端子的接线顺序。
2、线路空载试验工作正常，接上电动机试车时，一起动电动机，电动机就发出异常声音，转子左右颤动，立即按SB1停止，停止时KM2和KM3的灭弧罩内有强烈的电弧现象。
这是为什么？
分析现象；空载试验时接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。
问题出现在接上电动机后，从故障现象分析是由于电动机缺相所引起的。
电动机在Y起动时有一相绕组为接入电路，电动机造成单相启动，由于缺相绕组不能形成旋转磁场，使电动机转轴的转向不定而左右颤动。
Ux 处理故障；检查接触器接点闭合是否良好，接触器及电动机端子的接线是否紧固。
2.2.3自耦减压启动
在定子回路中串阻抗虽然能满足电网减小起动电流的要求，但是往往因为起动转矩过小而满足不了生产工艺的要求。
为了解决这个矛盾人们采用自耦减压起动。
三相鼠笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动称为自耦减压起动，其接线图如图所示。
起动时，开关K投向起动一边，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，当转速升高到一定程度后，开关K投向运行边，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行。
自耦减压起动时，一相电路如图所示。
图2-4自耦减压起图2-5自耦减压起动一相电路
电动机起动电压下降为U‘，与直接起动时电压UN的关系为：
公式2-1
电动机降压起动电流为
与直接起动时的起动电流
之
间关系为：
公式2-2
自耦变压器高压边的起动电流为
，与
之间的关系为：
公式2-3
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
关系
公式2-4
自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为
，与直接起动时的堵转转矩
之间的关系为：
公式2-5
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，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。
2.3绕线式三相异步电动机的启动
2.3.1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
为：
公式2-6
公式2-7
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
知道，在气隙每极磁通量
一定时，电磁转矩T与转子有功电流
成正比。
已知串入电阻RS后，转子功率因数角为：
公式2-8
即
角比不串
时小很多，使得
值增大。
尽管刚起动时，因为串电阻
使得
减小，但
值的增大，使得转子有功电流
反而增大了，从而增大堵转转矩值。
当然，过分增大所串电阻
，虽然
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2-7（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2-7（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。
2.3.2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2-8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30-50mm。
图2-8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
表示。
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
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，
＞
。
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
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
较大。
图2-8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
＞
，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
逐渐降低，频敏变阻器中铁损耗减小，电阻
也小；电抗
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。
第三章三相异步电动机调速系统
3.1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。
3.2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（asynchronousmotor）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
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