《电机与拖动》课程设计三相异步电动机调速设计.doc

1、 目录第一章 绪论31.2课程目的41.3课程意义41.4课程内容4第二章 相关技术与理论42.1电动机的基本结构42.2电动机的分类62.3三相异步电动机的工作原理7第三章 三相异步电动机的调速方法73.1三相异步电动机的调速73.2绕线型异步电动机的转子串电阻调速与定子降压调速实验13第四章 异步电动机使用过程中的注意事项154.1电机运行过程中的注意事项164.2启动前的检查工作16第五章 设计心得体会17参考文献18第一章 绪论 1.1摘要 电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断

2、提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起来 与单相电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的 随着工业的不断发展，三相异步电动机的需求会越来越大，三相异

3、步电动机的应用越来越广泛，三相异步电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而三相异步电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是三相异步电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中三相交流异步电动机调频变速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。1.2课程目的 笼式三相异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。正由于此，通过此课程设计，实现三

4、相异步电动机的调速控制与应用。1.3课程意义 这次课程设计可以使我们在学校学的理论知识用到实践中，使我们在学习中起到主导地位，是我们在实践中掌握相关知识，能够培养我们的职业技能，课程设计是以任务引领，以工作过程为导向，以活动为载体，给我们提供了一个真实的过程，通过设计和运行，反复调试、训练、便于我们掌握规范系统的电机方面的知识，同时也提高了我们的动手能力1.4课程内容 在这次课程设计任务中，主要工作在于1. 了解三相异步电动机的结构和工作原理2. 了解异步电动机调速的意义、方法及其在工程上的应用，重点掌握绕线式三相异步电动机的串电阻调速方法，掌握绕线式异步电动机调压调速的原理和方法3. 三相异

5、步电动机使用过程中的注意事项及故障处理4. 心得体会第二章 相关技术与理论2.1电动机的基本结构2.1.1定子部分 1、定子铁心 作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。2、定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这

6、些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。（1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。（2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。（3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。3、机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热2.1.2转子部分1、三相异步电动机的转子铁

7、心：作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。2、三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。（1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故

8、称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。（2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。2.1.3电动机其他附件其他部分包括端盖、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0.2mm1.5mm。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2.2电动机的分类三相异步电动一

9、般为系列产品，其系列、品种、规格繁多，因而分类也较繁多。1按电动机尺寸大小分类大型电动机：定子铁心外径D1000mm或机座中心高H630mm。中型电动机：D=5001000mm或H=355630mm。大型电动机：D=120500mm或H=80315mm。2按电动机外壳防护结构分类3按电动机冷方式分类电动机按冷却方式可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式等。可参见国家标准GB/T1993-93旋转电机冷却方式。4按电动机的安装形式分类IMB3：卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘。IMB5：卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘。IMB35：卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘。5按电动机运行工作制分类S1；连续工作制

10、S2：短时工作制S3S8：周期性工作制6按转子结构形式分类三相笼型异步电动机三相绕线型异步电动机2.3三相异步电动机的工作原理 电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来第三章 三相异步电动机的调速

11、方法3.1三相异步电动机的调速 异步电动机比起直流电动机来,省去了换向器,使得结构更简单、结实、紧凑,它具有维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快的特点。过去由于对它缺少相应的控制手段,实现速度的调节比较困难,所以在20世纪的大部分年代里,交流电动机主要在不调速的场合应用。近年来,由于电力电子和微电子技术的飞速发展,新器件和新的控制系统的不断推出,使交流电气传动也具有与直流电气传动同样优良的调速性能,从而使交流调速得到了迅速发展。三相异步电动机的转速公式为，其中为旋转磁场的速度，n为转子转速为旋转磁场的频率，s为转差率。所以异步电动机的调速可由三个方面入手；一是改变定子绕组的极对数；

12、二是改变电源频率；三是改变电动机的转差率。此外还有改变定子电压调速法。3.1.1变极对数调速法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子,因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变,使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线型转子,则定子极对数改变时,转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数,很不方便。特点如下:具有较硬的机械特性,稳定性良好;无转差损耗,效率高;接线简单、控制方便、价格低;有级调速,级差较大,不能获得平滑调速。本方法适用于自动化程度要求不高,不需要无级调速的生产机

13、械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。如下图所示接法，则形成两级绕组若改为下图接法，则形成四级绕组3.1.2改变定子电压调速法 当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时,在一定的转差率下,电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方成正比,因此,改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系,从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电

14、压变化的电源,目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点是:调压调速线路简单,易实现自动控制;调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中,效率较低。调压调速系统一般适用于100KW以下的生产机械。目前,已成功地大量使用在电梯、卷扬机械与化纤机械等工业装置3.1.3改变转差调速1. 转子外加电阻调速法，这种方法只适用于绕线型异步电动机转子回路中串入调速电阻时，电动机的Te-s曲线将发生变化，若此时电机的负载转矩和空载转矩Tl+当T0保持不变，转子的转差率改变，则转速改变。这种方法的优点是方法简单、调速范围广，缺点是调速电阻需要消耗一

15、定功率，此方法主要应用于中、小容量的感应电机，例如桥式起重机所用的电机。2串级调速 转子回路串入调速电阻，损耗较大。为了利用这部分电功率，可以在转子回路中接入一个转差频率的功率变换装置，把这部分功率送回电网，即达到调速的目的，又获得较高的效率。3双馈电机 如图所示，为一双馈电机结构，定子由三相交流电源供电，转子由三相交流电源经变压器降压，再经交-交变频器把工频变为转差频率，然后接至转子。此变频器的频率、幅值、相位和相序均可调节，转差率的传递方向也可以改变。这种定、转子两边均由交流电源供电的电机，称为双馈电机。 当转子转速低于同步转速时，双馈电机的工作情况与普通感应电机相似，此时转子的转差率由变

16、频器回馈给电源，调节变频器的输出功率，电动机的转速会改变；调节变频器输出电压和相位，就可以调节电动机定子边的功率因数。当变频器的频率调到0时，变频器将向转子输出直流，此时电动机将在同步转速下运行。改变变频器输出电压相序，并将频率由零上调，此时转差功率反向，从电网经变频器输入到绕线转子，于是转子的转差率将变成负值，电动机将在超同步转速下运行。 3.1.4液力偶合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡

17、轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为： 1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 3、尺寸小，能容大； 4、控制调节方便，容易实现自动控制。 5、本方法适用于风机、水泵的调速。 例如，某工厂一台球磨机，主轴功率为145KW，在设计选型之前时，工作机主轴与电动机选用直接传动时，为了要保护电动机和工作机在超载时不受到损坏，必须要有意加大电动机的选型裕度。一般都会选择额定功率为220KW的电动机来驱

18、动。当在设计时，选用YOX限矩型液力偶合器装于电动机轴与工作机主轴之间，根据液力偶合器选型公式：Pz：PB：Pd=1：1.05：1.1（Pz:工作机轴功率，PB:偶合器额定功率，Pd:电动机额定功率）Pd:电动机额定功率=1.1xPz=1.1x145=159.5KW,查电工手册，选用额定功率为160KW的电动机即可。由上例可见，选用YOX限矩型液力偶合器传动后，应该选择220KW的电动机来拖动工作机的，现只用160KW的电动机就可以达到要求。降低了一个交流异步电动机机座号，降低装机容量15%20%。电动机机座号降低后，其节能效果显著，在电气上分析，会带来多方面的好处如下：1)提高了功率因数，减

19、少了电源容量和导线截面积，降低线路上的电压损失和电压波动，降低成本，提高供电质量。220KW的电动机选择的导线截面积为BVR120,160KW的电动机选择的导线截面积为BVR95。电动机的启动接触器，断路器，等装机容量也要相应降低一个等级。2)降低了电机的正常运行电流。220KW的电动机正常运行电流约为440A，160KW的电动机正常运行电流约为320A。3)降低了电动机的空载损耗，160KW电动机的总损耗要比200KW电动机的总损耗平均下降4.8%。4)具有轻载启动节电功能。不装限矩型液力偶合器时，电动机的直接负载是工作机，而加装限矩型液力偶合器后，电动机的直接负载是偶合器泵轮。由于偶合器力

20、矩与其转速的平方成正比，且转动惯量与工作机相比小得多，所以在启动瞬间泵轮因无转速而无阻力，电动机所受阻力矩很小，近似等于带偶合器泵轮空载启动，故启动时间短，启动电流小，对电网冲击小，节能。5)可用廉价电动机替代高性能电动机。由于解决了电动机启动困难问题，所以可以用廉价的异步电动机替代价格昂贵的高性能绕线式等电动机，节约电动机投资和配电设施费用。6)具有过载保护节能。当加装限矩型液力偶合器后，隔离了工作机的强烈冲击载荷和振动。使电动机运行电流平稳，避免了尖峰负荷电流冲击，平均运行电流降低。对节电有利。同时，保护了电动机和工作机在超载时不受损坏，降低设备故障率，延长设备使用寿命。3.1.5变频调速

21、 改变电源频率时，电动机的同步转速和转子转速将随之变化。如果电源的频率可连续调节，则电动机的转速就可以连续、平滑的调节。下面分为从额定频率上调和下调良种情况来说 （1）频率从额定频率下调时 变频调速时，希望电动机的主磁通保持不变，这样磁路的饱和程度、激磁电流和电动机的功率因数保持不变。由于忽略定子的漏阻抗压降时，故要保持保持不变，应该使定子端电压与频率成比例地调节。即使，电压-频率比保持不变的调频方式，称为恒磁通控制方式。额定频率从额定值下调时通常采用这种方式。不计定子电阻时，电机的最大转矩近似为式中的;,如果使，则最大转矩将保持不变。下图曲线表示频率从下调，在恒磁通控制下的电动机的机械特性。

22、其中 额定状态下电动机的电磁转矩为,在恒磁通条件下，保持不变；若不计转速下降时转子通风和发热情况的变化，认为转子的额定电流仍然保持不变，转子的功率因数,由于变化范围很小，也可认为近似不变；则调速时电动机的额定电磁转矩近似保持不变。又由于最大电磁转矩和额定电磁转矩近似保持不变，所以这种情况属于恒转矩调速。 (2)频率从额定频率上调时，若要保持为常数，则定子电压将超过额定值，这是不允许的，此时只能保持，而把定子频率单独上调。于是随着的上调，主磁通将逐步下降。由于保持不变，其中,而表达式与上相同，可见频率越高，最大转矩越小，也越小，其机械特性如下图所示 由于频率上调时，主磁通；另一方面，在转速升高的

23、情况下，认为转子的额定电流仍然保持不变，内功率因数也基本不变，则调频时电动机的额定电磁转矩，其中,由上述两式可以看出，频率上调时，主磁通下降，电动机的额定转矩将下降，电动机的额定电磁功率为,其中为一常数，上式表示，频率上调时，电动机的额定电磁功率将保持不变，所以这种调速属于恒功率调速。3.2绕线型异步电动机的转子串电阻调速与定子降压调速实验1.实验接线2. 实验内容 本次实验以他励直流发电机作为三相异步电动机的负载，实验中，保持他励直流发电机励磁不变。实验中，由三相交流电源为三相异步电动机供电，异步电动机转子回路串入启动电阻，通过调节观察转速变化并绘出相应曲线可以得出三相绕线式异步电动机的转子

24、串电阻调速特性，转子回路电阻撤去通过改变定子电压并观察转速变化绘出相应曲线可以验证绕线式三相异步电动机的变电压调速特性。 接好线路后，启动试验台电源，逐渐增大输出电压至电动机的额定电压380V，调节转子回路电阻Rst=0，使电机稳定运行，电机完成启动。 启动后，保持电压为380V,调节发电机（负载）励磁电流并保持不变，调节直流发电机负载电阻使得，并始终保持不变，开始记录数据，之后调节，并随时调整使得，不变记录对应的和转速n，测得数据如下（）03691215n（）144613341235115210801013 改变电源电压调速实验：上实验完成后，不停机，将转子回路电阻回零，保持U1=380V，

25、保持不变，开始记录数据（，n），然后调整,记录相应数据入下表。3803503202902602301455144614371424140413882.772.702.772.953,.153.30第四章 异步电动机使用过程中的注意事项4.1电机运行过程中的注意事项 1电动机在运行过程中，表面应保持常清洁，进风口不毙尘土纤维的阻碍。 2电源频率与额定频率偏差不得超过l；电源电压与额定电压偏差不超过5。 3电动机的电流不允许超过额定电流10。 4连续工作的电动机不允许长期过载运行。 5电动机空载或负载运行时不应有断续或异常的声音或振动。 6当电动机的热保护装置和短路保护装置连续发生动作时应检查故障

26、原因(是来自电动机还是来自超负荷或是因为保护装置整定值太低)，待消除故障后方可投入运行。 7运行过程中，用温度计测量机壳的温升，一般不超过75。 8应保证电动机轴承运行过程中的良好润滑，一般电动机运行2()00H左右，即应补充或更换润滑指(封闭轴承在使用寿命期内不必更换润滑脂)。如果发现轴承过热(一般轴承温升应不超过95)或润滑脂变质，应及时更换润滑脂，更换时应先清除旧的润滑脂，再用汽油洗净轴承及轴承盖的油脂，然后将ZI一3锂基润滑脂填充轴承内外圈之间空腔的l2(2极)或23(4、6、8极)。 9当轴承游隙达到下列极限磨损游隙数值时，即应及时更换轴承。 mm 轴承内径 2030 3550 55

27、80 85120 极限磨损游隙 01 015 02 03 10.停机处理 当电动机运行过程中发现以下情况时，应立即停机处理 (1)发生人身触电事故。 (2)电动机或起动装置上冒烟起火。 (3)电动机剧烈振动。 (4)轴承剧烈发热。 (5)电动机发生窜轴、扫膛、转速突然下降、温度迅速上升。4.2启动前的检查工作启动前应特别注意如下几点 1 新安装或停用三个月以上的电动机起动前应检查绝缘电阻，测得绝缘电阻值不小于1MQ。 2检查电动机的紧固螺钉是否拧紧，轴承是否缺油， 电动机的接线是否符合要求，外壳是否可靠接地或接零。 3 检查联轴器的螺钉和销钉是否紧固，皮带联接处是否良好，松紧是否合适，机组转动

28、是否灵活，有无卡位，窜 动和不正常的声音等。 检查熔断器的额定电流是否符合要求，安装是否牢固可靠。 4检查起动设备接线是否正确，起动装置是否灵活，触点接触是否良好，起动设备的金属处壳是否可靠接地或接零。 5检查三相电源电压是否正常，电压是否过高过低或三相电压不对称等。 上述任何一项有问题，都必须彻底解决，在确认准备工作无误时方可起动。 4. 3起动时的注意事项 1电动机允许满压起动或降压起动(用电抗或Y一)，但应注意满压起动时大约57倍额定电流，降压启动时转距与电压平方成正比，当电网容量不足时，宜采用降压启动，而当静负载相当大时，可采用满压起动。 2当电源相序A、B、C分别与接线板线柱、V1、

29、相对应时，电动机的转向从主轴端视之为顺时针。 3电动机一般应有热保护装置，根据电动机的额定电流，调整保护装置的整定值。 4合闸后，若电动机不转，应迅速、果断地拉闸，以免烧毁电动机。 5电动机起动后注意观察传动装置，生产机械及线路电压电流，若有异常现象，应立即停机查明故障并排除之后，方可重新合闸起动。 6按电动机的技术要求，限制电动机连续起动次数，一般空载连续起动不超过3次，电动机长期运行至热态，停机后起动，不得超过2次。 7若干台电动机由同一台变压器供电时，不能同时起动，应由大到小逐台起动。第五章 设计心得体会 这是进入大学以来第一次做课程设计，由于在设计方面没有经验，理论基础知识把握得不牢固

30、，在设计中难免会出现这样那样的难题。比如在绕线异步电动机的工作原理及同步磁场和转子磁场的关系的理解上就碰了钉子，但是在老师和同学的帮助下逐步解决了。尤其是电机拖动实验室的老师不厌其烦，循循善诱，最终我成功完成了电动机的串电阻调速和降压调速的机械特性测定实验。这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。对于我来说，收获最大的是方法和能力，特别是分析和解决问题和动手操作的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，在实践中解决问题。【1】 本次的课程设计，更进一步提升了我对电机学的认识，还帮助我解决了以前在理论学习中的一些不是很清楚的地方，实验环节，更是极大地锻炼了我的动手能力及分析解决问题的能力，使我在求学的路上不能拘泥于书本上的理论知识，应该理论联系实际，在实践中深化对理论知识的认识。但是由于水平有限，难免会有错误，希望老师批评指正。16