电机与拖动专业课程设计.doc

哈尔滨工业大学

《电机和拖动》课程设计

设 计 题 目：绕线式异步电动机转子串电阻起动分析和设计
院（系、部）： 航天学院
专 业 班 级： 自动化
姓 名：
学 号：
指 导 教 师：
日 期：
电气工程系课程设计标准评分模板
课程设计成绩评定表
学期
/第2学期
姓名

专业
自动化
班级

课程名称
电机和拖动课程设计
设计题目
绕线式异步电动机转子串电阻起动分析和设计
成绩
评分项目
优
良
中
及格
不及格
设计表现
1.设计态度
很认真
认真
较认真
通常
不认真
2.设计纪律
严格遵守
遵守
基础遵守
少许违反
严重违反
3.独立工作能力
强
较强
能独立设计完成
基础独立设计完成
不能独立设计完成
4.上交设计时间
提早或按时
按时
迟交半天
迟交一天
迟交一天以上
设计说明书
5.设计内容
设计思绪清楚，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确
设计思绪清楚，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少许错误
设计思绪较清楚，结构方案基础合理，设计参数选择基础正确，调理清楚，内容基础完整，有少许错误
设计思绪基础清楚，结构方案基础合理，设计参数选择基础正确，调理清楚，内容基础完整，有些错误
设计思绪不清楚，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有显著错误
6.设计书写、字体、排版
规范、整齐、有条理，排版很好
较规范、整齐、有条理，部分排版有问题
基础规范、整齐、有条理，部分排版有问题
基础规范、整齐、有条理，排版有问题较多
不规范、不整齐、无条理，排版有问题很大
7.封面、目录、参考文件
完整
较完整
基础完整
缺项较多
不完整
图纸
8.绘图效果
很出色
较出色
通常
较差
很差
9.布局
合理、美观
较合理
基础合理
有些混乱
布局混乱

10.绘图工程标准
符合标准
较符合标准
基础符合标准
部分不符合标准
完全不符合标准
评定说明：
不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其它4项否决；
优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其它项超出三分之一为评定标准，不然评定为下一等级；如优异评定，设计内容要符合5，其它九项要有4项符合才能评定为优，不然评定为良好，以这类推。
最终成绩： 评定老师签字：

课程设计任务书

一、设计题目
绕线式异步电动机转子串电阻起动分析和设计

二、设计任务
一台JR71-4型三相绕线式异步电动机，拖动一个横转矩负载。已知：PN=20kW，nN=1420r/min，fN=50Hz，U2N=187V，I2N=68.5A，αMT=2.3，TL=100N·m。
1、若要求开启电流是Ist=2.5IN，求最大串联电阻，设计其起动级数并计算每级电阻值。
2、最大许可起动转矩T1=1.8TN，起动切换转矩T2=TN，试设计其起动级数并计算每级电阻值。
三、设计计划
电机和拖动课程设计累计1周内完成：
1、第1～2天查资料,熟悉题目；
2、第3～5天方案分析,具体按步骤进行设计及整理设计说明书；
3、第6天准备答辩；
4、第7天答辩。
四、设计要求
1、设计工作量为完成设计说明书一份；
2、设计必需依据进度计划按期完成；
3、设计说明书必需经指导老师审查签字方可答辩。

指 导 老师：
教研室主任：
时 间：

摘要
绕线式异步电动机转子回路中能够外串三相对称电阻，以增大电动机开启转矩，开启结束后能够切除外串电阻，电动机效率不受影响。当然，所串联电阻超出一定数值后，最初起动转矩反而会减小。所以绕线异步电动机转子要串入适宜电阻，不仅能够降低起动电流，而且能够增大起动转矩。
因为三相异步电动机直接开启时，开启转矩和开启电流很大轻易造成电机和设备损坏，所以此次设计对三相异步电动机开启做了研究，目标是确保电动机安全开启。 
本此设计针对绕线型异步电动机转子串电阻做了叙述，依据开启电流和开启转矩要求设计适宜电阻和开启级数来确保电动机安全平稳开启。
关键词：异步电动机；串电阻；开启

目 录

1 引言 1
2 电动机原理和结构 1
2.1 工作原理 1
2.2 异步电动机结构 2
2.2.1 定子 2
2.2.2 气隙 2
2.2.3 转子 2
2.2.4 其它 3
3 电动机起动指标 3
3.1 起动转矩要足够大 3
3.2 起动电流不要超出许可范围 3
4 起动过程 4
4.1串联起动电阻Rst2和Rst2起动 4
4.2切除起动电阻R 5
5起动级数未定时起动电阻计算 5
5.1计算推导过程 5
5.2具体设计 7
6 结论 9
参考文件 10

1 引言
对于三相异步电动机起动，因为起动瞬间s=1，转子电路感应电动势及电流全部比较大且远大于其额定值，故不能直接起动，故产生很多方法起动，本设计将讨论绕线型三相异步电动机转子串电阻起动。 
绕线型三相异步电动机转子电路串适宜电阻不仅能够减小起动电流，而且能够增大起动转矩，对于转矩大或频繁起动生产机械引用尤为广泛。不仅使电机有足够大起动转矩，使拖动系统有较大加速转矩，立即达成正常运行状态，而且能够减小对电网冲击，影响其它设备。 
而且绕线型异步电动机含有起动性能好、起动转距高、起动电流小等优点。因为起动时，转子回路中串入附加电阻或频敏变阻器，不仅能改善起动性能，而且还能够实现调速。 绕线式异步电动机经过转子外接电阻进行调速是一个传统调速方法。但假如转速越低，这个损耗越大，电动机效率越低，转子串电阻调速是将转差攻率消耗在转子电阻上。   
2 电动机原理和结构 
2.1 工作原理 
三项异步电动机工作原理应该是：当向三项定子绕组中经过入对称三项交流电时，就产生了一个以同时转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转旋转磁场。因为旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势方向用右手定则判定）。因为导子导体两端被短路环短接，在感应电动势作用下，转子导体中将产生和感应电动势方向基础一致感生电流。转子载流导体在定子磁场中受到电磁力作用（力方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转。经过上述分析能够总结出电动机工作原理为：当电动机三项定子绕组，通入三项交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，而且电机旋转方向和旋转磁场方向相同。 

图2-1工作原理图
2.2 异步电动机结构
三相异步电动机关键由定子和转子两部分组成，及其它附件。

图2-2异步电机结构图
2.2.1 定子 
三相异步电动机定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖四部分组成。为降低旋转磁场在铁心中引发铁损耗，定子铁心通常采取相互绝缘、厚为0.5mm硅钢片叠成圆筒形，内壁开有很多均匀分布槽，用以嵌放定子绕组。定子绕组是由绝缘导线制成三相对称绕组，根据一定连接方法安放于定子铁心槽内。小型异步电动机多采取单层绕组，容量较大异步电动机通常采取双层绕组。机座由铸铁或铸钢制成，关键作用是用来固定和支撑定子铁心，所以，机座需要有足够机械强度和刚度。端盖由铸铁或铸钢制成，固定在机座两端，用以支撑转子和防护外物侵入。
2.2.2 气隙 
气隙大小对异步电动机运行性能有很大影响。为了降低电机励磁电流，提升功率因数，气隙应该尽可能小。在中小型异步电动机中，气隙大约为0.2～1.5 mm 
2.2.3 转子 
异步电动机转子有转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。转子铁心通常由0.5mm厚硅钢片叠成圆筒形，硅钢片外圆冲有均匀分布孔，用来安置转子绕组。通常小型异步电动机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300~400毫米以上）转子铁心则借助和转子支架压在转轴上。  
转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中多根导条和两个环行端环组成。绕线式转子：绕线转子绕组和定子绕组相同，也是一个对称三相绕组，通常接成星形，三个出线头接到转轴三个集流环上，再经过电刷和外电路联接。

图2-2-3转子图
2.2.4 其它 
轴承：连接转动部分和不动部分。  
轴承端盖：保护轴承。风扇：冷却电动机。
3 电动机起动指标
起动是指电动机从静止状态开始转动起来，直至最终达成稳定运行。对于任何一台电动机，在起动时，全部有下列两个基础要求。
3.1 起动转矩要足够大
堵转状态时电动机刚接通电源，转子还未转动时工作状态，工作点在特征曲线上S 点。这时转差s=1,转速n=0,对应电磁转矩T称为起动转矩。
堵转状态说明了电动机直接起动能力。因为只有在T>T<通常要求T>（1.1～1.2）T，电动机才能起动起来。T大，电动机才能重载起动；T小，电动机只能轻载，甚至空载起动。所以只有T≧T时，电动机才能改变原来静止状态，拖动生产机械运转。通常要求T>（1.1～1.2）T。T越大于T，起动过程所需要时间就越短。
3.2 起动电流不要超出许可范围
对三相异步电动机来说，因为起动瞬间s=1，旋转磁场于转子之间相对运动速度很大，转子电路感应电动势及电流全部很大，所以起动电流远大于额定电流。在电源容量和电动机额定功率相比不是足够大时，会引发输电线路上电压增加，造成供电电压显著下降，不仅影响了同一供电系统中其它负载工作，而且会延长电动机本身起动时间。另外在起动过于频繁时，还会引发电动机过热。在这两种情况下，就必需设法减小起动电流。
4 起动过程
绕线型异步电动机转子串联适宜电阻不仅能够减小起动电流，而且还能够增大起动转矩，所以，要求起动转矩大或起动频繁生产机械常采取绕线型异步电动机拖动。
容量较小三相绕线型异步电动机可采取转子电路串联起动变阻器方法起动。起动变阻器经过手柄接成星形。起动先把起动变阻器调到最大值，再合上电源开关S，电动机开始起动。伴随转速升高，逐步减小起动变阻器电阻，直到全部切除，使转子绕组短接。
容量较大绕线型异步电动机通常采取分级起动方法以确保起动过程中全部有较大起动转矩和较小起动电流。现以两级起动为例介绍其起动步骤和起动过。原理电路和机械特征图1所表示。图中机械特征只画出了每条特征nM段，并近似用直线替换。起动步骤以下：
4.1串联起动电阻Rst2和Rst2起动
起动前开关S和S断开，使得转子每相串入电阻R″和R′，加上转子每相绕组本身电阻R，转子电路每相总电阻为
R= R+R″+R′
然后合上电源开关S，这时电动机机械特征为图中特征，因为转动转矩T远大于负载转矩T，电动机拖动生产机械开始起动，工作点沿特征a由b点向c点移动。

(a)电路图 （b）机械特征

图4-1电动机电路图和机械特征图
4.2切除起动电阻R
当工作点抵达c点，即电磁转矩T等于切换转矩T时，合上开关S切除起动电阻R转子每相电路总电阻变为：
R=R+R
这时电动机机械特征变为特征d。因为切除R瞬间，转速来不及改变，故工作点由特征a上c点平移到特征d上e点，使这时电磁转矩仍等于T，电动机继续加速，工作点沿特征由e点向f点移动
4.3切除起动电阻R
当工作点抵达f点，即电磁转矩T等于切换转矩T时，合上开关S切除起动电阻R。电动机转子电路短接，转子每相电路总电阻变为：R=R机械特征变为固有特征g，工作点由f点评至h点，使得这时电磁转矩T仍恰好等于T,电动机继续加速，工作点沿特征g由h向i移动，经过i点，最终稳定运行在P点.整个起动过程结束。
5起动级数未定时起动电阻计算
5.1计算推导过程
1）选择起动转矩T和切换转矩T
通常选择
T=(0.8-0.9)T
T=(1.1-1.2)T
2）求出起动转矩比β
β= T/ T
3）求出起动级数m
利用图所表示起动过程中机械特征，依据集合关系推导起动级数m所计算公式以下：由特征2和水平虚线组成直三角形求得。
=S/S
=S/S
式中n和n是工作在h点和i点时转速，n是T和特征g交点在转速（即临界转速）。S,S和S是和之对应转差率。同理能够求得
TS1/T=S/S=S/S= S/ S
T/T=S/S=S/S=S/ S
因为S= S,对应两式相除，可得
β=T/T=S/S=(R/ X2)/ (R/ X2)= R/ R
因为S=S
β=TS1/T=S/S= R/ X/ R/ X= R/ R
可见
R=βR
R=βR
所以
R=β R=βR
若是m级起动，则
R=βR
=βR
式中
R2m= R+R+R+……+R
所以
β=
由前面分析还能够得到
S/S=S/S
S=S
若是m级起动，则
S=R/R
另外，在固有特征c上工作时
Ts1/T=S/S
S= S
将这些关系带入β公式，可得
β=
两边取对数，便得到了起动级数m计算公式
M=
若m不是整数可取相近整数
4）重新计算β，校验T,是否在要求范围内。
若m是取相同整数，则需要重新计算β，并求出T，校验T是否在式所要求范围之内。
若不在要求范围内，需加大开启级数m,重新计算β和T,直到T满足要求为止。
5）求出转子每相绕组电阻R
转子每相绕组电阻能够经过实测或经过名牌上提供转子绕组额定线电压U和转子绕组额定线电流I进行计算。
因为转子绕组为星形连接，相电流等于线电流，所以，在额定状态下运行时
因为S很小，SX能够忽略不计，则
I=
所以求得R2计算公式为
R=
6）计算各级总电阻
由前面分析知道
R=R
R=βR
R=βR=βR
……
R=βmR
7）求出各级起动电阻
R=R-R
R=R-R
……
R=R-R
5.2具体设计
一台JR71-4型三相绕线式异步电动机，拖动一个横转矩负载。已知：PN=20kW，nN=1420r/min，fN=50Hz，U2N=187V，I2N=68.5A，αMT=2.3，TL=100N·m。最大许可起动转矩T1=1.8TN，起动切换转矩T2=TN，试设计其起动级数并计算每级电阻值。
1） 选择起动转矩T1切换转矩T2
T===134.6N.m
T=a T
=2.3*134.6N.m
=309.58N.m
=242.28

2）求出起切转矩比β
β=T1/T2=1.8
3）求出起动级数m

m=
=
=4.08
取m=4.
4） 重新计算β,检验T2是否在要求范围内
β==
T2=T1/β=242.28/1.799=134.6
T2基础在要求范围之内.
因为T>1.1T,所以所选m和β适宜.
5）求出转子每相绕组电阻R2
R==Ω
6）计算各级总电阻
R=βR
=1.8*0.08
=0.144Ω
R=βR
=1.8*0.144
=0.259Ω
R=βR
=1.8*0.259
=0.467Ω
R=βR
=1.8*0.467

7）求出各级起动电阻
R= R- R
=（0.144-0.08）Ω
=0.064Ω
R=R-R
=（0.259-0.144）
=0.115Ω
R= R- R
=（0.467-0.259）
=0.208Ω
R=R24-R23
=0.84-0.467
=0.373Ω

6 结论
绕线式三相异步电动机转子回路串接电阻，首先能够减小起动电流，其次能够增加最初起动转矩，当串入某一适宜电阻时，还能使电动机以它最大转矩T起动。当然，所串联电阻超出一定数值后，最初起动转矩反而会减小。因为绕线异步电动机转子串联适宜电阻，不仅能够降低起动电流，而且能够增大起动转矩，所以，要求起动转矩大或起动频繁生产机械常见绕线型异步电动机。
通常，为了使整个起动尽可能保持较大起动转矩，在转子回路接入能够逐层切除三相开启变阻器，开启变阻器切换使起动转矩保持在所设定起动转矩最大和最小值之间。起动转矩通常取0.85T左右。
总而言之，转子回路串三相对称可变电阻起动，这种方法既可限制起动电流，又可增大起动转矩，串接电阻值取得合适，还可使起动转矩靠近最大转矩起动，合适增大串接电阻功率，使起动电阻兼作调速电阻，一物两用，适适用于要求起动转矩大，并有调速要求负载。缺点：多级调速控制电路较复杂，电阻耗能大。

参考文件
[1] 刘锦波，张承慧.电机和拖动[M].北京：清华大学出版社，.9 
[2] 唐介.电机和拖动[M].第2版.北京：高等教育出版社，.12 
[3] 李晓竹.电机和拖动[M].徐州：中国矿业大学出版社，.1 
[4] 黄忠霖.电工学MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社，.1 
[5] 董玉冰.Multism9在电工电子技术中应用[M].北京：清华大学出版社，.11 
[6] 腾龙科技等.MATLAB工程计算及分析[M].北京：清华大学出版社，.3