电托设计 - 图文

课程设计名称： 电机与拖动

题

目：绕线型异步电机转

子串电阻起动设计

专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气09-3 姓 名：董红南 学 号：0905040303

辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

学 期 专 业 课程名称 论文题目 2011－2012学年第一学期 电气工程及其自动化 电机与拖动 姓 名 董红南 班 级 电气09-3 绕线型异步电机转子串电阻起动设计 评定指标 知识创新性 理论正确性 内容难易性 分值 20 20 15 10 15 10 10 100 得分 评 结合实际性 定 知识掌握程度 标 书写规范性 准 工作量 总成绩 评语： 任课教师 李国华 时 间 2011年 6 月 26日 备 注

课程设计任务书 一、设计题目 绕线型异步电机转子串电阻起动设计 二、设计任务 Y 123 M-4 三项绕线转子异步电动机，用其拖动技术数据参数如下： PN=15KW nN=720r/min aMT=2.5 U2N=380V I2N=55A 如果负载转矩TL=0.8TN,起动级数m=3,试求三级起动电阻值。 三、设计计划 电机与拖动课程设计共计1周内完成。第1～2天查资料，熟悉题目；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；第6天准备答辩；第7天答辩。 四、设计要求 1.输入电压：采用三相四线制380V、50Hz交流电压 2.与市电同步时，50Hz?5% 指 导 教 师： 李国华 教研室主任： 汪玉凤 时 间： 2011年6月26日 摘要

进一步巩固和加深“电机与拖动”课程的基本知识，了解绕线型异步电机转子串电

阻起动设计知识在工程实际中的应用。

综合运用“电机与拖动”课程的理论及生产实际知识去分析和解决直流电动机调速设计中的一些问题，进行电机设计的训练。

通过计算和绘图，学会运用标准，规范的手册，图册和查阅有关资料等，培养电机设计的基本技能。

掌握绕线型异步电机转子串电阻起动的原理与步骤，培养独立的思维和动手能力。 关键字：调速；串电阻；起动。

目 录

1 三相异步电机的基本原理………………………………………………1 2 三相异步电机的结构和工作原理………………………………………2 2.1 三相异步电动机的定子结构·······························2 2.2 三相异步电动机的转子结构·······························3 2.3 三相异步电动机的工作原理·······························3 3 电动机的起动指标……………………………………………………4 3.1 起动转矩要足够大·······································4 3.2 起动电流不要超过允许范围·······························4 4 起动过程………………………………………………………………5 4.1 无级起动···············································5 4.2 有级起动···············································5 5 起动级数未定的计算…………………………………………………8 5.1 选择起动转T1和切换转矩T2·······························8 5.2 求出起切转矩比β·······································8 5.3 求出起动级数m··········································8 5.4 重新计算β，校验T2是否在规定的范围之内。················10 5.5求出转子每相绕组的电阻R2································10 5.6 计算各级总电阻·········································10 5.7 求出各级起动电阻·······································11 6 起动级数已定时，起动电阻的计算…………………………………12 7 具体设计………………………………………………………………13 7.1 选择起动转矩T1·········································13

7.2 求出起切转矩比?········································13 7.3 求出切换转矩T2········································13 7.4 求出转子每相绕组电阻···································13 7.5 求出各级总电阻·········································13 7.6 求出各级起动电阻·······································14 结论…………………………………………………………………………15 设计体会……………………………………………………………………16 参考文献……………………………………………………………………17 致谢…………………………………………………………………………18

1 三相异步电机的基本原理

定子三相电压U1产生定子三相电流I1,三相电流通过定子三相绕组产生旋转磁场?，由于转子与旋转磁场存在着相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势E2。由于转子绕组是闭合的，因而产生了感应电流I2,I2与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩T，从而使转子拖动生产机械以转速n运转。这一工作过程可以表示成：

U1?I1???E2?I2?T?n

由于转子与旋转磁场之间有相对运动时，转子绕组才会切割磁感线而产生感应电动势和感应电流，才能产生电磁转矩，所以转子转速总是小于同步转速的，两者不可能相等，故称为异步电动机。由于这种电机是利用转子绕组中的感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩而工作的，故又称感应电动机。

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2 三相异步电机的结构和工作原理

三相异步电动机的种类很多，有绕线型的，鼠笼型的等等，但三相异步电动机的结构基

本相同，它主要是由定子部分(静子的)和转子部分（转动的）两大部分组成，定子和转子之间是气隙，另外还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。

2.1 三相异步电动机的定子结构

三相异步电动机的定子主要是由机座、定子铁芯和定子绕组三个部分组成的。

（1）机座

三相异步电动机的机座主要用来固定和支撑定子铁芯和绕组。中小型电动机一般采用铸铁机座，大中型电动机多采用钢板焊接的机座。电动机损耗变成的热量主要通过机座散出，为了加强散热面积，机座外部有很多均匀分布的散热筋。机座两端面上安装有端盖，用来支撑转子，保持定子、转子之间的气隙值。三相绕线型异步电动机的机座如图1-1所示。

图2-1 绕线型异步电动机的结构

（2）定子铁芯

定子铁芯是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁芯的铁损耗，定子铁芯由0.5㎜厚的硅钢片叠压而成。硅钢片两面还应涂上绝缘漆，用以降低交变磁通在铁芯中产生的涡流损耗。在定子铁芯内圆上开有槽，槽内放置定子绕组（也叫电枢绕组）。

（3）定子绕组

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定子绕组是由绝缘导线制成的三相对称绕组，按照一定的连接方式安放于定子铁心槽内。小型异步电动机多采用单层绕组，容量较大的异步电动机一般采用双层绕组。

2.2 三相异步电动机的转子结构

三相异步电动机的转子是由转子铁芯、转子绕组和转轴组成的。

（1）转子铁芯

转子铁芯也是磁路的一部分，与定子铁芯一样，也是由0.5㎜厚的硅钢片叠压而成的，整个铁芯固定在转轴上。转子铁芯外圆上有均匀分布的槽，用以安放转子绕组。由于槽缝很小，因而整个转子铁芯的外表面呈圆柱形。

（2）转子绕组

三相异步电动机的转子绕组按结构分为笼型绕组和绕线型绕组两种。 笼型绕组：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。

绕线型绕组：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电环上，再通过电刷、滑环间的滑动与外电路联接。

2.3 三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的工作原理是：当向三相定子绕组中接入对称的三相交流电源时，就产生了一个以同步转速n1旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，始时转子不动，旋转磁场的磁力线切割转子导体产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子是闭合的，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。设旋转磁场按顺时针方向旋转，某时刻为上为北极N下位南级S，根据右手定则，在上半部分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。这样，有电流流过的转子导体在旋转磁场 图 2-2 中的受力为f（其方向用左手定则判定），转子的上半圆周各导体的力与下半圆周各导体的力方向相反，形成转矩T，所以转子便在该方向上旋转起来。如上图所示。

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3 电动机的起动指标

起动是指电动机从静止状态开始转动起来，直至最后达到稳定运行。对于任何一台电动机，在起动时，都有下列两个基本的要求。

3.1 起动转矩要足够大

只有Tst>Tl时，电动机才能改变原来的静止状态，拖动生产机械运转。一般要求

Tst≥(1.1~1.2)Tl。Tst越大于Tl，起动过程所需要的时间就越短。

3.2 起动电流不要超过允许范围

对三相异步电动机来说，由于起动瞬间s=1，旋转磁场与转子之间的相对运动速度很大，转子电路的感应电动势及电流都很大，所以起动电流远大于额定电流。在电源容量与电动机的额定功率相比不是足够大时，会引起输电线路上电压降的增加，造成供电电压的明显下降，不仅影响了同一供电系统中其他负载的工作，而且会延长电动机本身的起动时间。此外在起动过于频繁时，还会引起电动机过热。在这两种情况下，就必须设法减小起动电流。

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4 起动过程

绕线型异步电动机的转子电路串联合适的电阻不但可以减小起动电流，而且还可以增大起动转矩，因而，要求起动转矩大或频繁起动的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。视电动机容量的不同，起动方法又分两种。

4.1 无级起动

容量较小的三相绕线型异步电动机可采如图1-3所示转子电路串联起动变阻器的无极起动方法起动。起动变阻器通过手柄接成星形，起动前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。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除，使转子绕组短接。

起动变阻器的最大值为：

TN Rst=（-1）R2

sNT1式中T1为所要求的起动转矩值。

（4-1-1）

图4-1

又有R2的计算公式为：

snU2NI2N3

（4-1-2）

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4.2 有级起动

容量较大的三相绕线型异步电动机一般采用有级起动的方法以保证启动过程中都有较大的起动转矩和较小的起动电流。现以两级起动为例介绍其起动步骤和起动过程。原理电路和机械特性如下图所示。图中机械特性只画出了每条特性的n0M段，并近似用直线代替。 结构如下图： 机械特性如下图：

图4-2 图4-3 起动步骤如下：

(1) 串联起动电阻Rst1和Rst2起动。

起动前开关S1和S2断开，使得转子每相串入电阻RST1和RST2加上转子每相绕组自身的电阻R2，转子电路每相总电阻为

R22=R2+RST1+RST2

然后合上电源开关S这时电动机的机械特性为图中的a特性。由于起动转矩T1远大于负载转矩TL，电动机拖动生产机械开始起动工作点沿特性 a由a1点向a2点移动。

(2)切除起动电阻RST2 .

当工作点到达a2点，即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关S2切除起动电阻Rst2转子每相电路的总电阻变为

R21=R2+RST1

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这时电动机的机械特性变为特性b。由于切除Rst2的瞬间，转速来不及改变，故工作点由特性a上的a2点平移特性b上的b1点，使这时的电磁转矩仍等于T1，电动机继续加速，工作点沿特性b由b1点向b2点移动。

（3）切除起动电阻RST1

当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时，合上开关S1，切除起动电阻Rst1，电动机转子电路短接，转子每相电路的总电阻变为

R20=R2

机械特性变为固有特性c。工作点由b2点平移至c1点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于T1。电动机继续加速，工作点沿特性c由c1点向c2点移动，经过c2点，最后稳定运行在p点。整个起动过程结束。

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5 起动级数未定的计算

5.1 选择起动转矩T1和切换转矩T2

一般选择

T1=（0.8～0.9）TM

T2=（1.1～1.2）TL

5.2 求出起切转矩比β

β=T1/T2 （5-2）

5.3 求出起动级数m

利用图示起动过程中的机械特性，根据几何关系推导起动级数m的计算公式如下由特性c与水平虚线构成的直角三角形求得，或者利用1：在同一转矩下，转子电阻之比等于转差率之比，2：在同一特性曲线上，转矩之比等于转差率之比。

T1/TM =（no-nc1）/(no-nMc)

=sc1/sMc （5-3-1）

T2/TM =（no-nc2）/(no-nMc)

=sc2/sM （5-3-2）

式中nc1和nc2是工作在 c1点和c2点时的转速，nMc是TM与特性c交点上的转速（即临界转速）。sc1、sc2和sMc是与之对应的转差率。同理可以求得

T1/TM = sa1/sMa = sb1/sMb = sc1/sMc

T2/TM = sa2/sMa = sb2/sMb = sc2/sMc

由于sb1=sa2，对应两式相除，可得：

β=T1/T2 (5-3-3)

=sMa/sMb

=(R22/X2)/(R22/X2) =R22/R21

由于sc1=sb2对应两式相除，可得：

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β=T1/T2 =sMb/sMc

=(R21/X2)/(R20/X2)

=R21/R20

可见， R22=βR21

R21=βR20

所以

R22=β2R20=βR21 若是m级起动，则

R2m=βmR20=βmR2

式中

R2m=R2+Rst1+Rst2+?Rstm 因此

β= 由前面的分析还可以得到

sc1/sMc=sa1/sMa sc1=sa1*sMc/sMa

=R2/R22

若是m级起动，则

sc1=R2/R2m 此外，在固有特性c上工作时 T1/TN=sc1/sN S1c1=SN

TT

N将这些关系代入β公式，可得：

mTN β=

sNT1 两边取对数，便得到起动级数m的计算公式：

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(5-3-4)(5-3-5)

TNlg sNT m=

lg?若m不是整数可取相近整数

（5-3-6）

5.4 重新计算β，校验T2是否在规定的范围之内。

若m是取相近整数，则重新计算β，并计算出T2，校验T2是否在规定的范围之内。若不在规定的范围之内，需加大起动级数m，重新计算β和T2，直到T2满足要求为止。

5.5求出转子每相绕组的电阻R2

转子每相绕组的电阻可以通过实测或者通过铭牌上提供的转子绕组额定线电压（开路时的线电压）U2N和转子绕组的额定线电流（满载时的线电流）I2N进行计算。

由于转子绕组为星型联结，相电流等于线电流。因此在额定状态下运行时

sNE2I2N=R2?(sNX2)22=sNU2N/3R2?(sNX2)22 （5-5-1）

由于sN很小，sNX2可以忽略不计，则

sNU2nI2N=

由此求得R2的计算公式为

3R2sNU2N (5-5-2)

R2=

3I2N (5-5-3)

5.6 计算各级总电阻

R20=R2

R21=βR2

R22=βR21=β2R2 …… R2m=βmR2

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5.7 求出各级起动电阻

Rst1=R21-R2

Rst2=R22-R21 ……

Rstm=R2m-R2(m-1)

所以： Rsti =(βi- βi-1)R2 式中，i=1,2,?，m

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6 起动级数已定时，起动电阻的计算

1.选择T1 2．求出β

3．求出T2，并检验T2是否在规定的范围之内，否则加大起动级数m，重新计算，直到T2符合要求为止。 4．求出R2

5．用最后确定的β和m求出各级总电阻。 6．求出各级起动电阻

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7 具体设计

7.1 选择起动转矩T1

T= 60PNN60602?n=??103N·m=400.7 N·m

N2?3.141430TM?aMTTN=2.5×400.70N·m=1001.75 N·m

T1=(0.8~0.9)TM=(0.8~0.9)×1001.75 N·m

= (801.40~901.58) N·m 取T1=850 N·m

7.2 求出起切转矩比?

n S0?nNN=n=1500?1430=0.0467

01500TN ?=m400.S470NT=10.0467?850=1.8

7.3 求出切换转矩T2

TT 18502=?=1.8 N·

m=472.22 N·m

由于T2>1.1TL,所以m和?合适。 7.4 求出转子每相绕组电阻

sNU2NR2=

3I=

0.0467?2302N3?94?=0.0660?

7.5 求出各级总电阻 R21??R2?1.8×0.0660?=0.119?

R22??R21?1.8×0.119?=O.214?

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R23 R24??R22?1.8×0.214?=0.385? ??R23?1.8×0.385?=0.693?

7.6 求出各级起动电阻 RST1 RST2?R21?R2?（0.119-0.0660）?=0.053?

?R22?R21?（0.214-0.119）?=0.095?

RST3?R23?R22? RST4?R24?R23?

0.385-0.214）?=0.171?

0.693-0.385）?=0.308?

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（（

结论

通过对绕线型三相异步电动机转子串电阻起动的课程设计，我们可以得到以下结论。绕

线式三相异步电动机转子回路串合适的电阻时，一方面可以减小起动电流，另一方面还可以增大起动转矩，使起动性能大为改善。当串联的电阻超过一定的数值时，起动转矩反而会减小。因而，串联合适的电阻时，要求起动转矩大或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。

在设计起动电阻时，根据题目的要求，可为给定起动级数的，和起动级数未知的，进行运算时要根据已知条件选择合适的方法确定起动电阻。

通常，为了使整个起动尽量保持较大的起动转矩，在转子回路接入可以逐级切除的起动变阻器，起动变阻器切换使起动转矩保持在所设定的起动转矩最大和最小值之间。一般选择T1=(0.8~0.9)TM，如果串联的起动变阻器级数m太小，起动不平稳；而串联级数多，则会增大初期投资，而这种起动方法比较简单，起动性能非常好，允许频繁起动。

总之，绕线型异步电动机转子串联适当的三相对称可变电阻，这种方法既可以限制起动电流，又可以增大起动转矩，以至于可以接近最大起动转矩，适当的增大串联电阻的功率，使起动电阻也可以兼做调速电阻，这种方法简单，初期投资不高，适用于起动转矩大，并有调速要求的负载。如：恒转矩负载，对于通风机负载也可以应用。

缺点：多级调节控制电路较复杂，安装维护不方便，电阻耗能大，成本较高。

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设计体会

通过对三相异步电动机转子串电阻起动这一课程的设计，我得到了很多体会和收获： 这是我第一次进行的课程设计，在首先了解课程设计任务书后，经过同学们在一起思考，大家通过去图书馆借阅资料，在网上收集资料等，来熟悉题目所要求的内容，然后得出设计方案，进行具体步骤。这增加了我们的动手能力和实际操作的能力。为我们在以后的课程设计方面积累了宝贵的经验，对我们以后参加工作有很大的帮助。

这次课程设计使我们了解了课程设计所要求的基本格式，包括内容和其他的知识，通过查找大量有关电机与拖动方面的资料，使我对《电机与拖动》这门课程有了更深的，更全面的了解，学会了很多在课堂上所学不到的知识和能力。使我对本专业知识又有了更进一步的认识。在此过程中，通过不断的摸索，使我在计算机运用方面，如公式编辑器，符号等，有了一定的提高。

在这次课程设计中，通过同学们在一起互相探讨和交流思想，问题一个一个的被解除，经过大家的合作，我体会到了团队合作的重要性，我们每个人都是团队中的一员，只要我们每个人不懈的努力，问题将会迎刃而解。团队协作是非常重要的，这使我在以后的工作中要时刻注重这一点。

在这次课程设计中，我从中不仅仅学到了学习方面的知识，又通过讨论，增进了我们同学间的友情。这又是对我自身能力的一次很大提高，对我在以后的工作中积累了宝贵的经验，使我受益匪浅。

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参考文献

1.唐 介·电机与拖动·北京：高等教育出版社·2003.7

2.杨文换·电机与拖动基础·西安：西安电子科技大学出版社· 2008.7 3.孙旭东· 电机学·北京：清华大学出版社·2006.9 4.王正茂·电机学·西安：西安交通大学出版社·2000.9 5.李发海，朱东起 ·电机学·北京: 科学出版社·2007.6 6.张植保·电机原理与应用·北京：化学工业出版社·2006.9

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致谢

经过这一周的努力，我圆满的完成了这次课程设计。在这里，我首先要深深的感谢指导我完成这次设计的仲伟堂老师、王继强老师、王巍老师。他们治学严谨，精益求精的工作作风深深地感染并激励着我。感谢老师指导我有关电机方面的知识，指出我在课程设计中的不妥之处，并进行改正，使设计更加完美。指导我圆满的完成这次课程设计。

同时我要感谢图书馆的老师和辛勤工作的工作人员，你们帮助我在图书馆寻找电机方面相关资料的书籍，通过参考这些书籍，使我顺利完成了这次设计。

我还要感谢我的同学们，由于你们的帮助，不但增加了我的学习方面知识，还锻炼了我的能力，使我自身能力又有了一定的提高，我们共同完成了这次课程设计。

在此，向我敬爱的老师，我的同学们，帮助过我的人，表示深深的感谢，感谢你们！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1cwg.html