绕线异步电动机串电阻启动

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1.电动机

1.1旋转磁场

定子三相对称绕组中通以频率为f1的三相对称电流便会产生旋转磁场。旋转磁场的转速 由下式确定 n0=

60f1p

式中，P为电机的极对数。n0又称为同步转速旋转磁场的转向由三相电流通入三相绕组的相序决定。改变电流相序，旋转磁场的转向随之改变。

1.2异步电动机结构

Y形的电阻，或直接通过短路端环短三相异步电动机主要由静止的和转动的两部分构成，其静止部分称为定子。定子是用硅钢片叠成的圆筒形铁心，其内圆周有槽用来安放三相对称绕组：三相对称绕组每相在空间互差120°，可联接成Y形或Δ形。三相异步电动机转动的部分称为转子，是用硅钢片叠成的圆柱形铁心，与定子铁心共同形成磁路。转子外圆周有槽用以安放转子绕组。转子绕组有鼠笼式和线绕式两种。鼠笼式：将铜条扦入槽内，两端用铜环短接，或直接用熔铝浇铸成短路绕组。线绕式：安放三相对称绕组，其一端接在一起形成Y形，另一端引出连接三个已被接成路。

1.3异步电动机工作原理

转子绕组切割旋转磁场产生感应电势，并在短路的转子绕组中形成转子电流,转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，形成转动力矩，使转子随旋转磁场以转速n转动并带动机械负载。转子和旋转磁场之间转速差的存在是异步电动机转动的必要条件，转速差以转差率s衡量

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S=

n0-nn0×100%

1.4定子

定子铁芯：导磁和嵌放定子三相绕组：0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成；内圆均匀开槽；槽形有半闭口；半开口和开口槽三种：适用于不同的电机

定子绕组：电路；绝缘导线绕制线圈；由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组交流电机的定子绕组称为电枢绕组

机座：支撑和固定作用；铸铁或钢板焊接

1.5转子

转子铁芯：导磁和嵌放转子绕组；0.5mm硅钢片；外圆开槽 转子绕组：分为笼型和绕线型两种 笼型绕组：电路；铸铝或铜条优缺点

绕线型绕组：对称三相绕组：星接；集电环优缺点 气隙：气隙大小的影响：中小型电机的气隙为0.2mm～2mm

2.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。

2.1起动转矩要足够大

堵转状态时电动机刚接通电源，转子尚未转动时的工作状态，工作点在特性曲线上的S 点。这时的转差s=1,转速n=0,对应的电磁转矩Tst称为起动转矩。

堵转状态说明了电动机的直接起动能力。因为只有在Tst>TL<一般要求Tst>（1.1～1.2）TL，电动机才能起动起来。Tst大，电动机才能重载起动；Tst

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小，电动机只能轻载，甚至空载起动。所以只有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。

2.2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，旋转磁场于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。

3.起动过程

绕线型异步电动机的转子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，要求起动转矩大或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。

容量较小的三相绕线型异步电动机可采用转子电路串联起动变阻器的方法起动。起动变阻器通过手柄接成星形。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。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。

容量较大的绕线型异步电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中都有较大的起动的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。原理电路和机械特性如图1所示。图中机械特性只画出了每条特性的n1M段，并近似用直线代替。起动步骤如下：

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3.1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R″和R′，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+R″+R′

然后合上电源开关S，这时电动机的机械特性为图中的特性，由于转动转矩Tst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b点向c点移动。

3Sn1nPif2g1cd0TMS1S2R''OTLTs2Ts1TMaR' （a）

(a)电路图 （b）机械特性

图1

3.2切除起动电阻R

当工作点到达c点，即电磁转矩T等于切换转矩Ts2时，合上开关S1切除起动电阻Rst2转子每相电路的总电阻变为：

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R21=R2+Rst1

这时电动机的机械特性变为特性d。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c点平移到特性d上e点，使这时的电磁转矩仍等于Ts1，电动机继续加速，工作点沿特性由e点向f点移动

3.3切除起动电阻Rst1

当工作点到达f点，即电磁转矩T等于切换转矩Ts2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g，工作点由f点评至h点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于TS1,电动机继续加速，工作点沿特性g由h向i移动，经过i点，最后稳定运行在P点.整个起动过程结束。

4．起动级数未定时起动电阻所计算

4.1选择起动转矩Tst和切换转矩Ts2

一般选择

Ts1=(0.8-0.9)TM Ts2=(1.1-1.2)TL

4.2求出起动转矩比β

β= Ts1/ Ts2

4.3求出起动级数m

利用图所示起动过程中的机械特性，根据集合关系推导起动级数m所计算公式如下：由特性2与水平虚线构成的直三角形求得。

Ts1/ Ts2=(n1-nh)/(n1-nMg) =Sh/SMg

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Ts2/TM=(n1-ni)/n1-nMg）

=S1/SMg

式中nh和ni是工作在h点和i点时的转速，nMg是TM与特性g交点在的转速（即临界转速）。Sh,Si和SMg是与之对应的转差率。同理可以求得

TS1/TM=Sb/SMa =Se/SMk = Sh/ SMg

Ts2/TM=Sc/SMa =Sf/SMg =Si/ SMg

由于Se= Sc,对应两式相除，可得 β=Tsi/Ts2 =SMa/SMd

= (R22/ X2)/ (R21/ X2) = R22/ R21 由于Sh=Sf

β=TS1/Ts2 =SMd/SMg

= R21/ X2/ R20/ X2 = R21/ R20

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可见

R22=βR21

R21=βR20

所以

R22=β2 R20

=βR21

若是m级起动，则

Rm2m=βR20 =βmR2

式中

R2m= R2+Rst1+Rst2+……+Rstm 因此 β=Rm2mR

2由前面的分析还可以得到 Sh/SMg=Sb/SMa Sc1=SSMcbS

Ma若是m级起动，则 Sg=R2/R2m

此外，在固有特性c上工作时

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Ts1/TN=Sg/SN Sg= SNT1TN

将这些关系带入β公式，可得

β=mTNsnT1

两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式

lgTNsNT1M=

lg?

若m不是整数可取相近整数

4.4重新计算β，校验T2,是否在规定范围内。

若m是取相似整数，则需要重新计算β，并求出Ts2，校验Ts2是否在式所规定的范围之内。

若不在规定范围内，需加大启动级数m,重新计算β和Ts2,直到Ts2满足要求为止。

4.5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名牌上提供的转子绕组额定线电压U2N和转子绕组的额定线电流I2N进行计算。

由于转子绕组为星形连接，相电流等于线电流，因此，在额定状态下运行时

由于SN很小，SNX2可以忽略不计，则 I2N=

sNU2NR23

因此求得R2的计算公式为

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R2=

sNU2N3I2N

4.6计算各级总电阻

由前面的分析知道 R20=R2 R21=βR2 R22=βR1=β2R2 …… R2m=βmR2

4.7求出各级起动的电阻

Rst1=R21-R2 Rst2=R22-R21 ……

Rstm=R2m-R2(m?1)

5.电动机的具体设计 启动级数已知时启动电阻计算

已知启动级数为=4，TL=250N.m，Pn=60kw,n=1450r/min,a=2.8,U2n=275v,I2n=95A

(1)选择启动转矩T1 TN=

60PN 2ππN=60?60?10 2π?14503=395N.m

Tm=amt TN

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=2.8*395 =1106N.m

T1=(0.8-0.9) Tm =(0.8-0.9)*1106 =(884.8-995.4)N.m 取T1=920. (2)求出起切转矩比：

SN(n0-n)/n0=(1500-1450)/1500=0.033 β=TmN395sNT=410.033?920?1.90

（3）求出切换转矩T2 T2= T1/β=920/1.90=484.21 T2基本在规定范围之内.

由于T2>1.1TL,所以所选m和β合适. (4)求出转子每相绕组电阻R2 RsNU2N0.033*2752=

3I=Ω

2N3?95?0.055(5) 计算各级总电阻 R21=βR2 =1.90*0.055 =0.10Ω R22=βR21

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=1.90*0.11 =0.21Ω R23=βR22 =1.90*0.20

=0.38Ω R24=βR23 =1.90*0.38 =0.722 求出各级起动电阻 Rst1= R21- R2 =（0.1-0.055）Ω =0.045Ω Rst2=R22-R21 =（0.21-0.11） =0.1Ω Rst3= R23- R22 =（0.38-0.21） =0.17Ω Rst4=R24-R23 =0.722-0.38 =0.342Ω 13

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6结论

绕线式三相异步电动机转子回路串接电阻，一方面可以减小起动电流，另一方面可以增加最初起动转矩，当串入某一合适电阻时，还能使电动机以它的最大转矩T起动。当然，所串联的电阻超过一定数值后，最初起动转矩反而会减小。由于绕线异步电动机的转子串联合适的电阻，不但可以减少起动电流，而且可以增大起动转矩，因而，要求起动的转矩大或起动频繁的生产机械常用绕线型异步电动机。

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三相启动变阻器，启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。起动转矩一般取0.85T左右。

总之，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，串接电阻值取得适当，还可使起动转矩接近最大转矩起动，适当增大串接电阻的功率，使起动电阻兼作调速电阻，一物两用，适用于要求起动转矩大，并有调速要求的负载。缺点：多级调速控制电路较复杂，电阻耗能大。

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心得及体会

通过这段时间的课程设计，从无知到认知，到深入了解，渐渐了我喜欢上了这个全新的专业，让我深刻的体会到学习过程是最美的。在整个课程设计过程中，我每天都有很多新的体会。

经过一周的奋战，课程设计完成了，在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结，但通过这次课程设计发现自己的看法片面。课程设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的提高。通过课程设计，让我更加明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力提高知识和综合能力。

设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获还是很多的。在设计中培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦。

我的独立思考能力得到了相应的提高，在设计过程中，我不仅学到了知识，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。真正接触了实践，使我消除了从学校走向社会的恐惧心理，使我对未来充满了信心，以良好的心态去面对社会。同时我也体验到了工作的艰辛，促使自己努力学习更多的知识，为自己今后的工作奠定良好的基础。

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致谢

课程设计是每一个大学生必须拥有的一段经历，它使我们在实践中了解社会，让我们学到了很多在课堂上根本学不到的知识，也打开了视野，增长了见识，为我们以后更好的服务社会打下良好的基础，除此之外，我还学会了更好地与别人沟通，如何更好的陈述自己的观点，如何说服别人认同自己的观点，相信这些宝贵的经验成为我今后成功的最重要基石。

最后感谢老师的精心培养和设计过程的指导帮助，是他们无私关心我们，才使我顺利完成课程设计并完成报告。请老师放心，我不会辜负您们的期望，我将以出色的成绩报答老师，回报社会！

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参考文献

⑴ 唐介，控制微电机，北京：高等教育出版社，1987年 ⑵ 王 东主编，电机学，杭州：浙江大学出版社，1990年 ⑶ 李发海等编，电机学，北京：科学出版社，1991年

⑷ 谢桂林，刘允编，电力拖动与控制，徐州中国矿业大学出版社，1997年 ⑸ 杨长能主编，电机学，重庆：重庆大学出版社，1994年

⑹ 郑朝科等编，电力拖动基础，北京：北京理工大学出版社，2000年 ⑺ 李海发主编，电机学，北京：科学出版社，2001年 ⑻ 秦曾发，电工实用手册，北京：中国电力出版社，1990年

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课程设计名称：《电机与拖动》课程设计 题 目：

指导教师：专 业：班 级：姓 名：学 号： 18

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辽宁工程技术大学课程设计成绩审核评定表

学 期 第四学期 姓 名 专 业 电气 班 级 课程名称 《电机与拖动》课程设计 论文题目 评定标准 分值 得分 知识创新性 20 理论正确性 20 内容难易性 15 结合实际性 10 知识掌握程度 15 书写规范性 10 工作量 10 总成绩 100 评语： 任课教师 时 间 备 注

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