电机拖动课程设计三相异步电动机启动

摘要

电机的起动电流近似的与定子的电压成正比，因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流，即为降压起动。对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用降压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，所以只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。常见降压起动方法：定子串电阻降压起动、Y/Δ起动控制线路、延边三角起动、软启动及自耦变压器降压起动。 关键词：三相异步电动机 降压启动 启动方法

I

目录

摘要---------------------------------------------------------------------- I 目录--------------------------------------------------------------------- II 第1章 绪论-------------------------------------------------------------- 2 第2章 三相异步电动机的基本结构及工作原理-------------------------------- 2

1 定子部分----------------------------------------------------------- 3 2 转子部分----------------------------------------------------------- 3 3. 气隙δ------------------------------------------------------------- 5 4、三相异步电动机的铭牌数据--------------------------------------------5 5、三相异步电动机的工作原理--------------------------------------------5 第3章 异步电动机的优缺点------------------------------------------------ 7

3.1 三相异步电动机的优点--------------------------------------------- 7 3.2 异步电动机存在的缺点--------------------------------------------- 7 第4章 三相异步电动机起动方式-------------------------------------------- 8

1、直接启动----------------------------------------------------------- 9 2、三相异步电动机的Y—Δ起动控制-------------------------------------10 3自耦变压器降压启动--------------------------------------------------11 4、绕线式异步电动机转子串接电阻起动-----------------------------------12 第5章 三相异步电动机常见故障问题及处理-----------------------------------16 第6章 心得体会-----------------------------------------------------------17 结论--------------------------------------------------------------------- 17 参考文献----------------------------------------------------------------- 19

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第1章 绪论

三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，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转速。

三相异步电动机又称为三相感应电动机，感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。感应电动机与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及重量轻成本低等优点。此外感应电动机还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。由于感应电动机具有上述许多优点，它是电动机领域中应用最广泛的一种电动机。例如:中小型轧钢设备,矿山机械,机床,起重运输机械,鼓风机,水泵,和农副产品加工机械等都大部分采用三相异步电动机来拖动。

第2章 三相异步电动机的基本结构及工作原理

图1 封闭式三相异步电动机的结构

1—端盖 2—轴承 3—机座 4—定子绕组 5—转子

6—轴承 7—端盖 8—风扇 9—风罩 10—接线盒

异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，

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转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2 mm～2mm。 1. 定子部分

定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。

(1) 机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。

(2) 定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。

(3) 定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。

(4) 轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，

滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 2. 转子部分

转子是电动机中的旋转部分，如图1中的部件5一般由转轴、转子铁心、转子绕组、

风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。

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三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线

型异步电动机。

(1) 笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。其外形如图1中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以

得名笼型绕组，如图2所示。 图2(a)为笼型直条形式，图2(b)为笼型斜条形式。

(a) 直条形式 (b) 斜条形式

图2 笼型异步电动机的转子绕组形式

(2) 绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕

组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图3所示。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又

不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。

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图3 绕线式异步电动机的转子

两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广

泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。

一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图1中部件8)，便于电动机运转时通风

散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来，如图3(b)所示。 3. 气隙δ

所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm～

1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。 4、三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主

要的额定数据为：

(1) 额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。 3INUNCOS?N?N

PN? (2) 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 (3) 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。

(4) 额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。

(5) 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。

(6) 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。

此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。

对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。

5、三相异步电动机的工作原理

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在图4中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时

针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，即图中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生

电磁转矩 (磁力矩)，使图4 闭合金属框中受力 图4

示意图金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。 从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里，闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体，进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的交流电，便产生旋转磁场；这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。

为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，用图2进一步进行说明，从中可以很

清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°(实际的电动机中一般都是相差电角度120°)，3个绕组的尾端 (标有U2、V2、W2) 连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。常用接法还有三角形(△)接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上分别引出3根引线的接法。)，将对称的三相交流电iU=Imsin? t、iV=Imsin(? t-120°)、

iW=Imsin(? t-240°)从3个绕组的首端(标有U1、V1、W1)通入，放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来，由此可知旋转磁场的存在。 图5三相交流电动机定子

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当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1

沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，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。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的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。

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，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），载流的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，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同的。

第3章 异步电动机的优缺点

1、 三相异步电动机的优点

三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，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转速。

2、异步电动机存在的缺点

2.1笼型感应电动机存在下列三个主要缺点。

（1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要。当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。

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（2）大转矩不大，用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。

（3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。另一办法是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。 2.2 绕线型感应电动机

绕线性感应电动机正常运行时，三相绕组通过集电环短路。起动时，为减小起动电流，转子中可以串入起动电阻，转子串入适当的电阻，不仅可以减小起动电流，而且由于转子功率因数和转子电流有功分量增大，起动转矩也可增大。这种电动机还可通过改 变外串电阻调速。绕线型电动机虽起动特性和运行特性兼优，但仍存在下列缺点： （1）由于转子上有集电环和电刷，不仅增加制造成本，并且降低了起动和运行的可靠性，集电环和电刷之间的滑动接触，是这种电动机发生故障的主要原因。特别是集电环与电刷之间会产生火花，使传统绕线型电动机在矿山、井下、石油、华工等防爆要求的场所，对于灰土、粉尘浓度很高的地方，也不敢使用，这就限制了其应用范围。 （2）当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性，多数不提刷，因此运行时存在下列电能浪费：集电环和电刷间的摩擦损耗和接触电阻上的电损耗，电刷至控制柜短路开关间三根电缆的电损耗，若电动机与控制柜之间距离很长，则该损耗将非常严重。并且由于集电环与电刷产生碳粉、电火花和噪声，长期污染周围环境，损害管理人员和周围居民健康。

（3）传统绕线型电动机的起动转矩比笼型电动机的有所提高，但仍往往不能满足满载起动的需要，以至仍然需要增容而形成“大马拉小车”。

上述传统感应电动机存在的严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾，因此势必顾此失彼，不可兼优。

第4章 三相异步电动机起动方式

三相交流异步电动机直接起动，虽然控制线路结构简单、使用维护方便，但起动电流很大（约为正常工作电流的4~7倍），如果电源容量不比电动机容量大许多倍，则起动电流可能会明显地影响同一电网中其它电气设备的正常运行。因此，对于鼠笼型异步电动机可采用：定子串电阻（电抗）降压起动、定子串自耦变压器降压起动、星形—三

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角形降压起动等方式；而对于绕线型异步电动机，还可采用转子串电阻起动或转子串频敏变阻器起动等方式以限制起动电流。

1、直接启动

定义：直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机的定子绕组直接接在交流电源上，电机在额定电压下直接启动。

优点：在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，控制线路简单，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。 缺点：直接启动的启动电流一般可达额定电流的4~7倍，过大的启动电流会降低电动机寿命，使变压器二次电压大幅度下降，减小电动机本身的启动转矩，甚至时电动机无法启动，过大的电流还会引起电源电压波动，影响同一供电网中其他设备的正常工作。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。

应用：电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。

图6是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。

图6电动机单向起动控制线路的电气原理图

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2、三相异步电动机的Y—Δ起动控制

对于正常运行时电动机额定电压等于电源线电压，定子绕组为三角形连接方式的三相交流异步电动机，可以采用星形—三角形降压起动。它是指起动时，将电动机定子绕组接成星形，待电动机的转速上升到一定值后，再换成三角形连接。这样，电动机起动时每相绕组的工作电压为正常时绕组电压的1/3，起动电流为三角形直接起动时的1/3，因而起动电流特性好，线路较简单，投资少。缺点是起动转矩也下降为三角形接法的1/3，转矩特性差。本线路适用于轻载或空载起动的场合，应当强调指出，Y—Δ连接时要注意其旋转方向的一致性。

图7 三相异步电动机Y—Δ降压启动控制线路图

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控制原理：按下启动按钮SB2。

（1） 接触器KM1线圈得电，电动机M接入电源。

（2） 接触器KM3线圈的电，其常开触点闭合，Y形启动，辅助触点断开，保证了接

触器KM2不得电。

（3） 时间继电器KT线圈得电，经过一定时间延时，常闭触点断开，切断KM3线圈

电源。

（4） KM3主触点断开，KM3常闭辅助触点闭合，KT常开触点断开，接触器KM2线圈

得电，KM2主触点闭合，使电动机M由Y形启动切换为Δ运行。 按下停止按钮SB1，切断控制线路电源，电动机M停止运转。

3自耦变压器降压启动

对于容量较大且正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机，可采用自耦变压器降压起动。它是指起动时，将自耦变压器接入电动机的定子回路，待电动机的转速上升到一定值后，再切除自耦变压器，使电动机定子绕组获正常工作电压。这样，起动时电动机每相绕组电压为正常工作电压的1 / K 倍（K ——自耦变压器的匝数比。K = N1 / N2 ），

起动电流也为全压起动电流的1 / K倍。

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图8 电动机自耦降压起动接线图

图8是交流电动机自耦降压启动自动切换控制接线图，自动切换靠时间继电器完成，用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程，不会造成启动时间的长短不一的情况，也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故 控制过程如下：

a、合上空气开关QF接通三相电源。

b、按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压低压抽头（例如65％）将三相电压的65％接入电动。

c、KM1辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。 d、由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM1线圈断电，KM1常开触点全部释放，

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主触头断开，使自耦变压器线圈封星端打开；同时 KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM1已经复位的常闭触点，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。

e、KM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，使时间继电器KT可处于断电状态。 f、欲停车时，可按SB1则控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。

g、

电动机的过载保护由热继电器FR完成。

4、绕线式异步电动机转子串接电阻起动

由于大型电动机容量大，起动电流对电网的冲击较大，又因带负载，负载要求电动机提供较大的起动电流时，绕线式异步电动机就显示出明显优势，只有转子回路串的电阻合适，就既可减少起动电流又可增加起动转矩，因而电动机容量大、重载这两个要求可同时满足。

由于电动机的电磁转矩公式：

Tst=CMφmI2cosφ2

cosφ2=

因为串电阻

RΩ 使得I2 减小，但cosφ2值的增大，使得转子有功电流I2

cosφ2 反而增大了，从而增大堵转转矩值。当然，过分增大所串电阻RΩ，虽

然

cosφ2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。如果

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正确选取电阻器的电阻值，使转子回路的总电阻值R2=X20，，此时Sm=1，即最大转矩产

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生在电动机启动瞬间，从而缩短起动时间，达到减小启动电流增大启动转矩的目的。随着电动机转速的升高，可变电阻逐级减小。启动完毕后，可变电阻减小到零，转子绕组被直接短接，电动机便在额定状态下运行。

图9（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9（b）不对称电阻

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