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1、-课程设计任务书课程设计任务书课程名称姓名专业班级学号指导老师-三相异步电机启动方案选择梁笑09电气工程及其自动化1班090320113袁晓玲、马宏忠.可修编.：-目目录录1，三相交流异步电动机的起动特性.32,影响三相交流异步电动机的起动特性的因素43，三相异步电机主要起动方式比较.43.1直接启动.43.2、用自偶变压器降压启动.43.3、Y降压启动.43.4、转子串电阻启动.53.5、转子串频敏变阻器启动.53.6、软件启动53.7、变频器.54，Y起动的原理.65，Y起动时的系统性能研究75.1Y起动自动控制.75.2Y起动手动控制.86，三相异步交流电机的 Y起动.9-.可修编.-一
2、，三相交流异步电动机的起动特性电动机的启动特性中最主要的是它的启动转矩。设启动转矩为 Tst，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0 时的静负载力矩 TL加上静摩擦阻力。图图 1 1：电动机负载特性曲线：电动机负载特性曲线上图中曲线 1 表示异步机的 T-s 曲线，曲线 2 和 3 表示两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求 a 点在 b 点或 c 点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个启动过程中，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩T 在整个启动过程中大于负载的制动力矩TL。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越
3、快。惯量大得机械，起动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。电动机起动特性的另一个问题是起动电流，在起动时电流的大小可以用等值电路来求得。异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍。起动电流太大的影响是：一方面将影响电源的电压，太大的起动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在起动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电机的运行。另一个方面，大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的转动惯量J较大，起动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机起动的要求是不同的，须看负载
4、的特性，电网的情况等因素而定。有时要求有大的起动力矩，有时要求限制启动电流的大小，有时两个要求须同时满足。总的来说，要考虑下列各问题：a.应该有足够大的启动转矩，适当的机械特性曲线；b.尽可能小的启动电流；c.启动的操作应该很方便；所用的启动设备应该尽可能简单、经济；启动过程中的功率损耗应尽可能的少。-.可修编.-二，影响三相交流异步电动机的起动特性的因素三相异步电机启动应该满足以下基本要求1）电动机有足够大的启动转矩;2）一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好;3）启动所需设备简单，操作方便;4）启动过程中功率损耗越小越好。由于起动时转差率较大(起动瞬间 s=1),转子功率因数很小,所以起
5、动转矩不大,但转子绕组中的电流很大,从而使得定子绕组中的电流相应增大,一般为额定电流的 47 倍,这么大的起动电流起动瞬间将产生较大的压降,使电网电压波动过大,影响电网上其它电机和设备的正常运行,而且过大的起动电流会使电机本身受到电磁力的冲击,如果经常起动便造成绕组过热而使绝缘老化,减少使用寿命,而起动转矩不够将使电动机根本无法起动。三，三相异步电机主要起动方式比较3.1、直接启动直接启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。电动机直接启动的电流是正常运行的 5 倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的 5 倍以上的，都可以直接启动。这一要求对于小容量的电
6、动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动。直接启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。3.2、用自偶变压器降压启动采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电
7、压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转矩。如启动电压降至额定电压的65，其启动电流为全压启动电流的42，启动转矩为全压启动转矩的42%。自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。启动电流小，起动转矩较大，只允许连续启动23 次，设备价格较高，但性能较好，使用用较广。3.3、Y降压启动定子绕组为连接的电动机，启动时接成Y，速度接近额定转速时转为
8、运行，采用这种方式启动时，每相定子绕组降低到电源电压的58，启动电流为直接启动时的33，启动转矩为直接启动时的 33。启动电流小，启动转矩小。-.可修编.-Y降压启动的优点是不需要添置启动设备，有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于连接的电动机，大型异步电机不能重载启动。启动电流小，但二次冲击电流大，其动转矩较小，允许启动次数较高，设备价格较低，适用于钉子绕组为三角形接线的 6 个引出端子的中小型电机。3.4、转子串电阻启动绕线式三相异步电动机，转子绕组通过滑环与电阻连接。外部串接电阻相当于转子绕组的内阻增加了，减小了转子绕组的感应电流。从某个角度讲，电动机又像是一个变压器
9、，二次电流小，相当于变压器一次绕组的电动机励磁绕组电流就相应减小。根据电动机的特性，转子串接电阻会降低电动机的转速，提高转动力矩，有更好的启动性能。在这种启动方式中，由于电阻是常数，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除，可以获取较平滑的启动过程。根据上述分析知：要想获得更加平稳的启动特性，必须增加启动级数，这就会使设备复杂化。3.5、转子串频敏变阻器启动频敏变阻器启动原理是：电动机定子绕组接通电源电动机开始启动时，由于串接了频敏变阻器，电动机转子转速很低，启动电流很小，故转子频率较高，f2f1，频敏变阻器的铁损很大，随着转速的提升，转子电流频率逐渐降低，电感的阻抗随之减小。这就相当于启动过
10、程中电阻的无级切除。当转速上升到接近于稳定值时，频敏电阻器短接，启动过程结束。转子串电阻或频敏变阻器虽然启动性能好，可以重载启动，由于只适合于价格昂贵、结构复杂的绕线式三相异步电动机，所以只是在启动控制、速度控制要求高的各种升降机、输送机、行车等行业使用。起动电流较大，起动转矩小，允许启动次数由电阻容量决定，多用于降低起动转矩的冲击。3.6、软启动器软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管交流调压器。运用不同的方法，改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出
11、电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程，直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作软启动器的优点是降低电压启动，启动电流小，适合所有的空载、轻载异步电动机使用。缺点是启动转矩小，不适用于重载启动的大型电机。通常为斜坡电压启动，也可突跳启动，起动电流、转矩、上升和下降时间可调，有多种控制方式，可带多种保护，允许启动次数较高，设备价格最高。3.7、变频器通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了
12、电机运行曲线上的 n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。-.可修编.-四，Y起动的原理图图 2 Y2 Y起动的原理图起动的原理图如上图 2 所示，所谓 Y 一启动，是指启动时电动机绕组接成星形，启动结束进入运行状态后，电动机绕组接成
13、三角形。在启动时。电机定子绕组因是星形接法，所以每相绕组所受的电压降低到运行电压的根号三分之一(约 57.7)，启动电流为直接启动时的13，启动转矩也同时减小到直接启动的13。所以这种启动方式只能工作在空载或轻载启动的场合。例如，轴流风机启动时应将出风阀门打开，离心水泵应将出水阀门关闭，使设备处于轻载状态。图 1 是电动机 Y启动的一次电路图，U1U2、V2V2、WlW2 是电动机 M 的三相绕组。如果将 U2、V2 和 W2 在接线盒内短接，则电动机被接成星形；如果将 U1 和 W2、V1 和 U2、W1 和 V2 分别短接，则电动机被接成三角形。实现电动机的Y启动的二次控制电路见图 2。现
14、在分析Y启动电路的工作过程。按下启动按钮SB2，接触器KM3 和时间继电器的线圈得电，KM3 的主触点闭合，将电动机的三相绕组接成星形；KM3 的辅助触点(常开)KM33 同时闭合使接触器KM2 动作，电动机进入星形启动状态，KM2 的辅助触点KM21 闭合，使电路维持在启动状态。待电动机转速达到一定程度时，时间继电器KT 延时时间到。其延时触点(常闭)断开，接触器 KM3 线圈失电 主触点断开，辅助触点(常例)KM31 闭台。接触器KMl 得电工作电动机进入三角运行状态。这里时间继电器的延时时间应通过试验调整在 515 秒之间。按下停止按钮，或电动机出现异常过电流使热继电器FH 动作时，电动
15、机均会停止运行。电动机停运时绿灯HG 点亮；启动过程中黄灯HY 点亮；运行过程则红灯 HR 点亮。电流表 PA 和电压表 PV 用于电动机运行参数的测量。热继电器的调-.可修编.-整应根据负载轻重和运行电流的大小，在热态(热继电器接入电路，并经过启动电流的预热)实地进行。观察电流表的读数按照读数的1.2 倍整定其电流调整钮。电动机出现1.2 倍的异常电流时热继电器会在20 分钟内动作。如果电动机运行电流是随负载不断变化的，则整定值可按较大电流值计算选取但最大不能超过电动机额定电流的1.2 倍。五，Y起动时的系统性能研究5.1 Y起动自动控制图图 3 3三相异步电动机三相异步电动机 Y Y降压启
16、动控制线路图降压启动控制线路图三相异步电动机的 Y起动自动控制如图3 所示。1，主要元器件介绍：a.起动按钮（SB2）。手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。b.停止按钮（SB1）。手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。c.主交流接触器（KM1）。电动机主运行回路用接触器，起动时通过电动机起动电流，运行时通过正常运行的线电流。d.Y 形连接的交流接触器（KM3）。用于电动机起动时作Y 形连接的交流接触器，起动时通过 Y 形连接降压起动的线电流，起动结束后停止工作。e.形连接的交流接触器（KM2）。用于电动机起动结束后恢复形连接作正常运行的接触器，通过绕组正常运行的相电流。f.时间继电器（KT）
17、。控制 Y变换起动的起动过程时间（电机起动时间），即电动机从起动开始到额定转速及运行正常后所需的时间。g.热继电器（或电机保护器 FR）。热继电器主要设置有三相电动机的过负荷保护；电机保护器主要设置有三相电动机的过负荷保护、断相保护、短路保护和平横保护等。2，控制原理：三相异步电动机Y转换启动的控制原理大致如下：-.可修编.-a.按下启动按钮 SB2 后，电源通过热继电器FR 的动断接点、停止按钮SB1 的动断接点、形连接交流接触器 KM2 常闭辅助触头，接通时间继电器KT 的线圈使其动作并延时开始。此时时间继电器 KT 虽已动作，接点应断开，但其延时接点是瞬间闭合延时断开的（延时结束后断开）
18、，同时通过此 KT 延时接点去接通 Y 形连接的交流接触器 KM3 的线圈回路，则交流接触器 KM3 带电动作，其主触头去接通三相绕组，使电动机处于Y 形连接的运行状态；KM3 辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1 的线圈。b.主交流接触器 KM1 带电启动后，其辅助触头进行自保持功能（自锁功能）；而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源，此时电动机启动过程开始。c.当时间继电器 KT 延时断开接点（动断接点）KT 的时间达到（或延时到）电动机启动过程结束时间后，时间继电器KT 接点随即断开。d.时间继电器 KT 接点断开后，则交流接触器KM3 失电。KM3 主触头切断电动机绕组的Y 形连接
19、回路；同时接触器KM3 的常闭辅助触头闭合，去接通形连接交流接触器KM2 的线圈电源。e.当交流接触器 KM2 动作后，其主触头闭合，使电动机正常运行于形连接状态；而KM2 的常闭辅助触头断开使时间继电器KT 线圈失电，并对交流接触器 KM3 联锁。电动机处于正常运行状态。f.启动过程结束后，电动机按形连接正常运行。5.2 Y起动手动控制图图 4 4 三相异步电动机三相异步电动机 Y Y降压启动接线图降压启动接线图Y起动手动控制接线如图4 所示。图中手动控制开关SA 有两个位置，分别是电动机定子绕组星形和三角形连接。线路动作原理为：起动时，将开关SA 置于“起动”位置，电动机定子绕组被接成星形
20、降压起动，当电动机转速上升到一定值后，再将开关SA 置于“运行”位置，使电动机定子绕组接成三角形，电动机全压运行。要提高控制电路的可靠性，方法很多，可以从以下两个方面考虑：（1）改变电路结构，合理考虑控制电器之间的相互制约作用，消除由于控制电器的拒动而引起电动机的其他故障。（2）增加延时触头或消除相关触点间的相互制约关系，克服由于时间的不确定性而引发的触头动作竞争。在 Y起动控制电路中，如果线路设计不合理过不完善，会降低控制电路工作的准确性和可靠性。我们可以通过改变线路的结构、触点性能以及增加延时触头等来改变各个触头间的约束关系，提高控制电路的准确性和可靠性。同时，还要树立科学的设计思路的，对
21、其控制原理予以重视，在设计中消除隐患，确保电路的正常工作。-.可修编.-六，三相异步交流电机的Y起动鼠笼式异步电动机采用全压直接启动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压启动。这是因为异步电动机的全压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，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的启动转矩，甚至使电动机根本无法启动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。判断一台三相异步电动机能否全压启动，一般容量在 10kW 以下的三相异步电动机可直接启动。10kW 以上的三相异步电动机是否允许直接启动，要根据电动机容量和
22、电源变压器容量的比值来确定。对于给定容量的三相异步电动机，一般用下面的经验公式来估计：Ist/IN（3/4 电源变压器容量）/（4电动机容量）式中 Ist:电动机全电压起动电流；IN:电动机额定电流。若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压启动，否则不予全压启动,应考虑采用降压启动。有时，为了限制和减少启动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压启动的电动机，也多采用降压启动方式。下面分析三相异步电动机的星-三角降压启动。图图 5 5星三角启动时的电流及电压星三角启动时的电流及电压图 5 中启动时电网供给电动机的初始启动电流为三角形接法直接启动时电网供给的电流为因此有,星-三角启动时的减压系数2由于
23、电磁转矩 T=f(a)所以星三角启动时，堵转转矩TK、最小转矩Tmin都降低为额定电压-.可修编.-时的 1/3，与定子串电阻或电抗减压启动相比，在减压系数相同且电动机初始转矩相同的情况下，星三角启动时电网供给的电流较小。星三角启动的优点是启动电流小、启动设备简单、价格便宜、操作方便，缺点是启动转矩小，适合于小功率电动机空载或轻载启动。图 6 Y-Y-降压启动主电路及控制电路降压启动主电路及控制电路Y-降压起动也称为星形-三角形降压启动，简称星三角降压启动。所不同的是，在启动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压 220V，减小了启动电流对电网的影响。而在其启动后期则按预
24、先整定的时间换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压 380V，电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。定子绕组接成 Y-降压起动的自动控制线路附录所示。可以看到主电路中有三组主触点，其中接触器KM2 和 KM3 主触点一定不能同时闭合，意味着电源将被短路。所以，控制线路的设计必须保证一个接触器吸和时，另一个接触器不能吸和，这就叫做互锁。也就是说KM2 和 KM3 两个接触器需要互锁。通常的方法是在控制线路中解除其 KM2 与 KM3 线圈的支路里分别串联对方的一个动断辅助触电。这样，每个接触器线圈能否被接通，将取决于另一个接触器是否
25、处于释放状态，如解除其KM2 已接通，它的动断辅助触点八 KM3 线圈的电路断开，从而保证 KM2 和 KM3 两个接触器不会同时吸合。这一对动断触点叫做互锁触点。Y-降压启动控制线路的工作原理如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，这时，接触器 KM1、KM2 时间继电器 KT 线圈通电，解除其 KM1 主触点和自锁触点闭合。KM2 主触点闭合与 KM2 互锁触点断开，电动机按 Y 形接法启动，经过所整定延时时间后，时间继-.可修编.-电器 KT 的动合触点闭合和动断触点断开，使接触器KM2 线圈断电，接触器 KM2 主触点断开，电动机暂时断电，同时接触器KM2 互锁触点闭合，使得接触器KM3 线圈通电，接触器KM3 主触点和自锁触点闭合，电动机改为三角形连接，然后进入稳定运行，同时接触器 KM3互锁触点断开，使时间继电器KT 线圈断电。Y 接法的启动的电流仅为接法的三分之一，从而限制了启动电流，但是 Y 接法的启动转矩为接法的三分之一，所以 Y-起动只适用空载或轻载启动。这种方法适用在正常运行时绕组是三角接法的电机。电机定子的六个线头都引出来，接到换接开关上。在启动时先将定子接成星型，这时加在每相绕组上的电压将为额定电压的倍，待启动完成后再改接到三角接法，加上额定电压。-.可修编.