机电传动与控制课程设计-直流电机调速控制系统设计.doc

指导教师评定成绩：

《机电传动与控制》课程设计
设计题目：直流电机调速控制系统设计

院 、 部： 机械工程学院
学生姓名：
学 号：
班 级： 机电1301班
指导教师：

设计时间： 2016 年 6 月

目　录
1设计任务书与设计要求 1
2异步电动机工作原理 1
2.1旋转磁场 3
2.2异步电动机结构 3
2.3定子和转子 3
3电动机的起动指标 4
3.1起动转矩 4
3.2起动电流 4
4 起动过程 4
4.1串联起动电阻和起动 5
4.2切除起动电阻R 5
4.3切除起动电阻 6
5起动级数未定时起动电阻所计算 7
5.1选择起动转矩和切换转矩 7
5.2求出起动转矩比和动级数M 7
5.3重新计算，校验,是否在规定范围内 9
5.4求出转子每相绕组的电阻 9
5.5计算各级总电阻和各级启动电阻 9
6线路保护环节 7
6.1短路保护 7
6.2过载保护 7
6.3欠压和失压保护 9
7绕线式异步电动机串电阻起动的优点 11
8结论 11
参考文献 12

1.机电传动与控制课程设计任务书

课程 机电传动与控制
题目 三相绕线式异步电动机串电阻起动设计
主要内容：
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之间。起动转矩一般取0.85T左右。
Y 161 L—4三项绕线转自异步电动机，用其拖动技术数据参数如下：
PN =15kW
nN= 1460r/min.
α MT = 2.5
U2N=380V
I2N=55A.
基本要求：
绕线式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之后，最初起动转矩反而会减小。由于绕线异步电动机的转子串连合适的电阻，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。
参考资料：
[1]彭鸿才.电机原理及拖动[M].北京：机械工业出版社，1994
[2]李岚等.电力拖动与控制[M].北京：机械工业出版社，2003
[3]唐介.控制微电机[M].北京：高等教育出版社，1987
[4]杨长能.电力拖动基础[M].重庆：重庆大学出版社，1989
[5]李发海.电机学[M].北京：科学出版社，1991

完成期限 2016.6.2至2016.6.12
指导教师 王雪芳

2016年 6 月

机电传动与控制课程设计
设计要求
三相绕线式异步电动机的启动空机系统设计，学习和掌握三相异步电动机的气动特性，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指标要求：
（1） 起动转矩要足够大
堵转状态时电动机刚接通电源，转自尚未转动时的工作状态，工作点在特性曲线上的S点。这是的转差s=1，转速n=0，对应的电磁转矩称为起动转矩。
堵转状态说明了电动机的直接起动能了。以为只有在一般要求，电动机才能起动起来。大，电动机才能重载启动；小，电动机只能轻载，甚至空载起动。所以只有是，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。越大于，起动过程所需要的时间就越短。
（2）设计必须根据进度计划按期完成；

2异步电动机工作原理
当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。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衡量的。在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正转和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。
该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转：反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。
不论是正转磁场还是反转磁场，他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。
电容分相式起动工作原理：起动是开关K闭合，使两绕组电流L1，L2相位差约为，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，起动绕组被切断。

定子铁心槽型分为三种：
半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。
半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。
开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。
定子绕组的作用是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 它的构造是由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）
（1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。
（2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。
（3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

对称三相绕组，通入对称三相电流
转子旋转起来
转子绕组在磁场中
三相
交流
电能

转子绕组中产生e和i
旋转磁场（磁场能量）
电磁转矩
机械负荷 旋转起来
磁感线切割 转子绕组

图1 异步电动机工作原理
2.1旋转磁场
设将定子三相绕组联成星形接法，三相绕组的首端u1、v1、w1分别与三相交流电的相线a、b、c相连接。为了讨论方便，选定交流电在正半周时，电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场。定子三相对称绕组中通以频率为f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
n=
式中，P为电机的极对数。n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。
2.2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。
2.3定子和转子
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
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

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
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T称为起动转矩。
堵转状态说明了电动机的直接起动能力。一般要求T>（1.1～1.2）T，电动机才能起动起来。大，电动机才能重载起动；小，电动机只能轻载，甚至空载起动。所以只有≧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>（1.1～1.2）。越大于，起动过程所需要的时间就越短。
3.2起动电流
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。
4 起动过程
三相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nM段，并近似用直线代替。
4.1串联起动电阻和起动
起动前开关S和S断开，使得转子每相串入电阻R″和R′，加上转子每相绕组自身的电阻R，转子电路每相总电阻为

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，工作点沿特性a由b点向c点移动。
N1
2
I
F
G
1
C
TW
A
TS1
Ts2
TL
0
S
M
R1
R 2
S1
S2
3
T
D
P

图2 电动机特性图 图3 电动机特性图
4.2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T时，合上开关S切除起动电阻R转子每相电路的总电阻变为：

这时电动机的机械特性变为特性d。由于切除R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T，电动机继续加速，工作点沿特性由e点向f点移动。
4.3切除起动电阻
当工作点到达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，转子每相电路的总电阻变为：R=R。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T,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。
5起动级数未定时起动电阻所计算
5.1选择起动转矩和切换转矩
一般选择
（5-1）
（5-2）
5.2求出起动转矩比
（5-3）
5.2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。
（5-4）
（5-5）
式中和是工作在h点和i点时的转速，是与特性g交点在的转速（即临界转速）。，和是与之对应的转差率。同理可以求得：
（5-6）
（5-7）
由于，对应两式相除，可得
（5-8）
由于
（5-9）
（5-10）
（5-11）
所以

若是m级起动，则
（5-12）
式中

因此
（5-13）
由前面的分析还可以得到
（5-14）
（5-15）
若是m级起动，则
（5-16）
此外，在固有特性c上工作时
（5-17）
（5-18）
将这些关系带入公式，可得
（5-19）
两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式
（5-20）
若m不是整数可取相近整数
5.3重新计算，校验,是否在规定范围内
若m是取相似整数，则需要重新计算，并求出，校验T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,重新计算和,直到满足要求为止。
5.4求出转子每相绕组的电阻
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和转子绕组的额定线电流I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S很小，SX可以忽略不计，则
（5-21）
因此求得R2的计算公式为
（5-22）
5.5计算各级总电阻
由前面的分析知道

……
（5-23）
5.5求出各级起动的电阻
R

……
（5-24）
具体设计如下：
① 选择起动转矩T1切换转矩T2
（5-25）
（5-26）
（5-27）
（5-28）
取
， （5-29）
②求出起切转矩比

③求出起动级数m

==1.6/0.36=4.32
取m=4
④重新计算,检验是否在规定范围内
==

基本在规定范围之内。
由于,所以所选m和合适。
⑤求出转子每相绕组电阻
==
⑥计算各级总电阻

⑦求出各级起动电阻

6线路保护环节
6.1短路保护
短路时通过熔断器FU的熔体熔断切开主电路。
6.2过载保护
       通过热继电器FR实现。由于热继电器的热惯性比较大，即使热元件上流过几倍额定电流的电流，热继电器也不会立即动作。因此在电动机起动时间不太长的情况下，热继电器经得起电动机起动电流的冲击而不会动作。只有在电动机长期过载下FR才动作，断开控制电路，接触器KM失电，切断电动机主电路，电动机停转，实现过载保护。
6.3欠压和失压保护
 当电动机正在运行时，如果电源电压由于某种原因消失，那么在电源电压恢复时，电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，同时有许多电动机及其他用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。为了防止电压恢复时电动机自行起动的保护叫失压保护或零压保护。
 当电动机正常运转时，电源电压过分地降低将引起一些电器释放，造成控制线路不正常工作，可能产生事故；电源电压过分地降低也会引起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定允许值以下时将电源切断，这就是欠电压保护。欠压和失压保护是通过接触器KM的自锁触点来实现的。在电动机正常运行中，由于某种原因使电网电压消失或降低，当电压低于接触器线圈的释放电压时，接触器释放，自锁触点断开，同时主触点断开，切断电动机电源，电动机停转。如果电源电压恢复正常，由于自锁解除，电动机不会自行起动，避免了意外事故发生。只有操作人员再次按下SB2后，电动机才能起动。控制线路具备了欠压和失压的保护能力以后，有如下三个方面优点：防止电压严重下降时电动机在重负载情况下的低压运行；避免电动机同时起动而造成电压的严重下降；防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转，造成设备和人身事故。

7绕线式异步电动机串电阻起动的优点
串联电阻启动是电动机硬启动的一种，电机在启动的那一刻，就是一个纯电阻电路，霎时电流会非常的大，这种大电流的冲击对电机和电网都是具有破坏性的，所以在启动时串入一个电阻，就降低了冲击电流，正常运转后，再将串入得电阻切出去，以提高用电效率；另外还有几种启动方式，像星三角启动、降压启动、软启动等等的、目的都是相同的；串电阻起动是最简单，最经济的一种方式。
三相异步电动机具有结构简单，运行可靠，坚固耐用，价格便宜，维修方便等一系列优点。与同容量的直流电动机相比，异步电动机还具有体积小，重量轻，转动惯量小的特点。因此，在工矿企业中异步电动机得到了广泛的应用。三相异步电动机的控制线路大多由接触器、继电器、闸刀开关、按钮等有触点电器组合而成。三相异步电动机分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，二者的构造不同，启动方法也不同，其启动控制线路差别很大。
8结论
三相绕线式异步电动机转子回路串接电阻后，基本上可以减小起动电流，一方面可以增加最初起动转矩，当串联接入一合适电阻时，电动机启动时能使电动机以的最大转矩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慢慢减小。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，要求起动的转矩大或起动频繁的生产机械常用三相绕线型异步电动机用于生产中。
在转子回路串三相对称可变电阻起动时，此方法既可限制起动时电流的大小，又可增大起动的转矩，适当增大串接电阻的功率，可以使起动电阻兼作调速电阻，一物两用甚至多用，这种适用于要求起动转矩大的电动机，并有调速要求的负载。
但同时有缺点：多级调速控制电路较比较复杂，如有损坏维修复杂费用高，而且电阻耗能较大，存在产热现象。

心得及体会
通过这本周的学习，我感觉有很大的收获。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。首先，通过这次课程设计使自己对课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时也段练了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。
课程设计提高了我的个人思考能力，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。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。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。
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，努力提高我们各项知识。

参考文献
[1]彭鸿才，电机原理及拖动，北京：机械工业出版社，1994年
[2]李岚等编，电力拖动与控制，北京：机械工业出版社，2003年
[3]唐介，控制微电机，北京：高等教育出版社，1987年
[4]杨长能主编，电力拖动基础，重庆：重庆大学出版社，1989年
[5]李发海等编，电机学，北京：科学出版社，1991年