电机与电力拖动课程设计.docx

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电机与电力拖动课程设计

提升机主电路设计

1.课程设计的目的

电机与电力拖动基础课程设计是理论教学之后的一个实践环节，目的是为了巩固电机与电力拖动基础课程所学到的基本理论，加深对电机的基本结构和工作原理的理解，更好地掌握电力拖动系统运行状态的分析计算，培养运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题的能力。

图1提升机原理图

2.根据速度图，确定各阶段电机所处状态

图二提升机速度图

2.1加速阶段

：

速度由0增加到

，当

时，电机工作在固有特性上。

2.2匀速阶段

：

以

速度匀速前行。

2.3调速阶段

：

以

速度匀速运行，

。

2.4减速阶段

：

速度由

减小到0。

3.各阶段所选择的方法

3.1启动阶段

3.1.1启动方式的分类

1.直接起动。

但三相异步电动机直接起动时电流可达到额定电流的6-7倍，对电网的冲击较大，特别是大功率电动机。

2.降压起动。

降压起动主要有热自藕降压起动和星三角降压起动。

热自藕降压起动是指通过自藕变压器在起动时降低电机电压，同时降低起动电流。

一般降低为额定电压的55%-75%左右。

优点是可以通过改变自藕变压器的抽头圈数方便地改变起动电压。

缺点是需要用到自藕变压器，成本较大。

星三角降压起动是指通过改变电机的接线方式而改变起动电压，从而降低起动电流的一种方法，只能适用于正常接线方式为三角形接法的电机。

在起动时，使用继电器方法使电机接线方式为星形，此时电机的每相电压降低为原来的根号三分之一，电机转速达到额定转速的80%左右，控制继电器改变电机接线方式为三角形，电机开始正常运转。

优点是可以节省自藕变压器，降低成本，同时接线方法简单，可靠性较大。

缺点是无法改变起动电压的比率，同时无法使用在星形接法的电机。

3.频敏电阻起动。

频敏电阻起动是指在电机起动时在主路中串联频敏电阻，从而降低起动电流。

频敏电阻能够平滑地改变起动电流，对电网的冲击较小，是较为理想的起动方式。

但是目前大功率的频敏电阻都是采用电感的形式，所以在使用时会产生较大的电磁涡流，会降低电网的功率因数。

4.转子串三相对称电阻分级启动。

为了在整个启动过程中始终获得较大的加速加速转矩，并使起动过程比较平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻。

启动时，随着转速的升高，逐渐清除多级电阻，这与直流电动机的启动类似，称为为多级电阻启动。

3.1.2起动方式的选择

为了获得更加平稳的起动特性，选择转子串三相对称电阻分级启动。

3.1.3转子串三相对称电阻分级启动原理

绕线型转子异步电动机转子串三相对称电阻启动时一般采用分级切除启动电阻的方法。

这是因为随着转子转速的增高，转子电流、电机转矩将逐渐降低。

为了充分利用电动机的启动转矩，应当随着转速的增高，逐渐减少转子回路电阻，使电动机维持较高的启动电流和转矩。

由式：

可以看出，若使转子回路电阻R2与转差率s成正比例减少，则电动机在加速过程中可以获得恒定的启动电流和启动转矩。

3.2调速阶段

3.2.1调速方式的分类

1.变极对数调速方法：

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数p达到调速目的，特点如下：

（1）具有较硬的机械特性，稳定性良好;

（2）无转差损耗，效率高;（3）接线简单，控制方便，价格低;（4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速;（5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

2.变频调速方法：

变频调速是改变电动机定子电源的频率f，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。

其特点：

（1）效率高，调速过程中没有附加损耗;

（2）应用范围广，可用于笼型异步电动机;（3）调速范围大，特性硬，精度高;（4）技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

3.串级调速方法：

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差率s达到调速的目的。

串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。

一般多采用晶闸管串级调速，其特点为：

（1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高;

（2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上;（3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产;（4）晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

4.绕线式电动机转子串电阻调速方法：

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率s加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。

属有级调速，机械特性较软。

5.定子调压调速方法：

当改变电动机的定子电压时，可以获得不同转速。

由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。

应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

为了扩大稳定运行范围，当调速在2：

1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：

（1）调压调速线路简单，易实现自动控制;

（2）调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

3.2.2调速方式的选择

选择绕线转子异步电动机转子串电阻调速的方法。

3.2.3绕线转子异步电动机转子串电阻调速的原理

调速原理和机械特性：

绕线转子异步电动机转子回路串入电阻时,同步转速n1和最大电磁转矩Tmax不变,而临界转差率sm随外接电阻Rs的增大而增大,其机械特性对于恒转矩负载TL时,转子回路串入电阻RS（RS1nB>nC>nD）,从而实现了转速的调节。

与此同时,转子回路损耗掉的转差功率PS（即转子铜耗PCU2）越大,效率则越低。

3.3制动阶段

3.3.1制动方式的分类

1.能耗制动：

电动机切断交流电源后，转子因惯性仍继续旋转，立即在两相定子绕组中通入直流电，在定子中即产生一个静止磁场。

转子中的导条就切割这个静止磁场而产生感应电流，在静止磁场中受到电磁力的作用。

这个力产生的力矩与转子惯性旋转方向相反，称为制动转矩，它迫使转子转速下降。

当转子转速降到，转子不再切割磁场，电动机停转，制动结束。

此法是利用转子转动的能量切割磁通而产生制动转矩的，实质是将转子的动能消耗在转子回路的电阻上，故称为能耗制动。

能耗制动的特点:

优点:

制动力强、制动平稳、无大的冲击。

应用能耗制动能使生产机械准确停车，被广泛用于矿井提升和起重机运输等生产机械。

缺点:

需要直流电源、低速时制动力矩小。

电动机功率较大时，制动的直流设备投资大。

2．反接制动

（1）定子两相反接制动：

电源反接，旋转磁场反向，转子绕组切割磁场的方向与电动机状态相反，起制动作用，当转速降至接近零时，立即切断电源，避免电动机反转。

反接制动的特点:

优点是制动力强、停转迅速、无需直流电源;缺点是制动过程冲击大，电能消耗多。

（2）转子反转制动：

绕线异步电动机提升重物时不改变电源的接线，若不断增加转子电路的电阻，电动机的转子电流下降，电磁转矩减小，转速不断下降，当电阻达到一-定值，使转速为0，若再增加电阻，电动机反转。

特点:

能量损耗大。

3.回馈制动：

回馈制动即发电回馈制动，当转子转速n超过旋转磁场转速n1时，电动机进入发电机状态，向电网反馈能量，转子所受的力矩迫使转子转速下降，起到制动作用。

如起重机快速下放物体时，重物拖动转子，使其转速超过n1时，转子受到制动，使重物等速下降。

当变速多极电动机从高速档调到低速档时，旋转磁场转速突然减小，而转子具有惯性，转速尚未下降时，出现回馈制动。

3.3.2制动方式的选择

选择转子反转的反接制动。

3.3.3电压反接制动的原理

如图七为三相异步电动机转子反转的反接制动原理图。

若电动机拖动系统原来运行于固有机械特性1上的A点,并以转速nA提升重物G,在第1象限,若转子中串人制动电阻RBr,.这时拖动系统将过渡到具有较大电阻的机械特性2上运行,制动电阻RBr接人转子电路的瞬间,转速不能突变,拖动系统将由A点过渡到B点,再沿机械特性2下降到转速为零的C点,此时,若C点对应的电磁转矩仍然小于负载转矩,即Tc

在这种情况下,电动机的电磁转矩方向与电动机的实际转向相反,负载转矩为拖动转矩,拉着电动机反转,而电磁转矩起制动作用,因此这种制动又叫倒拉反接制动。

这时电磁转矩方向与电动状态时的一样,即转矩为正,而转速反了,为负值,机械特性曲线在第IV象限。

可见，要实现行于反转的反接制动状态,必须同时具备两个条件:

绕线转子异步电动机转子电路串人足够大的电阻和电动机在位能性负载下反拖。

采用转子反转的反接制动的目的是限制重物的下放速度。

（2）能量关系：

转子反转的反接制动时,转差率这时从轴上输出的机械功率P，转子反转的反接制动状态,由位能性负载提供的机械功率Pm.和由电源,输人的电磁功率PM全部消耗在电动机的转子电路的电阻上。

其中一部分消耗在转子绕组本身的电阻r2上、另一部分则消耗于转子外接的制动电阻RBr上。

4.根据选择的启动、调速和制动方法，计算电机参数

三相异步电动机数据：

额定功率

=7.5KW,额定转速n=705/min

定子电流：

19.1A过载倍数：

2.7空载电流：

12.7A效率η：

83%

功率因数：

0.73转子电压：

205V转动惯量：

0.2重量:

172kg

4.1转子串三相对称电阻分级启动

（1）

（2）

T2=2

=104.0N.m

（3）各转子的总电阻为：

各转子的连接的电阻为：

4.1.2原理图及机械特性

图三转子串三相对称电阻接线图

图四转子串三相对称电阻机械特性

4.2绕线转子异步电动机转子串电阻调速

计算将转速由705r/min调成500r/min。

n2=500：

所以串的电阻为：

4.2.1原理图及机械特性

图五绕线转子串电阻接线图

图六绕线转子串电阻调速的机械特性图

4.3转子反转的反接制动

额定转差率：

固定机械特性的临界转差率：

转子绕组没想电阻：

转差率：

n=-500r/min

所以电阻为：

4.3.1原理及机械特性

图七转子反转的反接制动的接线图

图八转子反转的反接制动特性曲线

5．结论

在启动阶段：

转子串三相对称电阻分级启动启动，由上述计算可得分别串入

电阻Rst2=R2-r2=0.588Ω，Rst1=R1-R2=1.51Ω后，依次切断电阻直至电机启动完成。

其优点是串电阻启动起动设备简单，可以将启动电流限制在容许的范围内，同时经济、可靠，可以做到平滑快速起动。

在调速阶段：

采用绕线转子异步电动机转子串电阻调速，由上述计算可得串入电阻数为1.69Ω时，可实现三相电机由705r/min到500r/min的转速的改变，其特点是这是一种耗能的调速方法。

其优点是方法简单,易于实现。

缺点是低速运行时损耗大，这是因为电动机运行时转子铜耗PCU2=Ps=SPM,随s的增大而增加,所以运行效率低。

同时在低速时,由于机械特性较软,当负载转矩波动时引起的转速波动比较大,即运行稳定性较差。

在制动阶段：

采用转子反转的反接制动，由上述计算转子反转的反接制动

回路中至少应串入1.99Ω，成功地实现了制动。

其特点是要实现行于反转的反接制动状态,必须同时具备两个条件:

绕线转子异步电动机转子电路串人足够大的电阻和电动机在位能性负载下反拖。

采用转子反转的反接制动的目的是限制重物的下放速度。

转子反转的反接制动时,转差率这时从轴上输出的机械功率P，转子反转的反接制动状态,由位能性负载提供的机械功率Pm.和由电源,输人的电磁功率PM全部消耗在电动机的转子电路的电阻上。

其中一部分消耗在转子绕组本身的电阻r2上、另一部分则消耗于转子外接的制动电阻RBr上。

6．参考文献

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