三相异步电动机的各种启动及调速系统设计与应用_毕业设计（论文） .doc

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1、毕毕业业 论论文文 三相异步电动机的各种启动及调速系三相异步电动机的各种启动及调速系 统设计与应用统设计与应用 北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议 题目： 三相异步电动机的起动及调速系统设计与应用 系别： 专业： 电气工程及其自动化 北京交通大学毕业设计（论文） i 摘要摘要 文章从理论上研究了三相异步电动机的启动方法与调速系统的设计，给出了 三相异步电动机在工作时采用了电动机拖动生产机械，有足够大的启动转矩，保 证了生产机械正常启动。启动平滑，设备安全可靠，结构简单，操作方便等特点。 有许多启动方法，如：直接启动，鼠笼式异步电动机降压启动，三相鼠笼式异步

2、 电动机 Y-启动绕线式三相异步电动机的启动及各种运行状态。调速就是在一定 的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速，这是生产机械经常向电动 机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。变 频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过 改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 关键词关键词：三相异步电动机；电机转速；功率因数 北京交通大学毕业设计（论文） ii ABSTRACT Article theoretically studied three-phase asynchronous motor startup method an

3、d speed control system design, and gives the three-phase asynchronous motor work when using the motor drag machinery, are large enough to start torque, ensure the production machinery booting normally. Starting smoothness, equipment, safe and reliable, simple structure, convenient operation, etc. Th

4、ere are many start-up methods, such as: direct start, a rat trap type three-phase asynchronous motor step-down start, a rat trap type asynchronous motor Y - train start winding type three-phase asynchronous motor start- up and various operating status. Speed is in certain load, according to the need

5、s of the production of the artificial change the turning speed of the motor, this is often manufacturing machinery to motor of the request. Speed the performance often affect production machinery work efficiency and product quality. Variable-frequency regulating speed technology is based on the basi

6、c principle of the motor speed and work power input frequency is proportional to the relationship, by changing the motor work power frequency to change the motor speed purpose. Keywords: three-phase asynchronous motor; the motor speed; power factor iii 目目 录录 摘 要i ABSTRACTii 目 录iii 第一章 绪 论.1 第二章 三相异步

7、电动机启动方案.3 2.1 三相异步电动机直接启动3 2.2 三相鼠笼式异步电动机启动4 2.2.1 定子串电抗器启动.4 2.2.2 星-三角启动.6 2.2.3 自耦减压启动8 2.3 绕线式三相异步电动机的启动10 2.3.1 转子回路串电阻.10 2.3.2 转子串频敏变阻器起动11 第三章 三相异步电动机调速系统.14 3.1 概述.14 3.2 异步电动机调速系统的组成.14 第四章 三相异步电动机调速系统的设计与应用.22 4.1 三相异步电动机调压调速系统的工作原理.22 4.2 三相异步电动机调速系统的结构原理图以及系统实现22 第五章 三相异步电动机仿真模型的建立.26 5

8、.1 实验方法26 5.2 实验结果与分析28 5.2.1 三相异步电动机 Simulink 仿真模型的建立28 5.2.2 结论分析.31 结 论.33 致 谢.34 参考文献.35 附录 一.36 iv 附录 二.39 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 1 第一章绪第一章绪 论论 在实际应用中，电机的电能转换成机械能的主要设备，机电能量转换效率更 高；二是应根据用于控制和调节电动机机械生产技术的旋转速度。电机的调速性 能和如何提高产品质量，提高劳动生产率和节约能源有着决定性的直接影响。因 此，控制技术一直是研究的重点。 长期以来，由于其优越的性能的直流电机速度和覆盖在工程中广泛应用的结

9、构 复杂的缺点。在额定转速下运行的直流电动机，保持恒定的励磁电流，电枢电压 的方法可以改变恒转矩速度；在额定转速运行，保持电枢电压恒定，可以改变励 磁的方法实现恒功率速度。转速，电流双闭环直流调速系统能获得优良的静动态 特性，调速。因此，在十九年代，在该领域的变速驱动器，直流调速一直占据主 导地位。 近年来，科学的快速发展为交流调速技术的发展和技术有了极为有利的条件 和物质基础，创造了。交流电机调速控制系统不仅具有直流电机的性能，且成本 低于直流电机系统，可靠性高。目前，国外先进工业国家的基本呈下降趋势，直 流传动装置的生产，和交流变频调速装置，大幅度提高生产。以日本为例，1975 在调速领域

10、，交流直流占 80%，占 20%；1985 直流交流占 80%，占 20%。到目前为 止，除了另一个地方去日本继续由直流电机驱动，调速系统是在几乎所有的交流 变频装置采用。 当定子电压来改变电动机的机械特性曲线，可以有不同的设置，因为电机电 压的转矩的最大转矩的平方成正比，所以要低得多，速度范围很小，所以很难适 用普通笼型电动机。电压调节器的主要设备是可提供电源电压的变化，共模电压 串联饱和电抗器，自耦变压器、晶闸管调压器（TVC）等。高压晶闸管。目前， 有三对反并联晶闸管或三双向晶闸管交流电压调节器分别串接在三相电路，主电 路的连接方法有多种方案，具有输出电压相位控制的变化。机械调压调速的生

11、产 通常适用于以下 100kw。 总之，随着现代科技的迅速发展，电气传动控制技术的发展，控制手段的不 断更新，控制模式进行了优化，其控制技术和设备已成为现代生活的一部分。数 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 2 控技术的新取得了控制技术更加完善，更加以人为本，使控制技术更为先进合理 整个组合将带来巨大的经济效益和社会效益。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 3 第二章第二章 三相异步电动机启动方案三相异步电动机启动方案 2.12.1 三相异步电动机直接启动三相异步电动机直接启动 三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电 器元件时的启动。特点：电动机定子绕组的工

12、作电压和启动电压相等。三相异步 电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大，以保 证生产机械的正常启动。缩短启动时间；启动电流要小。以减小对电网的冲击。 由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相 异步电动机。即转差率 S=1，主磁通额定磁通的 1/2，功率因数 cos 很小，造成 了起动电流相当大而起动转矩 并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动 机，起动电流=（47）IN （ 为起动电流倍数）起动转矩=TN（0.91.3） 对于绕 线式三相异步电动机的起动转矩 TSTN 。 起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对电机前端供电变压器影

13、 响大。使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差=10%或更严 重。这样，一方面影响了异步电机本身，由于 Tst与电压 U 的平方成正比，导致 Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供 电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。 下面两种情况不能直接启动。变压器与 电机容量之比不足够大。启动转矩 不能满足要求。 综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电 动机容量小于 7.5kw 的小容量鼠笼式异步电机。对于大容量鼠笼式异步电机和绕 线式异步电动机可采用如下方法： （1）降低定子电压；（2）加大定子端

14、电阻或电抗；（3）对于绕线式异步 电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电机，可以结构 上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。 总结： 直接起动即全压起动。直接启动的条件：由于直接启动的启动电流 很大，因此在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取 决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 4 一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下： 1：若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的 20%时允许直接启 动； 2：若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的 30%时也允许直接 启动。如果没

15、有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动 比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。 全压起动条件： （1）异步电动机功率低于 7.5KW （2） kf小于或等于 1/4 乘以 3 加电源总容量/启动电动机容量 直接起动时的影响： f(3) （1）起动电流较大，可达额定电流的 47 倍，甚至达到 812 倍。 （2）过大的起动电流造成电机过热，影响电动机的寿命。 （3）过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击，绕组变形可能造成短路 而烧毁电动机。 （4）过大的起动电流会使电网线路电压降增大，对同一线路中的其他电器设 备造成影响。 2.22.2 三相鼠笼式异步电动

16、机启动三相鼠笼式异步电动机启动 2.2.12.2.1 定子串电抗器启动定子串电抗器启动 起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。 三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图 2-1 所示。电源额定电压 直接加在短路阻抗上，定子侧串入电抗 X 起动时，每相等效电nU . kkk jXRZ 路如图 2-2 所示，Un 加在（jX+）上，而上的电压是 U/。定子侧串电抗起动 k Z k Z 可以理解为增大定子侧电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的 是减小起动电流。在定子侧串入电抗后，其堵转电流为 I 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 5 图图 2-12-1 直接

17、起动直接起动 图图 2-22-2 定子串电抗起动定子串电抗起动 kk N s Z U jXZ U I . 1 . )( 三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低，这是由于电动机设计时， 短路阻抗中，所致，一般的说，。因此， KKK ZRjX=+ KK XZ0.9 KK XZ 串电抗起动时，可以近似把 ZK的模值与 X 相加，而不考虑阻抗角，误差不大。设 串电抗时电动机定子电压与直接起动时定子的额定电压比值为 u，则： 1 . U NU . 1 K nK zU U UZX = + 1 1 k s sk ZIU U IUZX = + 222 1 1 ()() k s sk ZTU u TUZX

18、 = + 式中， 分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流；分别是定 . SS I I , SS T T 子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩，当选定 u 时，定子应串的电抗为： k Z u u X. 1 从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看，定子回路中串电阻或是串电 抗效果是一样的。但是串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电机容量较小 时才允许使用，大中型电机仅采用串电抗起动。定子回路串电阻或是电抗都能减 小起动电流，使得电网的冲击电流减小，对改善电网的稳定性是有利的。但是， 问题的另一面是，随着起动电流的减小，电机产生的起动转矩也随着变化，有必 要对起动转矩进行校验，看它是否能满足生产工

19、艺的要求，拖动系统是否能顺利 的升速到要求的转速根据图示的等值电路，起动时的电磁功率为： UN Rk jXk Is jXRkjXk U1 Is UN 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 6 1 qKsD MRIP 对于恒定的同步角速度 ，起动转矩和起动电流的平方成正比。利用这个重 要关系式可以得出结论：不管是定子回路串电阻还是电抗，只要能将起动电流改 变为直接起动是的倍，则起动转矩就将变成直接起动时的倍。显然，如果起a 2 a 动电流是直接起动时的 1/2，则起动转矩将是直接起动时的 1/4。因为鼠笼异步机 的直接起动转矩本来就不大，采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小， 必须对这种起

20、动转矩的大幅度下降进行校验，看它是否能保证拖动系统顺利完成 起动任务。一般地说由于起动转矩较小，所以定子回路串阻抗的起动方法只适用 于轻载起动或者是空载起动的生产机械。 2.2.22.2.2 星星- -三角启动三角启动 凡正常运行时定子绕组接成三角形的是三相鼠笼式异步电动机，在启动时临 时成星形，待电动机启动后接近额定转速时，在将定子绕组通过 Y降压启动 装置接换成三角形运行，这种启动方法叫 Y降压启动。属于电动机降压启动 的一种方式，由于启动时定子绕组的电压只有原运行电压的，启动力矩较小只有 原力矩的，所以这种启动电路适用于轻载或空载启动的电动机。 图图 2-32-3 三相异步电动机三相异步

21、电动机 Y Y降压控制接线示意图降压控制接线示意图 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 7 特点：定子绕组星形接法时，启动电压为直接启动采用三角形接法的 1/3， 起动电流为三角形接法的 1/3 因而启动电流特性好，线路比较简单，投资少，其 中启动转矩特性差，所以该线路适应用于轻载或空载启动场合。 线路分析如下： 1、合上空气开关 QF 接通三相电源， 2、按下启动按钮 SB2，首先交流接触器 KM3 线圈通电吸合，KM3 的三对 主触头将定子绕组尾端联在一起。KM3 的辅助常开触点接通使交流接触器 KM1 线 圈通电吸合，KM1 三对主常触头闭合接通电动机定子三相绕组的首端， ，电动机 在

22、 Y 接下低压启动。 3、随着电动机转速的升高，待接近额定转速时（或观察电流表接近额定电 流时） ，按下运行按钮 SB3，此时 BS3 的常闭触点断开 KM3 线圈的回路，KM3 失电释放，常开主触头释放将三相绕组尾端连接打开，SB3 的常开接点接通中间 继电器 KA 线圈通电吸合，KA 的常闭接点断开 KM3 电路（互锁） ，KM3 的常开 接点吸合，通过 SB2 的常闭接点和 KM1 常开互锁接点实现自保，同时通过 KM3 常闭接点（互锁）使接触器 KM2 线圈通电吸合，KM2 主触头闭合将电动机三相 绕组连接成，使电动机在接法下运行。完成了 Y接压启动的任务。 4、热继电器 FR 作为电

23、动机的过载保护，热继电器 FR 的热元件接在三角形 的里面，流过热继电器的电流是相电流，定值时应按电动机额定电流的 计算。 5、KM2 及 KM3 常闭触点构成互锁环节，保证了电动机 Y接法不可能 同时出现，避免发生将电源短路事故。 三相异步电动机 Y降压控制接线示意图安装注意事项： 1、Y降压启动电路，只适用于形接线，380V 的鼠笼异步电动机。不 可用于 Y 形接线的电动机应为启动时已是 Y 形接线，电动机全压启动，当转入 形运行时，电动机绕组会应电压过高而烧毁。 2、接线时应先将电动机接线盒的连接片拆除。 3、接线时应特别注意电动机的首尾端接线相序不可有错，如果接线有错， 在通电运行会出

24、现启动时电动机左转，运行时电动机右转，应为电动机突然反转 电流剧增烧毁电动机或造成掉闸事故。 4、如果需要调换电动机旋转方向，应在电源开关负荷侧调电源线为好，这 样操作不容易造成电动机首尾端接线错误。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 8 5、电路中装电流表的目的，是监视电动机起动、运行电流的，电流表的量 程应按电动机额定电流的 3 倍选择。 常见故障： 1、Y 启动过程正常，但按下 SB3 后电动机发出异常声音转速也急剧下降， 这是为什么？ 分析现象；接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。问题出现在接上 电动机后，从故障现象分析，很可能是电动机主回路接线有误，使电路由 Y 接转 到接

25、时，送入电动机的电源顺序改变了，电动机由正常启动突然变成了反序电 源制动，强大的反向制动电流造成了电动机转速急剧下降和异常声音。处理故障； 核查主回路接触器及电动机接线端子的接线顺序。 2、线路空载试验工作正常，接上电动机试车时，一起动电动机，电动机就 发出异常声音，转子左右颤动，立即按 SB1 停止，停止时 KM2 和 KM3 的灭弧 罩内有强烈的电弧现象。这是为什么？ 分析现象；空载试验时接触器切换动作正常，表明控制电路接线无误。问题 出现在接上电动机后，从故障现象分析是由于电动机缺相所引起的。电动机在 Y 起动时有一相绕组为接入电路，电动机造成单相启动，由于缺相绕组不能形成旋 转磁场，使

26、电动机转轴的转向不定而左右颤动。Ux 处理故障；检查接触器接点闭 合是否良好，接触器及电动机端子的接线是否紧固。 2.2.32.2.3 自耦减压启动自耦减压启动 在定子回路中串阻抗虽然能满足电网减小起动电流的要求，但是往往因为起 动转矩过小而满足不了生产工艺的要求。为了解决这个矛盾人们采用自耦减压起 动。三相鼠笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动称为自耦减压起动，其接线 图如图所示。起动时，开关 K 投向起动一边，电动机的定子绕组通过自耦变压器 接到三相电源上，当转速升高到一定程度后，开关 K 投向运行边，自耦变压器被 切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行。 自耦减压起动时，一相

27、电路如图所示。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 9 图图 2-42-4 自耦减压起自耦减压起 图图 2-52-5 自耦减压起动一相电路自耦减压起动一相电路 电动机起动电压下降为 U，与直接起动时电压 UN的关系为： 公式 2-1 2 1N NU UN = 电动机降压起动电流为,与直接起动时的起动电流之 S I S I 间关系为： 公式 2-2 2 1 S SN INU IUN = 自耦变压器高压边的起动电流为，与之间的关系为： S I S I 公式 2-3 2 1 S S IN IN = 因此，降压起动与直接起动相比，供电变压器提供的起动电流的关系 S I 公式 2-4 2 2 1 ()

28、 S S IN IN = 自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为，与直接起动时的堵转转矩之间的关 S T s T 系为： 公式 2-5 22 2 1 ()() S SN TNU TUN = 由以上可以看出，采用自耦减压起动时，与直接起动相比较，电压降低到 N2/N1倍，堵转电流与堵转转矩降低到（N2/N1）2倍。换句话说：如果采用自耦 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 10 减压起动，则起动电流变化的比值和转矩变化的比值相等，都是直接起动时的 KA分之一。 自耦减压起动，比起定子串阻抗起动，当限定的起动电流相同时，堵转转矩 损失较少，比 Y-起动灵活，并且当 N2/N1较大时，可以拖动较大的负

29、载起动。 但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦减压起动在较大 容量鼠笼型异步电动机上广泛应用。 前面介绍的几种鼠笼型异步电动机的降压起动方法，主要目的都是减小起动 电流，但同时有都程度不同地降低了堵转转矩，因此，只适合空载或轻载起动， 尤其要求起动过程很快的情况下，则经常需要堵转转矩较大的异步电动机，加大 堵转转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线型异步电动机，则可在转子回路内串 电阻。对于鼠笼型异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值。 2.32.3 绕线式三相异步电动机的启动绕线式三相异步电动机的启动 2.3.12.3.1 转子回路串电阻转子回路串电阻 绕线型三相异步电动机

30、转子回路串入电阻，可以减小定子电流。当所串入的 电阻 RS合适，可以增大堵转转矩值。当所串电阻折合值为： S R 公式 2-6 212S RRXX+=+ 公式 2-7 122S RXXR=+- 即 Sm=1，电动机的堵转转矩达最大值。 为什么在绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻后，定、转子电流减小了， 而堵转转矩却能增大？从电动机电磁转矩公式知道，在气隙每极磁 2 2 cosIC mT 通量一定时，电磁转矩 T 与转子有功电流成正比。已知串入电阻 RS m 2 2 cosI 后，转子功率因数角为： 公式 2-8 s s RR X 2 2 2 arctan 即角比不串时小很多，使得值增大。尽管

31、刚起动时，因为串电阻 2 S R 2 cos 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 11 使得减小，但值的增大，使得转子有功电流反而增大了，从 S R 2 I 2 cos 22cos I 而增大堵转转矩值。当然，过分增大所串电阻，虽然会增大，其极限值 S R 2 cos 为 1，因转子电流减小使堵转转矩也跟着减小。 图 2-7（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 2- 7（b）不对称电阻。 图图 27（a）绕线型异步电动机转子串电阻）绕线型异步电动机转子串电阻 图图 27（b）不对称电阻）不对称电阻 绕线型三相异步电动机多用在拖动那些要求堵转转矩大的生产机械，如起重

32、 机械，球磨机，空压机，皮带运输机以及矿井提升机等。 为了减小绕线型三相异步电动机运行时电刷与集电环间的摩擦损耗，有些电 机安装了电刷提起装置。当电动机起动完毕后，把转子三相绕组彼此短路，将电 刷从集电环上举起。 2.3.22.3.2 转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动 对于那些单纯为了限制起动电流增大堵转转矩的绕线型异步电动机，可以采 用转子串频敏变阻器起动，如图 2-8 所示。频敏变阻器是一个三相铁心线圈，它 的铁心是由实心铁板或钢板叠加而成，板的厚度为 30-50mm。图 2-8 中，接触器 点 K 断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器点 K 再闭合，切除频

33、敏变阻器，电动机进入正常运行。 频敏变阻器每一相的等效电路与变压器空载运行时的等效电路是一致的。忽 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 12 略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用 表示。但是，与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下 PPP ZRjX=+ 两点： （1）频率为 50HZ的电流通过时，阻抗比一般的变压器励磁阻 PPP ZRjX=+ 抗小的多。这样，串在转子回路中，既限制了定.转子电流，又不致使堵转电流 过小而减小堵转转矩。 （2）频率为 50HZ的电流通过时，。其原因，频敏变阻器中磁通密 P R P X 度取的较高，铁心处于饱和状态，励磁电流较大，因

34、此，励磁电抗较小。而 P X 铁心是厚铁板或后钢板的，磁滞，涡流损耗都比较大，频敏变阻器的单位重量铁 心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此较大。 P R 图图 2-8 转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动 绕线型三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时（s=1） ，转子回路频率为 50HZ，因为，转子回路主要是串入了电阻，提高了转子回路的功率因数， P R P X 既限制了堵转电流，又提高了堵转转矩。 起动过程中，随着转速升高，转子回路频率逐渐降低，频敏变阻器中铁损耗减 1 sf 小，电阻也小；电抗也小。正因如此，电动机在几乎整个起动过程中始终 P R P X 北京交通大学海滨学院毕

35、业设计（论文） 13 保持较大的电磁转矩。 为了用户的方便，频敏变阻器的等效阻抗是可以调节的。实际的频敏变阻器 线圈上都有几级中间抽头，供使用时选择一个比较合适的等效阻抗值。铁损和磁 密的平方成正比，改变线圈的匝数将引起等效阻抗的较大变化。中间抽头受到结 构条件的限制，只能是有限的几种，不可能适应紧密调节的需要。为了将起动电 流和起动转矩比较准确的整定在要求的数值上，频敏变阻器都装有调节气隙长度 的活动铁心。气隙越大，磁密越小，等效阻抗也愈小。 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 14 第三章第三章 三相异步电动机调速系统三相异步电动机调速系统 3.13.1 概述概述 本次设计主要是综合应用

36、所学知识，设计异步电动机调压调速系统，并在实 践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“异步电动机 交流调速”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握 Matlab 语言设计的 基本方法。 应用场合: 应用异步电动机调压调速系统，一般工业场合以及特殊伺用机床。 系统功能介绍:本系统以三相异步电动机的转速为被控对象，根据工业场合 的具体需要，调节定子电压对电动机进行无级调速。 3.23.2 异步电动机调速系统的组成异步电动机调速系统的组成 交流调压调速是一种比较简便的调速方法。常见的异步电动机调压调速系统 由以下六大基本部分组成：转速调节器（ASR）、触发装置（GT）、晶闸管

37、交流 调压器（TVC）、测速发电机（TG）、软启动器以及三相异步电动机（M）。 这里主要介绍三相异步电动机（M）的结构，和测速发电机（TG）、晶闸管 交流调压器（TVC）和软启动器四大部分的具体结构以及工作原理。 一、三相异步电动机 异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子 绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种 交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电 动机。 作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应 电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一

38、种。在中国，异 步电动机的用电量约占总负荷的60多。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，成本低，维护方便，而 且坚固耐用，惯量小，运行可靠，对环境要求不高，因此在工农业生产中得到了 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 15 极广泛的应用。其突出的优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以 实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，并能获得和直流电机控制 系统相媲美或更好的控制性能。 异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力 系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行 可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，

39、与同功率、同电动机相比， 前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。 和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子两大部 分组成。定子与转子之间有个较小的气隙。 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。为了使异步电动机能产生较大 的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步 转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁 场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好 的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。对于容量较大(10kw以上)的电

40、动 机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。定子铁心上的槽形通常有三 种：半闭口槽，半开口槽及开口槽。从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭 口槽最好。定子绕组 定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈 按一定规律联接面成。能分散嵌入半闭口槽的线圈由高强度漆包圆铜线或圆铝线 绕成，放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁沿线或扁铜线，或用玻璃丝包扁 铜线绕成。开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须 与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。 一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型式。容 量较大的异步电动机

41、都采用双层绕组。双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置， 上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。小容量异步电动机常采用单层绕组。槽 内定子绕组的导线用槽楔紧固。槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等 非磁性材料。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。中小型异步电动机一般都 采用铸铁机坐，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。例如小型封闭式 电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。为了加强散热能力，在机 座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增大散热面积。对于大中型异步电动机， 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 16 一般采用钢板焊接的机座。转速的直流 异步电机的转子由转子铁心、转子

42、绕组和转轴组成。 转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般也由0.5毫米厚冲槽的硅钢片 叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子铁心的外表面成圆柱形。转子绕 组分为笼型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。 笼形绕组，由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的， 不需由外电源对转子绕组供电，因此绕组可自行闭合；绕组的相数亦不必限定为 三相。因此笼形绕组的各相均由单根导条组成，因为异步电动机正常运行时，旋 转磁场与转子导条的相对转速不大，即转差率在5之下，所以导条中的感应电 动势不大，如导条与铁心之间不加绝缘，由导条与铁心之间的接触电阻来限制导 条间的漏电流也是

43、可以的，一般无须用绝缘材料把导条与铁心隔开，艺极为简单。 笼型绕组就可以由插入每个转子中的导条和两端的环形端环组成。如果去掉铁心， 整个绕组的外形就象一个关松鼠的笼子，所以具有这种笼型绕组的转子，习惯上 称为笼型转子。为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都采用 铸铝转子。这种转子的导条和端环一次铸出。对容量大于100kW的电机，由于铸 铝质量不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼形绕组。笼型 转子上既无集电环，又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运行可靠。 绕线型绕组，它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组 接成星形，并接到转轴上三个集电环，再通过电刷

44、使转子绕组与外电路接通。这 种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装 置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。为了减小电刷的磨损与摩擦损耗， 中等容量以上的异步电动机还装有一种提刷短路装置。这种装置当电动机起动以 后而又不需要调节速度时，移动其手柄，可使电刷提起，与集电环脱离接触，同 时使三只集电环彼此短接起来。 异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机般为0.22mm。气 隙的大小与异步电动机的性能关系极大。气隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大时，产 生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流(与变压器 中的情况一样)，该电流增大会使电机的功率

45、因数变坏。然而，磁阻大可以减少 气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。气隙过小，会 使装配困难和运转不安全。如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。一般异 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 17 步电动机的气隙以较小。 二、交流测速发电机（TG） 交流测速发电机 有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机 和同步测速发电机3种。 空心杯转子异步测速发电机：主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中 转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90 电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流 产生的磁场与输出绕组轴线

46、垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯 形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于 杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相 位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它 的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干 扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。 笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅 用于要求不高的场合。这样的绕组工 同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随 转速同时变化，又不能判别旋转方向,使

47、用不便，在自动控制系统中用得很少,主 要供转速的直接测量用。 三、晶闸管交流调压器（TVC） 结构图如图 3-1 图图 3-13-1 晶闸管交流调压器结构图晶闸管交流调压器结构图 晶闸管单相交流调压器，把三对反并联的晶闸管与负载相串联，然后接到交 流电源上，通过控制晶闸管的导通角，调节负载上的电压和功率，这一装置称为 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 18 晶闸管交流调压器。晶闸管交流调压器在电炉的温度控制、舞台的灯光控制及中 小功率异步电动机的转速调节中得到广泛应用。 交流调压器的输出仍是交流电压，因此它可以通过变压器再进行调压，但是 它的输出电压波形与自耦式或感应式交流调压器不同，不再

48、是正弦波形。其中谐 波分量较大，功率因数也较低（与导通角有关）。 交流调压器的晶闸管控制通常采用两种方式： 通断控制。即把晶闸管作为开关将负载电路与电源接通几个周波，然后再断 开一定周波数。通过改变通断时间比达到调压的目的。这里晶闸管起到一个通断 频率可调的快速开关的作用。 相位控制。将晶闸管作为这样一个开关，在电源电压每一周期中，在选定的 时刻将负载电路与电源接通，改变选定的时刻即可达到调压的目的。 在交流调压器中，相位控制应用得较多，故下面主要介绍以相位控制的交流 调压器。 通常在大功率或者为完成对某些负载控制方式时采用三相交流调压器。三相 交流调压器接线形式很多，这些电路各有特点，现分别叙述如下： 晶闸管三相全波星形或三角形调压电路如图3-2： 图图 3-2 晶闸管三相全波星形或三角形调压电路晶闸管三相全波星形或三角形调压电路 这是一种三相三线制的线路结构。采用这种线路时，可任意选择所需要的 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文） 19 负载形式，即可用三角形或者星形。这种电路连接的优点之一，就是它的输出谐 波分量低。由于线电流对称，因而只有奇次谐波，其中 3 次谐波被抵消了。所以 这种电路对邻近通讯电路干扰小，从而减轻了滤波问题。但是这种电路必须保证