电机与拖动课程设计

电机与拖动课程设计

1.前言

电机与拖动是一门理论性和实践性都较强的课程，是自动化专业必修的核心课程，电机与拖动课程理论讲授完后，结合专业特点和现有设备条件开展该课程的课程设计，增强学生对课程理论知识的理解和实践运用，加强学生电机与拖动课程综合性工程训练。

2. 异步电动机的起制动和调速设计

关于异步电动机的起制动和调速设计，其主要根据电机与拖动实验中的继电器（接触器，时间继电器）控制知识，完成电路图的绘制，实现对异步电动机起动、调速、制动、停止等功能。

异步电动机控制动作流程：低速启动→高速正转运行→运行一段时间→减速运行→运行一段时间→反转低速运行→运行一段时间→反转高速运行→运行一段时间→能耗制动→停止。

此设计题目要求对异步电机的起动、调速、制动方法的设计，以确定异步电机的最佳起、制动和调速方案，且达到最优配合。

2.1 异步电动机的起动

2.1.1 电机起动方法的介绍

电机在起动时应使启动转矩足够大，确保生产机械正常起动；起动电流足够小，避免因起动对电网造成的冲击；起动时间你尽量短；启动设备简单，操作方便；起动过程中能耗消耗少，经济适用。通过综合考虑，一般选择起动电流I st=(4~7)I N，而起动转矩T st=T N。

本次课程设计中电机为鼠笼式异步电机，其主要起动方法有直接起动，定子串电阻或电抗的降压起动，自耦变压器的降压起动，星-三角降压起动，软起动以及特殊鼠笼式异步电机的起动。

2.1.2 起动方法的比较

在上述这几种起动方法中，每一种方法都有各自的优点与缺点以及各自的适用范围。

对于直接起动方案：

需要电机满足自身容量不大或者轻载情况，亦或者满足特殊要求的情况；

对于定子串电阻或电抗的降压起动这种方法：

这种方法相当于降低定子绕组的外加电压，而由上面公式可知，起动电流正比于定子绕组上的电压，因而在一定程度上，这种定子串电阻或电抗的降压起动方法可以到达降低起动电流的目的，但因为起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩将会降低更多，因此这种方法仅适合轻载起动；

对于自耦变压器的降压起动方法：

与直接起动方法相比较，采用自耦变压器的降压起动时，电压降低（N2/N1）倍，但电网所承担的起动电流和起动转矩均降低【（N2/N1）*（N2/N1）】倍，可以拖动较大的负载，但同时设备体积庞大、价格高；

对于星-三角降压起动方法：

电机采用星-三角降压起动时，电网所承担的起动电流只有三角起动时的1/3,而起动转矩也将为三角起动的1/3，相当于自耦变压器的降压起动抽头为（1/）的情况，而

与自耦变压器的降压起动相比，星-三角降压起动方法简单，只需要星-三角转换开关，价格便宜、重量轻；

对于软起动以及特殊鼠笼式异步电机的起动都具有一定的特殊性，更适合与一些特殊场合，因而在本次课程中不适用。

因此通过严格比较，在此次课程设计中选用星-三角降压起动方法，使用时间继电器控制星-三角降压起动，其连线图如图1。

2.2 异步电动机的调速

2.2.1 电机调速方法的介绍

三相异步电机的调速方法主要有变极调速，变频调速以及改变转差率调速。而变极调速又包括Y/YY接变极调速和△/YY接变极调速；变频调速也分为基频以下的变频调速

和基频以上的变频调速；改变转差率的调速也包括改变定子电压调速和电磁滑差离合器调速。

图 1 星-三角降压起动连线图

2.2.2 调速方法的比较

在上述这几种调速方法中，每一种方法都有各自的优点与缺点以及各自的适用范围。

对于Y/YY接变极调速：

Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式，多用于起重机或传送带等负载；

对于△/YY接变极调速：

△/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式，多适用各种机床类负载的粗加工和精加工等；

对于基频以下的变频调速：

保持U1/f1=常数，基频以下的变频调速的机械特性的硬度保持不变，属于恒转矩调速，且频率连续可调，可以实现无极调速；

对于基频以上的变频调速：

保持U1/f1=常数，基频以上的变频调速的机械特性的硬度保持不变，属于恒功率调速，且频率连续可调，可以实现无极调速；

对于改变定子电压调速：

改变定子电压，可以改变转差率，调节转子转速，但最大电磁转矩与定子外加电压的平方成正比，随着定子电压的降低，过载能力将明显降低，因此调压调速仅适合与轻载调速场合，改变定子电压调速既不属于恒转矩调速也不属于恒功率调速；

对于电磁滑差离合器调速：

电磁滑差离合器调速是在鼠笼式异步电机的转子机械轴上装上一电磁滑差离合器，通过调节离合器的励磁电流调节离合器的输出转速，最终实现调速。电磁滑差离合器电机具有设备简单、控制方便、可以实现平滑调速等优点，但机械特性脚软，调速范围较窄、运行效率较低。

通过上面的各方面比较，如实现的难以成等，在本次课程设计中，我们选择在定子侧串入电阻，以改变定子侧的电压，如图串入R1、R2、R3三个电阻，最后实现调速功能，其机械特性如图3。

图 2 定子串电阻

图 3 改变定子电压调速的机械特性

2.3 异步电动机的能耗制动

三相异步电机与他励直流电机不同，他励直流电机采用双边励磁，而异步电机则采用单边励磁，即仅定子绕组通电。因此异步电机无法像直流电机那样将定子绕组从电网上切除，然后串入外加电阻实现能耗制动。因此能耗制动时，对异步电机需要提供额外的励磁电源。

本次课程即采用能耗制动，其电路图如图4，对异步电机需要提供额外的励磁电源，其机械特性如图5。

图 4 能耗制动电路图

图 5 机械特性

2.4 整体方案

在本次课程设计中，异步电动的起动方案采用时间继电器控制星-三角降压起动，而调速方案为定子侧串电阻改变定子电压调速，最后外接励磁电源能耗制动，其整体电路图如图6。

图 6 整体电路图