绕线式异步电动机转子串电阻起动分析与设计

绕线式异步电动机转子串电阻起动分析与设计哈尔滨工业大学
《电机与拖动》课程设计
设计题目:绕线式异步电动机转子串电阻起动分
析与设计
院,系、部,: 航天学院专业班级: 自动化姓名: 学号:
导教师: 指
日期:
电气工程系课程设计标准评分模板
课程设计成绩评定表
学期 2013/2014第2学期姓名专业自动化班级课程名称电机与拖动课程设计
设计题目绕线式异步电动机转子串电阻起动分析与设计
成绩优良中及格不及格评分项目
1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真设
2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反计能独立设计基本独立设不能独立设
3.独立工作能力强较强表完成计完成计完成现迟交一天以
4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天上
设计思路基设计思路较设计思路不设计思路清设计思路清本清晰,结构清晰,结构方清晰,结构方晰,结构方案晰,结构方案方案基本合案基本合理,案不合理,关良好,设计参合理,设计参理,设计参数设计参数选键设计参数5.设计内容数选择正确,数选择正确,选择基本正择基本正确,选择有错误,条理清楚,内条理清楚,内确,
调理清设调理清楚,内调理清楚,内容完整,结果容较完整,极楚,内容基本计容基本完整,容不完整,有正确少量错误完整,有些错说有少量错误明显错误误明书较规范、整基本规范、整基本规范、整不规范、不整规范、整洁、6.设计书写、字体、洁、有条理,洁、有条理,洁、有条理,洁、无条理,有条理,排版排版个别排版有个别排版有排版有问题排版有问题很好问题问题较多很大
7.封面、目录、参完整较完整基本完整缺项较多不完整考文献
8.绘图效果很出色较出色一般较差很差图
纸 9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱
基本符合标个别不符合完全不符合 10.绘图工程标准符合标准较符合标准准标准标准评定说明,
不及格标准,设计内容一项否决制,即5为不及格,整个设计不及格,其他4项否决, 优、良、中、及格标准,以设计内容为主体,其他项超过三分之一为评定标准,否则评定为下一等级,如优秀评定,设计内容要符合5,其余九项要有4项符合才能评定为优,否则评定为良好,以此类推。

最终成绩, 评定教师签字, 课程设计任务书
一、设计题目
绕线式异步电动机转子串电阻起动分析与设计
二、设计任务
一台JR71-4型三相绕线式异步电动机～拖动一个横转矩负载。

已知:P=20kW～n=1420r/min～f=50Hz～U=187V～I=68.5A～NNN2N2Nα=2.3～T=100N?m。

MTL
1、若要求启动电流是I=2.5I～求最大的串联电阻～设计其起stN
动级数并计算每级的电阻值。

2、最大允许的起动转矩T=1.8T～起动切换转矩T=T～试设1N2N计其起动级数并计算每级的电阻值。

三、设计计划
电机与拖动课程设计共计1周内完成:
1、第1，2天查资料,熟悉题目,
2、第3，5天方案分析,具体按步骤进行设计及整理设计说明书,
3、第6天准备答辩,
4、第7天答辩。

四、设计要求
1、设计工作量为完成设计说明书一份,
2、设计必须根据进度计划按期完成,
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。

指导教师:
教研室主任:
时间:
摘要
绕线式异步电动机转子回路中可以外串三相对称电阻，以增大电动机的启动转矩，启动结束后可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。

当然，所串联的电阻超过一定数值后，最初起动转矩反而会减小。

因而绕线异步电动机的转子要串入合适的电阻，不但可以减少起动电流，而且可以增大起动转矩。

由于三相异步电动机直接启动时，启动转矩和启动电流很大容易造成电机和设备的损坏，因此本次设计对三相异步电动机启动做了研究，目的是保证电动机安全启动。

本此设计针对绕线型异步电动机转子串电阻做了阐述，根据启动电流和启动转矩的要求设计合适的电阻与启动级数来保证电动机安全平稳的启动。

关键词:异步电动机;串电阻;启动
目录
1 引
言 ..................................................................... .................................................. 1 2 电动机的原理和结构 ..................................................................... . (1)
2.1 工作原
理 ..................................................................... .. (1)
2.2 异步电动机结
构 ..................................................................... .. (2)
2.2.1 定
子 ..................................................................... . (2)
2.2.2 气
隙 ..................................................................... . (2)
2.2.3 转
子 ..................................................................... . (2)
2.2.4 其
他 ..................................................................... ............................... 3 3 电动机的起动指
标 ..................................................................... .. (3)
3.1 起动转矩要足够
大 ..................................................................... . (3)
3.2 起动电流不要超过允许范
围 .....................................................................
3 4 起动过
程 ..................................................................... (4)
4.1串联起动电阻R和R起
动 .....................................................................
4 st2st2
4.2切除起动电阻
R ...................................................................... ..................... 5 5起动级数未定时起动电阻计
算 ..................................................................... . (5)
5.1计算推导过
程 ..................................................................... . (5)
5.2具体设
计 ..................................................................... ................................. 7 6 结
论 ..................................................................... .................................................. 9 参考文
献 ..................................................................... .. (10)
1 引言
对于三相异步电动机的起动，由于起动瞬间s=1，转子电路感应电动势及电流都比较大且远大于其额定值，故不能直接起动，故产生许多方法起动，本设计将讨论绕线型三相异步电动机转子串电阻起动。

绕线型三相异步电动机转子电路串合适电阻不但可以减小起动电流，而且可以增大起动转矩，对于转矩大或频繁起动的生产机械引用的尤为广泛。

不仅使电机有足够大的起动转矩，使拖动系统有较大的加速转矩，尽快达到正常运行状态，而且可以减小对电网的冲击，影响其他设备。

而且绕线型异步电动机具有起动性能好、起动转距高、起动电流小等优点。

由于起动时，转子回路中串入附加电阻或频敏变阻器，不仅能改善起动性能，而且还可以实现调
绕线式异步电动机通过转子外接电阻进行调速是一种传统的调速方法。

但如果转速越速。

低，这个损耗越大，电动机的效率越低，转子串电阻调速是将转差攻率消耗在转子电阻上。

2 电动机的原理和结构
2.1 工作原理
三项异步电动机的工作原理应该是:当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。

由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体
将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。

由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。

电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三项定子绕组，通入三项交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

图2-1工作原理图
1
2.2 异步电动机结构
三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成，及其它附件。

图2-2异步电机结构图
2.2.1 定子
三相异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖四部分构成。

为减少旋转磁场在铁心中引起的铁损耗，定子铁心一般采用彼此绝缘、厚为0.5mm的硅钢片叠成圆筒形，内壁开有许多均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子绕组是由绝缘导线制成的三相对称绕组，按照一定的连接方式安放于定子铁心槽内。

小型异步电动机多采用单层绕组，容量较大的异步电动机一般采用双层绕组。

机座由铸铁或铸钢制成，主要作用是用来固定和支撑定子铁心，因此，机座需要有足够的机械强度和刚度。

端盖由铸铁或铸钢制成，固在机座两端，用以支撑转子和防护外物的侵入。

定
2.2.2 气隙
气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响。

为了减少电机的励磁电流，提高功
1.5 mm 率因数，气隙应该尽可能的小。

在中小型异步电动机中，气隙大约为0.2,
2.2.3 转子
异步电动机的转子有转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。

转子铁心一般由0.5mm厚的硅钢片叠成圆筒形，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。

一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。

鼠笼式转子:转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。

绕线式转子:绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

2
图2-2-3转子图
2.2.4 其他
轴承:连接转动部分与不动部分。

轴承端盖:保护轴承。

风扇:冷却电动机。

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。

st 堵转状态说明了电动机的直接起动能力。

因为只有在T>T<一般要求
T>(1.1,ststL
1.2)T，电动机才能起动起来。

T大，电动机才能重载起动;T小，电动机只能轻载，ststL
甚至空载起动。

所以只有T?T时，电动机才能改变原来的静止状态，拖动生产机械运stL
转。

一般要求T>(1.1,1.2)T。

T越大于T，起动过程所需要的时间就越短。

ststLL
3.2 起动电流不要超过允许范围
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。

3
4 起动过程
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。

1
起动步骤如下:
4.1串联起动电阻R和R起动 st2st2
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12
2的电阻R，转子电路每相总电阻为
R= R+R″+R′ 222
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st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。

L
nS3Pn0i2
hnh
fnMgg1
Mec
d0
T
OMTTS2TL''TS1S1R
nM2a'S2R
(a)电路图 (b)机械特性
图4-1电动机的电路图和机械特性图
4
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s21R转子每相电路的总电阻变为: st2
R=R+R st1212
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st2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s1速，工作点沿特性由e点向f点移动
st14.3切除起动电阻R
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s21R。

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，st1202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S1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计算
5.1计算推导过程
sts21)选择起动转矩T和切换转矩T
一般选择
T=(0.8-0.9)T s1M
T=(1.1-1.2)T s2L
2)求出起动转矩比β
β= T/ T s2s1
3)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。

T/T,(n,n)/(n,n)=S/S S1M0h0MgMgh
=S/S T/T,(n,n)/(n,n)S2Mih0MgMg1
式中n和n是工作在h点和i点时的转速，n是T与特性g交点在的转速(即临MghiM界转速)。

S,S和S是与之对应的转差率。

同理可以求得 Mghi T/T=S/S=S/S= S/ S eS1MgMaMkhbM
T/T=S/S=S/S=S/ S fMgMgs2MaicM
由于S= S,对应两式相除，可得 ec
β=T/T=S/S=(R/ X)/ (R/ X)= R/ R 22sis2MaMd22212221由于S=S fh
β=T/T=S/S= R/ X/ R/ X= R/ R S1Mgs2Md2020212221 可见
R=βR 2221
5
R=βR 2021
所以
2 R=β R=βR 202221
若是m级起动，则
m R=βR 2m20
m =βR 2
式中
R= R+R+R+……+R 2mst1st2stm2
因此
R2mmβ= R2
由前面的分析还可以得到
S/S=S/S MghMab
SMcS=S c1bSMa
若是m级起动，则
S=R/R g2m2
此外，在固有特性c上工作时
T/T=S/S s1gNN
T1S= S gNTN
将这些关系带入β公式，可得
TNmβ= sT1n
两边取对数，便得到了起动级数m的计算公式
TNlgsTN1M=
lg,
若m不是整数可取相近整数
24)重新计算β，校验T,是否在规定范围内。

若m是取相似整数，则需要重新计算β，并求出T，校验T是否在式所规定的范s2s2
围之内。

若不在规定范围内，需加大启动级数m,重新计算β和T,直到T满足要求为止。

s2s2
25)求出转子每相绕组的电阻R
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U2N
和转子绕组的额定线电流I进行计算。

2N
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 NN2
6
sU2NNI= 2NR32
因此求得R的计算公式为 2
sUN2NR= 23I2N
6)计算各级总电阻
由前面的分析知道
R=R 202
R=βR 2122R=βR=βR 2212
……
R=βR m2m2
7)求出各级起动的电阻
R=R-R st1212
R=R-R st22221
……
R=R-R 2(m,1)stm2m
5.2具体设计
一台JR71-4型三相绕线式异步电动机，拖动一个横转矩负载。

已知:P=20kW，N
n=1420r/min，f=50Hz，U=187V，I=68.5A，α=2.3，T=100N?m。

最大允许的起动转NN2N2NMTL
矩T=1.8T，起动切换转矩T=T，试设计其起动级数并计算每级的电阻值。

1N2N1)选择起动转矩T切换转矩T 12
3P60 N602010 ，，T===134.6N.m N2,nN2π，1420
T=a T mmtN
=2.3*134.6N.m
=309.58N.m
TT1,1.8N =242.28 TT2,N 2)求出起切转矩比β
β=T/T=1.8 12
3)求出起动级数m
NN0,N15001420, SN,,,0.053N15000
TNlgsTN1m=
lg,
134.6lg0.053242.28，=
lg1.8
7
=4.08
取m=4.
4)重新计算β,检验T是否在规定范围内 2 TN134.6mβ== 4,1.799sTN10.053242.28，
T=T/β=242.28/1.799=134.6 21
T基本在规定范围之内. 2
由于T>1.1T,所以所选m和β合适. 2L
5)求出转子每相绕组电阻R 2
sU0.053187，N2NR==Ω ,0.0823I368.5，2N 6)计算各级总电阻
R=βR 212
=1.8*0.08
=0.144Ω
R=βR 2221
=1.8*0.144
=0.259Ω
R=βR 2322
=1.8*0.259
=0.467Ω
R=βR2324
=1.8*0.467
,,0.84 7)求出各级起动电阻
R= R- R st1212
=(0.144-0.08)Ω
=0.064Ω
R=R-R st22221
=(0.259-0.144)
=0.115Ω
R= R- R st32322
=(0.467-0.259)
=0.208Ω
R=R-R 2423st4
=0.84-0.467
=0.373Ω
8
6 结论
绕线式三相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，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。

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三相启动变阻器，启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值之间。

起动转矩一般取0.85T左右。

总之，转子回路串三相对称可变电阻起动，这种方法既可限制起动电流，又可增大起动转矩，串接电阻值取得适当，还可使起动转矩接近最大转矩起动，适当增大串接电阻的功率，使起动电阻兼作调速电阻，一物两用，适用于要求起动转矩大，并有调速要求的负载。

缺点:多级调速控制电路较复杂，电阻耗能大。

9
参考文献
[1] 刘锦波，张承慧.电机与拖动[M].北京:清华大学出版社，2006.9 [2] 唐介.电机与拖动[M].第2版.北京:高等教育出版社，2007.12 [3] 李晓竹.电机与拖动[M].徐州:中国矿业大学出版社，2009.1 [4] 黄忠霖.电工学的MATLAB实践[M].北京:国防工业出版社，2010.1 [5] 董玉冰.Multism9在电工电子技术中的应用[M].北京:清华大学出版社，2008.11 [6] 腾龙科技等.MATLAB工程计算及分析[M].北京:清华大学出版社，2011.3
10。