畢業(yè)設(shè)計三相異步電機的星三角啟動

1、 畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書課題名稱三相交流異步電動機y-啟動特性研究一、 任務(wù)書 三相交流異步電動機的工作原理 三相交流異步電動機的穩(wěn)態(tài)工作特性 三相交流異步電動機的啟動特性 影響三相交流異步電動機啟動特性的因素 如何限制啟動電流 y-啟動的原理及實現(xiàn)方法 y-啟動時的系統(tǒng)性能研究 基于傳統(tǒng)繼電方法的y-啟動實現(xiàn)方法 基于plc的三相交流異步電動機y-啟動實現(xiàn)方法2011年2月16日至2011年6月13日共17周指 導(dǎo) 教 師簽 字系 主 任簽 字院 長簽 字摘 要2abstract3第一章 緒 論4第二章 三相交流異步電機運行原理及特性52.1三相交流異步電機的基本結(jié)構(gòu)52.2三相交流異步電機

2、的工作原理62.3三相異步電動機工作特性72.4三相交流異步電動機啟動時的要求92.5三相交流異步電動機啟動問題92.6工業(yè)生產(chǎn)機械不同的啟動條件112.7三相交流異步電機啟動方法介紹112.7.1直接啟動112.7.2軟啟動112.7.3串電阻（或電抗）降壓啟動122.7.4自耦變壓器降壓啟動12第三章 三相異步交流電機的星-三角啟動133.1星-三角啟動時的電流及電壓143.2 y-降壓啟動主電路及控制電路153.3電機的參數(shù)163.3.1 y系列（ip44）基本簡介163.3.2結(jié)構(gòu)簡介：163.4完成啟動過程涉及的計算18第四章 接觸器及主要器件的選型204.1交流接觸器的選項204.

3、1.1交流接觸器的結(jié)構(gòu)特性和工作原理204.1.2 cj20系列交流接觸器204.2熱繼電器選型234.3 js20晶體管時間繼電器254.4 rl1螺旋式熔斷器27第五章 用plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動295.1 plc的基本結(jié)構(gòu)295.2采用plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動的必要性305.3基于plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動方案一315.4基于plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動方案二33結(jié)論36參考文獻37致 謝38摘 要本文首先分析了三相異步電動機的工作原理及穩(wěn)態(tài)工作特性，然后分析了三相異步電動機的啟動特性及影響三相交流異步電動機啟動特性的因素。所謂星-三角啟動即工作時通過改變電機的

4、接線方式而改變起動電壓，從而降低啟動電流。本設(shè)計用于控制電機定子繞組由“星形”至“三角形”的換接啟動、運行及停止。采用星-三角啟動方式時，電流特性很好，適用于無載或者輕載起動的場合。同任何別的降壓啟動方式相比，其結(jié)構(gòu)最簡單，價格也最便宜。除此之外，星-三角啟動方式還有一個優(yōu)點，即當負載較輕時，可以讓電動機在星形接法下運行。此時，額定轉(zhuǎn)矩與負載可以匹配，這樣能使電動機的效率有所提高。關(guān)鍵詞：三相交流異步電動機，接觸器，降壓啟動，控制電路，星-三角啟動abstract第一章 緒 論目前，工業(yè)中原動力主要由電動機提供，電動機可分為直流和交流電機。由于直流電機和交流電機的特點又決定了機械設(shè)備的動力大多

5、由交流異步電機提供，尤其以鼠籠式電機居多。根據(jù)統(tǒng)計，在電網(wǎng)的總負載中，動力負載約占59%，而異步電機則占總動力負載中的85%，由此可見異步電動機在工農(nóng)業(yè)中的重要性，異步電機的應(yīng)用范圍是非常廣的，容量從幾十瓦一直到幾千瓦，應(yīng)用在各種行業(yè)，例如，在工業(yè)方面，中小型的軋鋼設(shè)備都采用異步電機，它也被廣泛地用在各種機床上和在各種輕工業(yè)中作為一般的動力裝備。在礦山上，它常用來拖動卷揚機和鼓風(fēng)機等。在農(nóng)業(yè)方面，它被用來拖動水泵和其它副產(chǎn)品加工機械。此外，它在人民日常生活中也越來越占重要地位，例如電扇，冷凍機，和各種醫(yī)療機械鐘也都采用異步電機?？傊?，異步電動機應(yīng)用范圍廣，需要量大，而且隨著電氣化自動化的發(fā)展，

6、它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的重要性也將逐步增大。與直流電機相比，交流電機有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點，但是相對欠缺的是其啟動性能和調(diào)速性能。作為調(diào)速性能，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)得到了很好的解決，所以一直處于弱勢的是其啟動性能。因為在該階段，由于啟動過程中措施不到位導(dǎo)致電流過大有可能會出現(xiàn)燒毀電機和引發(fā)電網(wǎng)故障的現(xiàn)象，所以在工程界比較重視電機的啟動問題。重點介紹啟動的不利因素，電流大、功率因數(shù)低、啟動轉(zhuǎn)矩小等第二章 三相交流異步電機運行原理及特性2.1三相交流異步電機的基本結(jié)構(gòu)三相交流異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是靜止不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的部分，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙

7、，叫空氣隙。定子由鐵芯、繞組和機座三部分組成。定子鐵芯是電機磁路的一部分，它由0.5mm的硅鋼片疊壓而成，片與片自間是絕緣的，以減少渦流損耗。硅鋼片的內(nèi)圈沖有定子槽，槽中安放繞組，鐵心被疊壓后成為一整體，固定于機座上。定子繞組是電機的電路部分，由許多線圈連接而成，每個線圈有兩個有效邊，分放在兩個槽里。三相對稱繞組ax,by,cz可連接成三角形或星形。機座主要用于固定和支撐鐵芯定子。轉(zhuǎn)子由鐵芯和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心壓裝在轉(zhuǎn)軸上，由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子鐵心也是電機磁路的一部分。異步電機轉(zhuǎn)子繞組多采用鼠籠式，它是在轉(zhuǎn)子鐵芯槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊接在兩個銅端環(huán)上組成，小型鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組多用鋁離

8、心澆注而成。異步電機的繞組除了鼠籠式還有線繞式。線繞式轉(zhuǎn)子繞與定子繞組一樣，轉(zhuǎn)子繞組一般是連接成星形的三相繞組轉(zhuǎn)子繞組組成的磁極數(shù)與定子相同，線繞式轉(zhuǎn)子通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻，用以改善啟動性能和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。三相交流鼠籠式和線繞式異步電機轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但其工作原理是相同的。2.2三相交流異步電機的工作原理直流電動機是通過一靜止的磁場與通入電樞繞組中的電流相互作用而產(chǎn)生一恒定方向上的電磁轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)動。而異步電機是通過一旋轉(zhuǎn)的磁場與感應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所產(chǎn)生的電流相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。圖2.2 三相異步電動機的工作原理定子上裝有對稱三相繞組，在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有

9、均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用銅環(huán)把他們連接成一個整體。當定子接通三項電源后，即在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了一同步速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場。磁場旋轉(zhuǎn)時將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其方向可由右手定則確定。磁場順時針方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體相對磁體為逆時針方向切割磁力線。轉(zhuǎn)子上半邊導(dǎo)體感應(yīng)電勢的方向為出來的，用表示；下半邊導(dǎo)體感應(yīng)電勢的方向為進去的，用表示。因轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，導(dǎo)體中有電流，其方向與電勢相同。載流導(dǎo)體在磁場中再受到磁力作用 ，其方向由左手定則確定。這樣，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上形成一個順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。于是 轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場順時針方向轉(zhuǎn)動。 綜上，三相異步電動機能

10、夠轉(zhuǎn)動的必備條件：一是電動機的定子必須產(chǎn)生一個在空間不斷旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，二是電動機的轉(zhuǎn)子必須是閉合導(dǎo)體。2.3三相異步電動機工作特性異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩t是由載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用而產(chǎn)生的，它使電動機旋轉(zhuǎn)，三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩t可以用電磁功率pm和同步角速度1表示，即t=pm1=3i2，2 r2，s2f1p式中, 1=2f1/p，p為極對數(shù)。根據(jù)三相交流異步電動機的簡化“”型等效電路，圖2.3.1 三相交流異步電動機的簡化“”型等效電路有i2，=u1r1+r2,s2+x1+x2,2二式可得t=3p2f1u12r2,sr1+r2,s2+x1+x2,2由于三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)子參數(shù)、

11、電源頻率f1及電源電壓u1一定時，上式即表明異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩t只與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，因此可用函數(shù)式t 表示，稱為異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性，畫出其圖象則稱為轉(zhuǎn)矩特性曲。如圖2所示：額定轉(zhuǎn)矩tn對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率即額定轉(zhuǎn)差率sn最大轉(zhuǎn)差率tm對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率即臨界轉(zhuǎn)差率sm當電動機的輸出轉(zhuǎn)矩t2用牛米(nm)作單位，旋轉(zhuǎn)角速度用弧度/秒(rad/s)作單位時，輸出功率p2的單位是瓦特。在電動機中計算轉(zhuǎn)矩時輸出功率p2的單位是千瓦(kw)，轉(zhuǎn)速n的單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，可以將計算公式簡化，在額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩公式為: tn=9550pnnn。 圖2.3.2 異步電動機的機械特性曲線如上圖三相異步電機的機械特性曲

12、線有三個特殊點，即圖中的a、b及c三點。同步運行點a 該點t=0，n=n1=60f1/p,s=0。此時電動機不進行幾點能量轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)矩點b 該點電磁轉(zhuǎn)矩為最大值tm，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為sm。當ssm時，隨t增大，s減小，n升高，機械特性曲線的斜率為正。所以最大轉(zhuǎn)矩點是三相異步電機機械特性曲線斜率改變符號的分界點。因此，稱sm為臨界轉(zhuǎn)差率。啟動點 c該點s=1，n=0，電磁轉(zhuǎn)矩為初始啟動轉(zhuǎn)矩tst。電動機在旋轉(zhuǎn)時，作用在軸上的有兩種轉(zhuǎn)矩，一種是電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩t，一種是生產(chǎn)機械作用在軸上的負載轉(zhuǎn)矩tl（其它如摩擦轉(zhuǎn)矩忽略不計），當t=tl時，電動機便以某種相應(yīng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行；當ttl時，電動機則

13、提高轉(zhuǎn)速；當ttl時，電動機將降低轉(zhuǎn)速。t-tl=jddt異步電動機的機械特性參數(shù)（1）額定轉(zhuǎn)矩 ：額定轉(zhuǎn)矩t是指電動機在額定狀態(tài)下工作時，軸上輸出的最大允許轉(zhuǎn)矩。電動機的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)電動機銘牌的額定功率和額定轉(zhuǎn)速用公式來求得。（2）最大轉(zhuǎn)矩與過載系數(shù)電動機的額定轉(zhuǎn)矩tn應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)矩tm，而且不許太接近tm，否則，電動機略一過載，電動機便停轉(zhuǎn)，因此，一般電動機的額定轉(zhuǎn)矩較最大轉(zhuǎn)矩小得多。把最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱作過載系數(shù)，它是表示電動機過載能力的一個參數(shù)。（3）啟動轉(zhuǎn)矩與啟動能力電動機的起動轉(zhuǎn)矩tst是指電動機剛啟動瞬間(n=0，s=1)的轉(zhuǎn)矩。將s=1帶入t=3p2f1u12r2,s

14、r1+r2,s2+x1+x2,2得啟動轉(zhuǎn)矩tst=3p2f1u12r2,r1+r2,2+x1+x2,2可見初始啟動轉(zhuǎn)矩tst具有以下特點：a在給定的定子頻率及三相交流異步電機參數(shù)的條件下，tst與電壓u1的平方成正比。b在一定范圍內(nèi)，增加轉(zhuǎn)子回路電阻r2，可以增大啟動轉(zhuǎn)矩tst。c當u1 、f1一定時（x1+x2）越大，tst就越大。啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比可表示起動能力，用啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)來表示，是標明異步電動機啟動性能的重要指標。空載或輕載啟動的電動機，啟動能力為11.8，一般的電動機啟動能力為1.52.4，在重負荷下啟動的電動機，要求有大的啟動轉(zhuǎn)矩，故啟動能力可達2.63。2.4三相交流異步電

15、動機啟動時的要求三相異步電機啟動應(yīng)該滿足以下基本要求1）電動機有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩; 2）一定大小啟動轉(zhuǎn)矩前提下，啟動電流越小越好; 3）啟動所需設(shè)備簡單，操作方便; 4）啟動過程中功率損耗越小越好。2.5三相交流異步電動機啟動問題電動機的啟動特性中最主要的是它的啟動轉(zhuǎn)矩。設(shè)啟動轉(zhuǎn)矩為tst，為了機組能轉(zhuǎn)動起來，必須大于拖動機械在n=0時的靜負載力矩tl加上靜摩擦阻力。圖2.5：電動機負載特性曲線上圖中曲線1表示異步機的t-s曲線，曲線2和3表示（如圖4）兩種不同的負載特性曲線，為了能轉(zhuǎn)動起來，必須要求a點在b點或c點的上面，否則機組將轉(zhuǎn)動不起來。根據(jù)力矩平衡關(guān)系可以得出，為了保證能順利加速到額

16、定轉(zhuǎn)速，在整個啟動過程中，必須保持正的加速度，也就要求電動機的電磁力矩t在整個啟動過程中大于負載的制動力矩tl。在相同的慣量下，力矩的差額越大，加速越快。慣量大得機械，起動就較慢。對于重復(fù)起動的生產(chǎn)機械來說，加速過程的時間長短對勞動生產(chǎn)率的影響是很大的。電動機起動特性的另一個問題是起動電流，在起動時電流的大小可以用等值電路來求得。異步機在額定電壓下的起動電流常大于額定電流好幾倍。起動電流太大的影響是：一方面將影響電源的電壓，太大的起動電流將產(chǎn)生較大的線路壓降，使得電源電壓在起動時下降，特別當電源容量較小時電壓降更多，可能影響電源上其它電機的運行。另一個方面，大的起動電流將在線路及電機中產(chǎn)生損耗

17、引起發(fā)熱，特別是當加速力矩較小，機組的轉(zhuǎn)動慣量j較大，起動很慢的情況下，損耗將很多而發(fā)熱也更嚴重。由上面可以看出，對電動機起動的要求是不同的，須看負載的特性，電網(wǎng)的情況等因素而定。有時要求有大的起動力矩，有時要求限制啟動電流的大小，有時兩個要求須同時滿足?？偟膩碚f，要考慮下列各問題： a.應(yīng)該有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，適當?shù)臋C械特性曲線；b.盡可能小的啟動電流；c.啟動的操作應(yīng)該很方便；所用的啟動設(shè)備應(yīng)該盡可能簡單、經(jīng)濟；啟動過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。2.6工業(yè)生產(chǎn)機械不同的啟動條件用電動機拖動的生產(chǎn)機械有不同的起動條件，有些機械在起動時負載力矩很小，隨著速度的增大力矩漸增大到額定值，這些負載的

18、例子如鼓風(fēng)機，它的負載力矩差不多和轉(zhuǎn)速的平方成正比，起動時只需克服一些靜摩擦力矩。有些機械在起動時負載力矩就和額定轉(zhuǎn)速時一樣大，這類的例子象卷揚機等起重設(shè)備。有些機械則在起動過程中負載較輕，等速度高起來以后再加上負載，例如機床等。此外，起動的頻繁程度也是需要考慮的因素。有些機械起動次數(shù)少，有些則不斷地停而又再起動。這一切因素都將電動機起動性能提出不同的要求。2.7三相交流異步電機啟動方法介紹2.7.1直接啟動直接啟動就是用閘刀開關(guān)或接觸器把電機直接接到具有額定電壓的電源上。在變壓器容量允許的情況下，三相鼠籠式異步電動機應(yīng)該盡可能采用全電壓直接起動，既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維

19、修工作量。三相交流異步電動機單向啟動控制線路常用于只需要單方向運轉(zhuǎn)的小功率電動機的控制。例如小型通風(fēng)機、水泵以及皮帶運輸機等機械設(shè)備。直接啟動方法主要受電網(wǎng)配電變壓器的容量限制，過大啟動電流可能會使電壓下降，影響在同一電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運行。一般異步電機的功率小于7.5千瓦時允許直接啟動，對于更大容量的電機能否使用要視配電變壓器的容量和各地電網(wǎng)部門而定。2.7.2軟啟動以上幾種降壓啟動的方法是有級啟動，啟動的平滑性不高，應(yīng)用一些自動控制線路組成的軟啟動器可以實現(xiàn)鼠籠式異步電機的無級平滑運動，這種方法稱為軟啟動。軟啟動分為磁控式和電子式兩種。磁控式故障率高，已被電子式取代。啟動過程電機所加的電

20、壓不是一個固定值，軟啟動裝置輸出電壓安指定要求上升，被控電機電壓由零安指定斜率上升至全電壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)由零上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速。軟啟動能保證電機在不同負載下平滑啟動，減少電機啟動對電網(wǎng)沖擊，又降低對自身承受的較大結(jié)構(gòu)沖擊力。軟啟動可以設(shè)定起始電壓、 上升方式、啟動電流倍數(shù)等參數(shù)，以適用重載、輕載啟動不同情況。2.7.3串電阻（或電抗）降壓啟動在三相交流異步電動機啟動過程中，常在三相定子電路中串接電阻（或電抗）來降低定子繞組上的電壓，使電動機在降低了的電壓下起動，以達到限制起動電流的目的。一旦電動機轉(zhuǎn)速接近額定值時，切除串聯(lián)電阻（或電抗），使電動機進入全電壓正常運行。這種線路的設(shè)計思想，通常都是采用時間

21、原則按時切除起動時串入的電阻（或電抗）以完成起動過程。在具體線路中可采用人工手動控制或時間繼電器自動控制來加以實現(xiàn)。電動機啟動時在三相定子電路中串接電阻，使電動機定子繞組電壓降低，起動后再將電阻短路，電動機仍然在正常電壓下運行。這種起動方式由于不受電動機接線形式的限制，設(shè)備簡單，因而在中小型機床中也有應(yīng)用。機床中也常用這種串接電阻的方法限制點動調(diào)整時的起動電流。串電阻起動的優(yōu)點是控制線路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，動作可靠，提高了功率因數(shù)，有利于保證電網(wǎng)質(zhì)量。但是，由于定子串電阻降壓啟動，啟動電流隨定子電壓成正比下降，而啟動轉(zhuǎn)矩則按電壓下降比例的平方倍下降。同時，每次啟動都要消耗大量的電能。因此，三相鼠

22、籠式異步電動機采用電阻降壓的啟動方法，僅適用于要求啟動平穩(wěn)的中小容量電動機以及啟動不頻繁的場合。大容量電動機多采用串電抗降壓啟動。2.7.4自耦變壓器降壓啟動在自耦變壓器降壓啟動的控制線路中，限制電動機啟動電流是依靠自耦變壓器的降壓作用來實現(xiàn)的。自耦變壓器的初級和電源相接，自耦變壓器的次級與電動機相聯(lián)。自耦變壓器的次級一般有3個抽頭，可得到3種數(shù)值不等的電壓。使用時，可根據(jù)啟動電流和起動轉(zhuǎn)矩的要求靈活選擇。電動機啟動時，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓，一旦起動完畢，自耦變壓器便被切除，電動機直接接至電源，即得到自耦變壓器的一次電壓，電動機進入全電壓運行。通常稱這種自耦變壓器為啟動補償

23、器。這一線路的設(shè)計思想和串電阻起動線路基本相同，都是按時間原則來完成電動機啟動過程的。在自耦變壓器降壓啟動過程中，啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩的比值按變比平方倍降低。在獲得同樣啟動轉(zhuǎn)矩的情況下，采用自耦變壓器降壓啟動從電網(wǎng)獲取的電流，比采用電阻降壓啟動要小得多，對電網(wǎng)電流沖擊小，功率損耗小。所以自耦變壓器被稱之為啟動補償器。換句話說，若從電網(wǎng)取得同樣大小的啟動電流，采用自耦變壓器降壓啟動會產(chǎn)生較大的啟動轉(zhuǎn)矩。這種起動方法常用于容量較大、正常運行為星形接法的電動機。其缺點是自耦變壓器價格較貴，相對電阻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且是按照非連續(xù)工作制設(shè)計制造的，故不允許頻繁操作。第三章 三相異步交流電機的星-三角啟

24、動鼠籠式異步電動機采用全壓直接啟動時，控制線路簡單，維修工作量較少。但是，并不是所有異步電動機在任何情況下都可以采用全壓啟動。這是因為異步電動機的全壓啟動電流一般可達額定電流的4-7倍。過大的啟動電流會降低電動機壽命，致使變壓器二次電壓大幅度下降，減少電動機本身的啟動轉(zhuǎn)矩，甚至使電動機根本無法啟動，還要影響同一供電網(wǎng)路中其它設(shè)備的正常工作。判斷一臺三相異步電動機能否全壓啟動，一般容量在10kw以下的三相異步電動機可直接啟動。10kw以上的三相異步電動機是否允許直接啟動，要根據(jù)電動機容量和電源變壓器容量的比值來確定。對于給定容量的三相異步電動機，一般用下面的經(jīng)驗公式來估計：ist/in（3/4電

25、源變壓器容量）/（4電動機容量）式中 ist:電動機全電壓起動電流；in:電動機額定電流。若計算結(jié)果滿足上述經(jīng)驗公式，一般可以全壓啟動，否則不予全壓啟動,應(yīng)考慮采用降壓啟動。有時，為了限制和減少啟動轉(zhuǎn)矩對機械設(shè)備的沖擊作用，允許全壓啟動的電動機，也多采用降壓啟動方式。下面分析三相異步電動機的星-三角降壓啟動。3.1星-三角啟動時的電流及電壓圖3.1 星三角啟動時的電流及電壓圖3.1中啟動時電網(wǎng)供給電動機的初始啟動電流為ist=un3zk三角形接法直接啟動時電網(wǎng)供給的電流為ikn=3unzk 因此有istikn=13,星-三角啟動時的減壓系數(shù)a=u1un=13unun=13由于電磁轉(zhuǎn)矩t=f(a

26、2)所以星三角啟動時，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩tk、最小轉(zhuǎn)矩tmin都降低為額定電壓時的1/3，與定子串電阻或電抗減壓啟動相比，在減壓系數(shù)相同且電動機初始轉(zhuǎn)矩相同的情況下，星三角啟動時電網(wǎng)供給的電流較小。星三角啟動的優(yōu)點是啟動電流小、啟動設(shè)備簡單、價格便宜、操作方便，缺點是啟動轉(zhuǎn)矩小，適合于小功率電動機空載或輕載啟動。3.2 y-降壓啟動主電路及控制電路圖3.1 星三角啟動的接線圖線路設(shè)計思想：y-降壓起動也稱為星形-三角形降壓啟動，簡稱星三角降壓啟動。這一線路的設(shè)計思想仍是按時間原則控制啟動過程。所不同的是，在啟動時將電動機定子繞組接成星形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓220v，減小了啟動電流對電網(wǎng)的影

27、響。而在其啟動后期則按預(yù)先整定的時間換接成三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源的線電壓380v，電動機進入正常運行。凡是正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動機，均可采用這種線路。定子繞組接成y-降壓起動的自動控制線路附錄所示?？梢钥吹街麟娐分杏腥M主觸點，其中接觸器km2和km3主觸點一定不能同時閉合，意味著電源將被短路。所以，控制線路的設(shè)計必須保證一個接觸器吸和時，另一個接觸器不能吸和，這就叫做互鎖。也就是說km2和km3兩個接觸器需要互鎖。通常的方法是在控制線路中解除其km2與km3線圈的支路里分別串聯(lián)對方的一個動斷輔助觸電。這樣，每個接觸器線圈能否被接通，將取決于另一個接觸器是否

28、處于釋放狀態(tài)，如解除其km2已接通，它的動斷輔助觸點八km3線圈的電路斷開，從而保證km2和km3兩個接觸器不會同時吸合。這一對動斷觸點叫做互鎖觸點。y-降壓啟動控制線路的工作原理如下：合上電源開關(guān)qs，按下起動按鈕sb2，這時，接觸器km1、km2時間繼電器kt線圈通電，解除其km1主觸點和自鎖觸點閉合。km2主觸點閉合與km2互鎖觸點斷開，電動機按y形接法啟動，經(jīng)過所整定延時時間后，時間繼電器kt的動合觸點閉合和動斷觸點斷開，使接觸器km2線圈斷電，接觸器km2主觸點斷開，電動機暫時斷電，同時接觸器km2互鎖觸點閉合，使得接觸器km3線圈通電，接觸器km3主觸點和自鎖觸點閉合，電動機改為三

29、角形連接，然后進入穩(wěn)定運行，同時接觸器km3互鎖觸點斷開，使時間繼電器kt線圈斷電。y接法的啟動的電流僅為接法的三分之一，從而限制了啟動電流，但是y接法的啟動轉(zhuǎn)矩為接法的三分之一，所以y-起動只適用空載或輕載啟動。這種方法適用在正常運行時繞組是三角接法的電機。電機定子的六個線頭都引出來，接到換接開關(guān)上。在啟動時先將定子接成星型，這時加在每相繞組上的電壓將為額定電壓的倍，待啟動完成后再改接到三角接法，加上額定電壓。3.3電機的參數(shù)3.3.1 y系列（ip44）基本簡介y系列（ip44）是供一般用途的籠型三相異步電動機，它是總結(jié)多年生產(chǎn)經(jīng)驗的全國統(tǒng)一設(shè)計的系列電動機。具有效率高、耗電少、性能好、噪

30、聲低、振動小、體積小、重量輕、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。該種三相異步電動機廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和工礦企業(yè)驅(qū)動對轉(zhuǎn)差率及其它性能無特殊要求的機械，如水泵。鼓風(fēng)機、運輸機械、農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、金屬切削機床、攪拌機、碾米機、磨粉機等。由于電動機具有較好的啟動性能，因此，也適用于某些對啟動轉(zhuǎn)矩有較高要求的機械，如某些壓縮機等。電動機的絕緣等級采用b級絕緣，外殼防護等級為ip44，冷卻方式為ic0141。該電動機在環(huán)境溫度不超過40，海拔不超過1000m時，定子繞組用電阻法測量溫升不超過80。3.3.2結(jié)構(gòu)簡介：y系列（ip44）電動機定子鐵心嵌完繞組后經(jīng)浸漆外理成為一個完整的整體，從而保證了繞組及絕緣具有

31、良好的機械性能、電氣特性及熱穩(wěn)定性。電動機的轉(zhuǎn)子采用冷壓或熱套工藝，將鑄鋁轉(zhuǎn)子固定在軸上，經(jīng)校驗動平衡而保證電動機振動低到規(guī)定的限值內(nèi)。電動機接線盒內(nèi)有較大的空腔，便于接線，出線口有鎖緊裝置，能適應(yīng)多種電源線的安裝，并可根據(jù)需要， 在與電動機軸線平行或垂直四個方向任意出線。電動機的風(fēng)扇采用鍵配合，運行可靠，風(fēng)罩由薄鋼板拉伸后沖孔制成，電動機的風(fēng)罩外形美觀，剛性好，能滿足外殼防護等級（ip44）的要求。電動機h160mm中心高以下采用全封閉軸承。y（ip44）h80132mm中心高電動機的軸伸端軸承室內(nèi)放有一個波形的彈簧片，以減少軸承的摩擦損耗，軸向竄動及對軸承施加軸向預(yù)壓力，從而提高軸承壽命，

32、減少電動運行中的振動和噪聲。電動機的非軸伸端采用軸承內(nèi)蓋，夾緊軸承，以使波形彈簧片不致于因為立式安裝及起動時所引起的軸向壓力而損壞。型號含義：y 180 l 4籠型異步電機中心高（mm） 級數(shù)（4級電動機） 機座長度代號（s短m中l(wèi)長）3.4完成啟動過程涉及的計算同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的主要技術(shù)參數(shù)如下表22kw的電機，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比為2.0，堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比為7.0y180l-4: 額定功率pn為22kw 額定轉(zhuǎn)速nn為1470r/min 效率n為91.5% 功率因數(shù)cos為0.86in=pn3uncos=220001.7323800.86=38.867an=pnp1=0

33、.915則，p1=24.044kw啟動時，由于加在電機各相繞組的相電壓=線電壓/3=220v,又由于線電流=相電流ist=in3=38.8673=22.44a實際啟動電流=22.447=157.079a切換成三角時的額定轉(zhuǎn)矩為9550pnnn=9550221470=142.925nm滿壓啟動轉(zhuǎn)矩=142.25922=3129.698nm星型接時的啟動轉(zhuǎn)矩3129.6983=1043.233nm，空載啟動時間的計算同步轉(zhuǎn)速nn=1500r/min額定轉(zhuǎn)差率：sn=n1-nnn1=1500-14701500=0.02臨界轉(zhuǎn)差率：sm=snm+m2-1=0.022.0+2.02-1=0.0746滿載

34、啟動轉(zhuǎn)矩：tm=mtn=2.0142.925=285.85nm當負載轉(zhuǎn)矩tn=0時,異步電機運行在理想空載狀態(tài)，這時拖動系統(tǒng)的運行方程式為t=gd2dn375dt考慮到，n=n1（1-s），dndt=-n1dsdt可得2tmsms+ssm=-gd2n1ds375dtdt=-gd2n1375tm12sms+ssmds=-tm12(sms+ssm)ds式中tm=gd2n1375tm=6.321500375285.85=9480107193.75=0.0884，為異步電機拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)將上式兩邊積分得出啟動時間t=0tdt=-12gd2n1375tmsisxsms+ssmds=tm2si2-

35、sx22sm+smlnsisx=tm212-0.0522sm+smln10.05=tm14sm+1.5sm=0.884140.0746+1.50.0746=0.306s=306（ms）第四章 接觸器及主要器件的選型4.1交流接觸器的選項4.1.1交流接觸器的結(jié)構(gòu)特性和工作原理交流接觸器主要有四部分組成:(1)電磁系統(tǒng),包括吸引線圈、動鐵芯和靜鐵芯；(2)觸頭系統(tǒng),包括三副主觸頭和兩個常開、兩個常閉輔助觸頭,它和動鐵芯是連在一起互相聯(lián)動的；(3)滅弧裝置,一般容量較大的交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置,以便迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭；(4)絕緣外殼及附件,各種彈簧、傳動機構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。其工作原

36、理為當線圈通電時,靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力,將動鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行,觸點閉合,從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失,動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。起到遠距離的開斷和控制作用。4.1.2 cj20系列交流接觸器適用范圍主要用于交流50hz、額定電壓至690v(個別等級能至1140v)、電流至630a的電力線路中供遠距離接通和分斷電路以及頻繁起動和控制交流電動機，并適宜于與熱繼電器或電子保護裝置組成電磁起動器，以保護電路或交流電動機可能發(fā)生的過負荷及斷相。型號及其含義結(jié)構(gòu)特征cj20系列交流接觸器為直動式、雙斷點、立

37、體布置，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，外形安裝尺寸較cj10、cj8等系列接觸器老產(chǎn)品大大縮小。cj20-10cj20-25接觸器為不帶滅弧罩的三層二段式結(jié)構(gòu)，上段為熱固性塑料軀殼固定著輔助觸頭、主觸頭及滅弧系統(tǒng)，下段熱塑性塑料底座安裝電磁系統(tǒng)及緩沖裝置，底座上除有使用螺釘固定的安裝孔外，下部還裝有卡軌安裝用的鎖扣，可安裝于iec標準規(guī)定的35mm寬帽形安裝軌上，拆裝方便。cj20-40及以上的接觸器為兩層布置正裝式結(jié)構(gòu)，主觸頭和滅弧室在上，電磁系統(tǒng)在下，兩只獨立的輔助觸頭組件布置在軀殼兩側(cè)。cj20-40用膠木軀殼，cj20-63cj20-630用鋁底座。觸頭滅弧系統(tǒng)：全系列不同容量等級的接觸器采用不同的滅

38、弧結(jié)構(gòu)。cj20-40及以上用銀基氧化物觸頭。電磁系統(tǒng)：cj20-40及以下接觸器用雙e形鐵心，迎擊式緩沖；cj20-63及以上用u形鐵心，硅橡膠緩沖。主要技術(shù)參數(shù)1.cj20系列交流接觸器符合gb14048.4-2003、eqviec60947-4-1標準要求。2.ac-3電壽命：cj20-10、16、25、40為100萬次，cj20-63、100、160為120萬次，cj20-250、400、630為60萬次。3.機械壽命：cj20-10、16、25、40、63、100、160為1000萬次，cj20-250、400、630為600萬次。外形及安裝尺寸4.2熱繼電器選型適用范圍：熱繼電器主

39、要適用于交流50hz,主電路額定絕緣電壓至660v,電流至160a電力系統(tǒng)中作為三相交流電動機的過載、斷相保護。符合標準：gb14048.4、jb8627型號及其含義結(jié)構(gòu)特征jr20熱繼電器的結(jié)構(gòu)采用立體布置式(又稱“二層式”)結(jié)構(gòu)。熱繼電器為二層式，采用拉簧式跳躍動作機構(gòu)，可以獲得良好的瞬間跳躍特性，除具有過載保護、斷相保護、溫度補償以及手動和自動復(fù)位功能除外，還具有動作脫扣靈活性、動作脫扣指示以及斷開檢驗按鈕等功能裝置，熱繼電器通過專用的導(dǎo)電板可安裝在相應(yīng)電流等級的交流接觸器上。由于設(shè)計時充分考慮了cj20交流接觸器各電流等級的相間距離，接線高度及外形尺寸。因此可與cj20很方便地配套安裝

40、?？梢酝ㄟ^電流調(diào)整旋鈕調(diào)整熱繼電器的整定電流值。電流調(diào)節(jié)旋鈕采用“二點定位”固定方式，消除了在旋動電流調(diào)節(jié)旋鈕時所引起的熱繼電器動作性能多變的弊端。動作靈活檢查機構(gòu)實現(xiàn)不打開蓋板，不通電就可方便地檢查熱繼電器內(nèi)部的動作情況，動作指示器可清晰地顯示出熱繼電器動作與否。按動檢驗按鈕，斷開常閉觸頭，即可檢查通電后控制回路的動作情況。當主電路中電動機過載或斷相時，熱繼電器動作，同時動作脫扣指示件彈出顯示熱繼電器已動作。熱繼電器可手動復(fù)位，也可自動復(fù)位，復(fù)位后，熱繼電器即可再次投入工作。主要技術(shù)參數(shù)外形及安裝尺寸.4.3 js20晶體管時間繼電器適用范圍適用于交流50hz、電壓380v及以下和直流220

41、v及以下的控制電路中，按預(yù)定的時間接通或斷開電路，且具有體積小、重量輕、精度高、壽命長、通用性強等優(yōu)點。型號及含義js20繼電器的一些常見的型號有：js20/01 js20/02 js20/03主要技術(shù)參數(shù)：1.電源電壓：ac50hz、36v、110v、127v、220v、380v；dc24v、27v、30v、36v、110v、220v(其它電壓可定制)，動作電壓為85%110%額定控制電源電壓；2.觸頭電壽命：交流10萬次，直流6萬次；3.機械壽命：60萬次；4.使用環(huán)境：-5+40。外形及安裝尺寸1、2為控制電源，7、5為輸出常閉觸點，7、6為輸出常開觸點，y型3、4為外接電位器。4.4

42、rl1螺旋式熔斷器適用范圍：rl1系列螺旋式熔斷器適用于交流50hz、額定電壓至400v、或直流440v、額定電流至200a電路中，作電氣設(shè)備短路或過載保護之用。型號及含義一些常見的rl1系列熔斷器型號有：螺旋式熔斷器 rl1-100 80a rl1-60 60a rl1-60 40a rl1-60 35a螺旋式熔斷器 rl1-60 30a rl1-60 25a rl1-15 6a rl1-15 4a rl1-200 200arl1-200 150a rl1-200 100a rl1-15 8a rl1-15 5a rl1-15 3a rl1-15 1arl1200 rl1-15 2a rl1

43、-100 60a rl1-60 20a rl160主要技術(shù)參數(shù)1.熔斷器的額定電流和額定分斷能力型號額定電流熔斷體額定電流額定分段能力ka交流直流400vcos440vt(ms)rl1-15152、4、5、6、10、15250.3551020rl1-606020、25、30、35、40、50、60250.355rl1-10010060、80、100500.2510rl1-200200100、120、150、200500.2510外形及安裝尺寸rl1-15、60、100、200外型rl1-15安裝孔 rl1-60、100、200安裝孔綜上所述再根據(jù)本設(shè)計的啟動電流和啟動時間配備如下器件交流接觸器

44、-cj 20-160熱繼電器-jr 20-160時間繼電器-js20-5/01熔斷器-rl1-200第五章 用plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動5.1 plc的基本結(jié)構(gòu)plc實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：a、電源 plc的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此plc的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將plc直接連接到交流電網(wǎng)上去 b. 中央處理單元(cpu) 中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予

45、的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。c、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 d、輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電

46、路：由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是plc與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 現(xiàn)場輸出接口電路：由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用plc通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 e、功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊 5.2采用plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動的必要性在分析機電式y(tǒng)-啟動特性的基礎(chǔ)上，由于大量接觸器的使用可能導(dǎo)致可靠性較差，基于傳統(tǒng)接觸器的控制電路在消除接觸器斷線不能正常啟動、啟動時形成的弧光短路等故障時有一定的困難，將plc應(yīng)用到以上控制電路中，將使繼電器在繼電器控制電路中存在的問題迎刃而解。如圖5圖5 主電路及控制線路5.3基于plc實現(xiàn)

47、三相交流異步電動機啟動方案一按照三相異步電動機控制原理圖接線，圖中qs為空氣開關(guān)，當km1、km3主觸點閉合時，電動機星形連接；當km1、km2主觸點閉合時，電動機三角形連接。設(shè)計一個三相異步電動機星-三角降壓啟動控制程序，要求合上qs按下啟動按鈕sb2后，電動機以星形連接啟動，開始轉(zhuǎn)動1s后，km3斷電，星形啟動結(jié)束。km2接觸器線圈得電，電動機按照三角形連接轉(zhuǎn)動?？紤]過載保護。（1） plc接線圖按照圖完成plc的接線。圖中輸入端24v電源可以利用plc提供的直流電源，也可以根據(jù)功率單獨提供電源。另外若plc的輸入端為繼電器輸入，也可以用220v交流電源。圖中， plc輸出端保留星形和三角

48、形接觸器線圈的硬互鎖環(huán)節(jié)，程序中也要另設(shè)軟互鎖。（2） 程序設(shè)計圖5.1.1 plc接線圖 圖5.1.2 三相交流異步電動機星-三角降壓啟動梯形圖圖為電動機星-三角降壓啟動控制的梯形圖。在接線圖將啟動按鈕sb2的動合觸點x0、停止按鈕sb1的動斷觸點x2及熱繼電器fr的動斷觸點x1串聯(lián)。在正常情況下，按下啟動按鈕后，y0導(dǎo)通，km1主觸點動作，并完成對y0的自鎖。y0導(dǎo)通，其動合觸點閉合，程序第2行中，后面的動斷觸點處于閉合狀態(tài)，從而使t0導(dǎo)通，且接觸器km3主觸點閉合，電機星形啟動。當t0計時1s后，使y2斷開，即星形啟動結(jié)束。該行中的y1動斷觸點其互鎖作用，保證若已進入三角形全壓啟動時，接

49、觸器km3成斷開狀態(tài)。程序第3行使y1導(dǎo)通，km2主觸點動作，電機呈三角形全壓啟動。這里的y2動斷觸點也起到軟互鎖作用。由于y1導(dǎo)通使t0失電，因此，程序中用y2的動斷觸點對y1自鎖。按下停止按鈕，y0失電，從而使在任何時候，只要按停止按鈕，電機就停轉(zhuǎn)。（3）運行并調(diào)制程序 a.將梯形圖程序輸入到計算機。 b.下載程序到plc，并對程序進行調(diào)試運行。 觀察電機在程序控制下能否實現(xiàn)自動星-三角降壓啟動。 c.調(diào)試運行并記錄調(diào)試結(jié)果。5.4基于plc實現(xiàn)三相交流異步電動機啟動方案二按照三相異步電動機控制原理圖接線，圖中qs為空氣開關(guān)，當km1、km3主觸點閉合時，電動機星形連接；當km1、km2主觸點閉合時，電動機三角形連接。設(shè)計一個三相異步電動機星-三角降壓啟動控制程序，要求合上qs按下啟動按鈕sb2后，電動機以星形連接啟動，開始轉(zhuǎn)動1s后，km3斷電，星形啟動結(jié)束。為了有效防止電弧短路，要延時300ms后，km2接觸器線圈得電，電動機按照三角形連接轉(zhuǎn)動。（1）plc接線圖按照圖完成plc的接線。圖中輸入端24v電源