電機課程設計--異步電動機調速（變頻）設計

1、<p>　　《電機與拖動》課程設計 </p><p>　　設 計 題 目： 異步電動機調速（變頻） </p><p>　　院（系、部）： </p><p>　　專 業(yè) 班 級： </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　日 期： 2014.7.1 </p><p>&

3、lt;b>　　摘要 </b></p><p>　　現(xiàn)在流行的異步電動機的調速方法可分為兩種：變頻調速和變壓調速，其中異步電動機的變頻調速應用較多，它的調速方法可分為兩種：變頻變壓調速和矢量控制法，前者的控制方法相對簡單，有二十多年的發(fā)展經驗。因此應用的比較多，目前市場上出售的變頻器多數(shù)都是采用這種控制方法。 </p><p>　　關鍵詞: 交

4、流調速系統(tǒng)；異步電動機</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　綜述……………………………………………………………………1</p><p>　　1.三相異步電動機的原理 ……………………………………………2</p><p>　　1.1電動機的結構及原理 ……………………………………………2</

5、p><p>　　1.1.1結構……………………………………………………………2</p><p>　　1.1.2工作原理…………………………………………………………4</p><p>　　2.異步電動機的機械特性 ……………………………………………4</p><p>　　2.1 固有機械特性……………………………………………………4</p&g

6、t;<p>　　2.1.1額定狀態(tài)（N點）…………………………………………………5</p><p>　　2.1.2臨界狀態(tài)（M 點）…………………………………………………5</p><p>　　2.1.3堵轉狀態(tài)（S 點）…………………………………………………5</p><p>　　3.電動機的調速指標…………………………………………………5</

7、p><p>　　4.異步電動機的調速方法與比較………………………………………6</p><p>　　5.異步機的變頻調速…………………………………………………7</p><p>　　5.1 f1＜ fN時，要保持=常數(shù)………………………………………8</p><p>　　5.2 f1＞fN時，要保持U1=UN常數(shù)…………………………………9<

8、;/p><p>　　6.變頻器原理及基本構成 ……………………………………………10</p><p>　　7.具體調速的設計………………………………………………11</p><p>　　心得體會………………………………………………………………13</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………14</p>

9、<p><b>　　綜述</b></p><p>　　近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以

10、其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。深入了解交流傳動與控制技術的走向，具有十分積極的意義 </p><p>　　1.三相異步電動機的原理</p><p>　　1.1電動機的結構及原理</p><p><b>　　1.1.1結構</b></p>

11、<p>　　三相異步電動機的種類很多，可是三相異步電動機結構基本是相同的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件。</p><p><b>　　結構如下圖：</b></p><p>　　圖1-1 封閉式三相籠型異步電動機結構圖</p><p>　　1—軸承；2

12、—前端蓋；3—轉軸；4—接線盒；5—吊環(huán)；6—定子鐵心；</p><p>　　7—轉子；8—定子繞組；9—機座；10—后端蓋；11—風罩；12—風扇</p><p><b>　　(1)定子</b></p><p>　　定子鐵芯:導磁和嵌放定子三相繞組:0.5mm硅鋼片沖制涂漆疊壓而成;內圓均勻開槽;槽形有半閉口、半開口和開口槽三種：適用于不同電

13、機。</p><p>　　定子繞組：定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產生旋轉磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心

14、槽內。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1, V1, W1 ，末端分別標為U2, V2, W2 。這六個出線端在接線盒里的排列如圖4.3所示，可以接成星形或三角形。 </p><p>　?。╝）星形連接 （b）三角形連接</p><p>　　圖1-2 定子繞組的聯(lián)結</p><p>　　機座：支撐和固定作用

15、;鑄鐵或鋼板焊接。 </p><p><b>　　(2)轉子</b></p><p><b>　?、俎D子鐵心</b></p><p>　　轉子鐵心是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉子繞組。</p><p

16、><b>　?、谵D子繞組</b></p><p><b>　　一般多為以下兩種：</b></p><p>　　銅排轉子 鑄鋁轉子 </p><p><b>　　1.1.2工作原理</b></p><p&

17、gt;　　三相異步電動機的工作原理可以簡述如下：定子三項電壓U1產生定子三相電流I1，三項電流通過定子三相繞組產生旋轉磁場，由于轉子與旋轉磁場存在相對運動，在轉子繞組中產生了感應電動勢E2.由于轉子繞組是閉合的，因而產生了感應電流I2，I2與旋轉磁場相互作用產生了電磁轉矩T，從而使轉子拖動生產機械以轉速n運轉。這一工作過程可以表示成下圖：</p><p>　　圖1-3 三相異步電動機的工作原理圖</p>

18、;<p>　　2.異步電動機的機械特性</p><p>　　2.1 固有機械特性</p><p>　　當U1、f1、R2和X2都保持不變時，三相異步電動機的T與s之間的關系T=f（s）稱為轉子特性，n與T的關系n=f(T)稱為機械特性。當定子電壓和頻率都保持為額定值，當轉子電路中不另外串聯(lián)電阻電抗，這時的轉矩特性和機械特性統(tǒng)稱為固有特性；否則稱為人為特性。固有特性上的N、M、

19、S三個特殊的工作點代表了三相異步電動機的三個工作狀態(tài)。</p><p>　　2.1.1額定狀態(tài)（N點）</p><p>　　額定狀態(tài)是指各個物理量都等于額定值的狀態(tài)。</p><p>　　N點： n = nN ， s = sN ，</p><p>　　T = TN ，P2 = PN。</p><p>　　額定狀態(tài)說明了

20、電動機長期運行的能力</p><p>　　2.1.2臨界狀態(tài)（M 點）</p><p>　　對應 s = sM，T = TM 的狀態(tài)</p><p>　　臨界狀態(tài)明了電動機的 短時過載能力。</p><p>　　Y系列的三相異步電動機αMT =2—2.2</p><p>　　2.1.3堵轉狀態(tài)（ S 點）</p&

21、gt;<p>　　對應 s = 1，n = 0 的狀態(tài) —— 又稱為起動狀態(tài)。</p><p>　　堵轉狀態(tài)說明了電動機直接起動的能力。</p><p>　　起動條件為TS > (1.1 ~1.2)TL。和IS＜允許值。</p><p>　　Y 系列三相異步電動機 </p><p>　　啟動轉矩倍數(shù) ST = 1

22、.6 ~ 2.2 </p><p>　　起動電流倍數(shù) SC = 5.5 ~ 7.0</p><p>　　3.電動機的調速指標</p><p>　　調速就是在一定的負載下，根據(jù)生產的需要人為的改變電動機的轉速。這是生產機械經常向電動機提出的要求。調速性能的好壞往往影響到生產機械的工作效率和生產質量。</p><p><b>　

23、　調速范圍</b></p><p>　　電動機在滿載（電流為額定值）情況下所能得到的最高轉速和最低轉速之比稱為調速范圍，用D表示，即D=nmax：nnin</p><p><b>　　調速方向</b></p><p>　　調速方向指調速后的轉速比原來的額定轉速（基本轉速）高還是低。若比基本轉速高，稱為往上調，比基本轉速低，稱為往下調

24、。</p><p><b>　　調速的平滑性</b></p><p>　　調速的平滑性由一定調速范圍內能達到的轉速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉速的差值越小，平滑性越好。如果轉速只能跳躍式地調節(jié)，例如只能從3000r/min一下調節(jié)到500r/min，再又調節(jié)到1000r/min等，兩者中間的轉速無法得到，這種調速稱為有級調速。如果在一定的調速范圍內的任何轉速都可以得

25、到則稱為無級調速。無級調速的平滑性當然比有級調速好。</p><p>　　平滑的程度可以用相鄰兩轉速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)。即</p><p><b>　　σ=ni/ni-1</b></p><p>　　σ越接近于1，平滑性越好。無級調速時σ=1，平滑性最好。</p><p><b>　　調速的穩(wěn)定性<

26、/b></p><p>　　調速的穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉速下運行時，負載變化而引起轉速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：在某一機械特性運行時，電動機由理想空載到滿載時的轉速差與理想空載轉速之百分比，即</p><p>　　δ=（n0-nf）/n0*100%</p><p>　　δ越小，穩(wěn)定性越好。</p><p>　　靜

27、差率與機械特性的硬度有關。機械特性的硬度的定義為</p><p>　　α=|dT/dn|≈ΔT／Δn</p><p>　　α越大，轉矩變化時，n變化的程度就越小，機械特性就越硬，靜差率δ就越小，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉速n0的大小有關。</p><p>　　生產機械在調速時，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。</p><p&g

28、t;　　靜差率還會對調速范圍起到制約的作用，因為如果調速時所得到的最低轉速下的δ太大，則該轉速的穩(wěn)定性太差，邊難以滿足生產機械的要求。</p><p><b>　　⑸調速的經濟性</b></p><p>　　這要由調速時的初期投資，調速后的電能消耗以及各種運行費用的多少來說明。</p><p><b>　　⑹調速時允許負載</b

29、></p><p>　　電動機在各種不同轉速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調速方法稱為恒功率調速；如果允許輸出的轉矩相同，則這種調速方法稱為恒轉矩調速。對于三相異步電動機來說，</p><p>　　n=（1-s）n0=（1-s）*60f1/p</p><p>　　所以三相異步電動機的調速方法課分為兩大類：一類是通過改變同步轉速n0來改變轉速n，具

30、體方法有變極調速（改變p）和變頻調速（改變f1）；另一類是通過改變轉差率s來實現(xiàn)調速，這就需要讓電動機從固有特性上運行改為人為特性上運行。</p><p>　　4.異步電動機的調速方法與比較</p><p>　　根據(jù)異步電動機的轉速公式： 可以把異步電動機的調速方法分為如下三類： </p><p>　?。?）變頻調速：改變電源頻率f1 ； </p>&

31、lt;p>　　（2）變極調速：改變電機極對數(shù)p ； </p><p>　?。?）變轉差調速：改變電機的轉差率 ； </p><p>　　變極調速只能實現(xiàn)有級調速，并且電機結構會變得復雜，一般實現(xiàn)三級變極調速已經是相當困難，因此不是異步電機最好的調速方式。變轉差調速目前比較流行也比較易于實現(xiàn)的方案是調壓調速和串電阻調速，這兩種方法屬于轉差功率損耗型調速，從異步電機能量傳遞分析可知，轉差

32、率s增大（轉速降低），轉差功率會大大增加，電機損耗也會大大增加，因此也不是最經濟的調速方式。變頻調速可以做到不改變電機性能，實現(xiàn)無級調速，并且在各種調速方法中效率最高，因此被視為可以與直流電機調速相媲美的最有前途的調速方式。其缺點是變頻裝置造價過高，這一問題也會隨著電力電子技術的發(fā)展得到解決。</p><p>　　本次課程設計研究變頻調速。</p><p>　　5.異步機的變頻調速<

33、/p><p>　　改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉速，從而改變轉速。如果頻率連續(xù)可調，則可平滑的調節(jié)轉速，此為變頻調速原理。</p><p>　　三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為</p><p>　　式中為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。</p>

34、;<p>　　如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調速和基頻以上調速兩種情況。</p><p>　　5.1 f1＜ fN時，要保持=常數(shù)</p><p>&l

35、t;b>　?。╝）f1＜fN</b></p><p>　　為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持為常數(shù)，使氣每極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比例的配合調節(jié)。這時，電動機的電</p><p><b>　　磁轉矩為</b></p><p>　　上式對求導，即 ，有最大轉矩和臨界轉差率為</p><p&g

36、t;　　由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較小；相對變大，則隨著的降低，就減小了。顯然，當降低時，最大轉矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調速時的機械特征如圖1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調速。</p><p>　　5.2 f1＞fN時，要保持U1=UN常數(shù)</p><p><b>　?。╞）f1＞fN</b>&l

37、t;/p><p>　　在基頻以上變頻調速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于它勵電動機弱磁調速。</p><p>　　保持=常數(shù),升高頻率時，電動機的電磁轉矩為</p><p>　　上式求，得最大轉矩和臨界轉差率為</p><p>　　由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)?l

38、t;/p><p>　　因此，頻率越高時，越小，也越小。保持 為常數(shù)，升高頻率調速時的機械特性如圖（b）所示。</p><p>　　變頻調速的主要性能如下：</p><p>　　調速方向既可往上調，也可往下調。</p><p>　　平滑性好，可實現(xiàn)無級調速。</p><p>　　調速的穩(wěn)定性好，機械特性的工作段基本平行，硬度

39、大，靜差率小。</p><p><b>　　調速范圍廣。</b></p><p>　　調速的經濟性方面，初期投資大，需要專用的變頻裝置。但運行費用不大。</p><p>　　調速時的允許伏在分析如下：</p><p>　　f1＜fN時為恒轉矩調速</p><p>　　由于f1＜fN時，=常數(shù)，Φm

40、基本不變，因此各種轉速下的滿載轉矩T=CTΦmI2Ncosψ2基本不變。</p><p>　　f1＞fN時為恒功率調速</p><p>　　由于f1＞fN時，U1=常數(shù)，在各種轉速下的滿載轉矩T=CTΦmI2Ncosψ2基本上與轉速n成反比，兩者的乘積基本不變，允許的輸出功率基本不變。</p><p>　　變頻調速從調速范圍、平滑性、調速前后電動機的主要性能和節(jié)能效

41、果等方面來看都很好，但需要專門的變頻電源，故該設計還用到變頻器。</p><p>　　6.變頻器原理及基本構成 </p><p>　　變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關.變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調頻率的裝置.使頻率在一定范圍內可調.用來控制電機的轉數(shù).使轉數(shù)在一定的范圍內可調.變頻器廣泛用于交流電機的調速中.變

42、頻調速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。</p><p>　　感應電動機常用的變頻器是交-直-交變頻器它先把工頻交流電源的電壓通過整流器變成直流電壓，然后由逆變器把直流變換成頻率可變的交流電壓輸出，如下圖：</p><p><b>　　7-

43、1變頻器主電路</b></p><p><b>　　7.具體調速的設計</b></p><p>　　已知PN=36000W，n0=3000r/min, nN=2950r/min, αMT=2.1</p><p><b>　　由額定值可求得</b></p><p>　　所以，頻率為50Hz

44、，U1=UN時帶動負載的轉速為：</p><p>　　由于f1增加，U1不變時，TM與f12成反比，sM與f1成反比，而</p><p>　　可求得改變頻率后的轉速</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢應用

45、變頻調速技術也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出的設備較多的企業(yè)，采用變頻調速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的需要。 在畢業(yè)設計這段時間中,通過多次的修改，終于圓滿完成了此次設計。</p><p>　　在設計過程中，不僅僅是需要這一課題的有關知識，而是需要有關電機的很多知識，在設計中對這些知識的綜合運用，無疑是電機學知識的一次新的，具體的，全方面的理

46、解與應用，加深了我對這門課程的理解，還從中學會了很多在課堂上所學不到的知識和能力，使我所學的知識得到了一次升華。</p><p>　　對課題的設計中，需要翻閱很多資料，并且上網收集相關的圖片信息，并將其進行歸納整理，提取有用的材料進行課程設計，這個過程培養(yǎng)了我動手能力、獨立思考操作能力和對信息的綜合分析的素質，對我今后的學習生活有很大的幫助。課設也是同學們的共同合作完成，課程設計為我們提供了一個大家一起學習討論問

47、題，解決問題的平臺，增進了同學之間的友誼，拉近了大家的距離。</p><p>　　總之，這次的課程設計我從中學到的不僅是學習方面的知識，更有個人能力上的重大提高，使我受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]湯蘊璆.電機學[M].第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p&

48、gt;　　[2]胡敏強.電機學[M].第2版.北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　[3]顧繩谷.電機及拖動基礎[M].第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[4]唐 介.電機與拖動[M].第2版.北京：高等教育出版社2003</p><p>　　[5]劉啟新.電機與拖動基礎[M].第3版.北京：中國電力出版社2005</