异步电动机调速(变频)课程设计

1、辽宁工程技术大学电机学课程设计1. 选题背景异步电机具有结构简单可靠，维护少，成本低，容量大的优点，所以在其出现后不久的时间内，几乎取代了所有的不变速直流电机成为最主要的拖动装置。然而在相当长的一段时期内，异步电动机无法撼动直流电机在可控制可调速拖动领域的地位。异步电机的调速一直是电机学研究的课题，实现异步电机像直流电机一样具有宽广平滑的调速性能，最终发挥其优势，取代结构复杂的直流电机是研究异步电机调速课题的目标。随着电力电子技术的迅速发展，变频调速被视为交流电机最有前途的调速方式。本课程设计就是在这样的背景下，试图从一个很细微的方面来研究和了解异步电动机的变频调速原理并对设计结果进行分析,希

2、望对今后的学习和工作有一定的启发和帮助。 2.三相异步电动机的原理2.1电动机的结构及原理2.1.1结构三相异步电动机的种类很多，可是三相异步电动机结构基本是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。 结构如下图： 图2-1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇(1)定子定子铁芯:导磁和嵌放定子三相绕组:0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成;内圆均匀开槽;槽形有半闭口、半开口和开口槽三种：适用于不同电机。定子绕

3、组：定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1, V1, W1 ，末端分别标为U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图4.3所示，可以接成星形或三角形。 （a）星形连接 （b）三角形连接 图2-2

4、 定子绕组的联结机座：支撑和固定作用;铸铁或钢板焊接。 (2)转子转子铁心转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。转子绕组一般多为以下两种：铜排转子 铸铝转子 2.1.2工作原理三相异步电动机的工作原理可以简述如下：定子三项电压U1产生定子三相电流I1，三项电流通过定子三相绕组产生旋转磁场，由于转子与旋转磁场存在相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势E2.由于转子绕组是闭合的，因而产生了感应电流I2，I2与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩T，从而使转子拖动生产机械以转速n运转。这一工作过程可以表示成下图：图2

5、-3 三相异步电动机的工作原理图3.异步电动机的机械特性3.1 固有机械特性 当U1、f1、R2和X2都保持不变时，三相异步电动机的T与s之间的关系T=f（s）称为转子特性，n与T的关系n=f(T)称为机械特性。当定子电压和频率都保持为额定值，当转子电路中不另外串联电阻电抗，这时的转矩特性和机械特性统称为固有特性；否则称为人为特性。固有特性上的N、M、S三个特殊的工作点代表了三相异步电动机的三个工作状态。（1） 额定状态（N点） 额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。N点： n = nN ， s = sN ， T = TN ，P2 = PN。额定状态说明了电动机长期运行的能力（2） 临界状

6、态（M 点）对应 s = sM，T = TM 的状态临界状态明了电动机的 短时过载能力。Y系列的三相异步电动机MT =22.2（3） 堵转状态（ S 点）对应 s = 1，n = 0 的状态 又称为起动状态。堵转状态说明了电动机直接起动的能力。起动条件为TS (1.1 1.2)TL。和IS允许值。Y 系列三相异步电动机 启动转矩倍数 ST = 1.6 2.2 起动电流倍数 SC = 5.5 7.04.电动机的调速指标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生产质量。（1）调速范围电动机在满载（

7、电流为额定值）情况下所能得到的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用D表示，即D=nmax：nnin（2）调速方向调速方向指调速后的转速比原来的额定转速（基本转速）高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。（3）调速的平滑性调速的平滑性由一定调速范围内能达到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式地调节，例如只能从3000r/min一下调节到500r/min，再又调节到1000r/min等，两者中间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然比有级调速好。平滑的

8、程度可以用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数。即=ni/ni-1 越接近于1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。（4）调速的稳定性调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：在某一机械特性运行时，电动机由理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之百分比，即 =（n0-nf）/n0*100% 越小，稳定性越好。静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为=|dT/dn|Tn越大，转矩变化时，n变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速n0的大小有关。生产机械在调速时，为保持一定的稳

9、定性会对静差率提出一定的要求。 静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的太大，则该转速的稳定性太差，边难以满足生产机械的要求。调速的经济性这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。调速时允许负载电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速方法称为恒转矩调速。对于三相异步电动机来说，n=（1-s）n0=（1-s）*60f1/p所以三相异步电动机的调速方法课分为两大类：一类是通过改变同步转速n0来改变转速n，具体方法有变极调速（改变p）和变频调速（改变f1）；另一

10、类是通过改变转差率s来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行。5.异步电动机的调速方法与比较根据异步电动机的转速公式： 可以把异步电动机的调速方法分为如下三类： （1）变频调速：改变电源频率f1 ； （2）变极调速：改变电机极对数p ； （3）变转差调速：改变电机的转差率 ； 变极调速只能实现有级调速，并且电机结构会变得复杂，一般实现三级变极调速已经是相当困难，因此不是异步电机最好的调速方式。变转差调速目前比较流行也比较易于实现的方案是调压调速和串电阻调速，这两种方法属于转差功率损耗型调速，从异步电机能量传递分析可知，转差率s增大（转速降低），转差功率会大大增加，电机损耗

11、也会大大增加，因此也不是最经济的调速方式。变频调速可以做到不改变电机性能，实现无级调速，并且在各种调速方法中效率最高，因此被视为可以与直流电机调速相媲美的最有前途的调速方式。其缺点是变频装置造价过高，这一问题也会随着电力电子技术的发展得到解决。本次课程设计研究变频调速。6.异步机的变频调速改变异步电动机定子绕组供电电源的频率，可以改变同步转速，从而改变转速。如果频率连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。 三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为 式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数，为每极气隙磁通量。如果改变频率，

12、且保持定子电源电压不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调速和基频以上调速两种情况。6.1 f1 fN时，要保持=常数（a） f1fN（b）为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。不计定子电阻时，电动机的最大转矩和临界转差率近似等于由上式可知：当常数时，最大转矩保持不变。保持常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。这相当于他励直流电机的降压调速

13、。6.2 f1fN时，要保持U1=UN常数（b）f1fN在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持=常数,升高频率时，电动机的最大转矩和临界转差率为 因此，频率越高时，越小，也越小。保持 为常数，升高频率调速时的机械特性如图（b）所示。变频调速的主要性能如下：调速方向既可往上调，也可往下调。平滑性好，可实现无级调速。调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，静差率小。调速范围广。调速的经济性方面，初期投资大，需要专用的变频装置。但运行费用不大。调速时的允许伏在分析如下：f1fN

14、时为恒转矩调速由于f1fN时，=常数，m基本不变，因此各种转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本不变。f1fN时为恒功率调速由于f1fN时，U1=常数，在各种转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本上与转速n成反比，两者的乘积基本不变，允许的输出功率基本不变。变频调速从调速范围、平滑性、调速前后电动机的主要性能和节能效果等方面来看都很好，但需要专门的变频电源，故该设计还用到变频器。7. 变频器原理及基本构成 变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.

15、用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。感应电动机常用的变频器是交-直-交变频器它先把工频交流电源的电压通过整流器变成直流电压，然后由逆变器把直流变换成频率可变的交流电压输出，如下图：7-1变频器主电路8.具体调速的设计 已知PN=20000W，n0=3000r/min, nN=2950r/min, KT=2.1由额定值可求得 所以，频率为50Hz，U1=UN时带动负载的转速

16、为：由于f1增加，U1不变时，TM与f12成反比，sM与f1成反比，而可求得改变频率后的转速结 论三相异步电动机变频调速，一方面当f1fN时，为恒转矩调速，转矩不变，额定转速降低，增大起动转矩Tst，另一方面当f1fN时，为恒功率调速，调速前后功率不变，额定转速升高，减小启动转矩Tst。变频调速可以实现宽范围内的平滑调速，变频调速电机以简单的结构、优良的调速性能、较高的调速比，应用越来越广泛。注意：应该按实际情况来选择调速方式，这样才能发挥出最佳的性价比。缺点：需要专用的变频电源，初期投资大。设 计 体 会 经过这次课程设计，不仅加深了我对电机学这门课程知识的理解，也增强了我的动手实践能力和独立操作的能力。 在设计过程中，不仅仅是需要这一课题的有关知识，而是需要有关电机的很多知识，在设计中对这些知识的综合运用，无疑是电机学知识的一次新的，具体的，全方面的理解与应用，加深了我对这门课程的理解，还从中学会了很多在课堂上所学不到的知识和能力，使我所学的知识得到了一次升华。在对课题的设计中，需要翻阅很多资料，并且上网收集相关的图片信息，并将其进行归纳整理，提取有用的材料进行课程设计，这个过程培养了我动手能力、独立思考操作能力和对信息的综合分析的素质，对我今后的学习生活有很大的帮助。课设也是同学们的共同