电机课程设计异步电动机调速变频要点

1、辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计设计题目异步电动机调速（变频）院（系、部）：专业班级：姓名：学号：指导教师：日期： 2014.7.1电气工程系课程设计标准评分表课程设计成绩评定表学期2013/2014 第 2 学期姓名专业电力系统及其自动化班级课程名称电机与拖动设计题目异步电动机调速（变频）成绩评分项目优良中及格不及格设 计 表 现1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反3.独立工作能力强较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上设 计 说 明 书5.设计内容设计思路清晰， 结构

2、方案良好， 设计参数选择正 确，条理清楚， 内容完整，结果 正确设计思路清晰， 结构方案合理， 设计参数选择 正确，条理清 楚，内容较完 整，极少量错误设计思路较清 晰，结构方案基 本合理，设计参 数选择基本正 确，调理清楚， 内容基本完整， 有少量错误设计思路基本 清晰，结构方案 基本合理，设计 参数选择基本 正确，调理清 楚，内容基本完 整，有些错误设计思路不清 晰，结构方案不 合理，关键设计 参数选择有错 误，调理清楚， 内容不完整，有 明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整 洁、有条理，个 别排版有问题基本规范、整

3、洁、有条理，排 版有问题较多不规范、不整 洁、无条理，排 版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整图 纸8.绘图效果很岀色较岀色一般较差很差9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：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

4、、设计题目异步电动机调速（变频）设计二、设计任务分析异步电动机变频调速三、设计计划电机与拖动课程设计共计 1周内完成：1、第12天查资料，熟悉题目；2、第35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：王继强教研室主任：李洪珠时间：2014年7月1日摘要现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其 中异步电动机的变频调速应用较多， 它的调速方法可分为两种： 变频变压调速和 矢量控制法， 前者的控制方

5、法相对简单， 有二十多年的发展经验。 因此应用的比 较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。关键词:交流调速系统；异步电动机异步电动机调速（变频）目录综述 11三相异步电动机的原理21.1电动机的结构及原理 21.1.1 结构 21.1.2工作原理 42. 异步电动机的机械特性42.1固有机械特性 42.1.1额定状态（N点）52.1.2临界状态（M点）52.1.3堵转状态（S点）53. 电动机的调速指标 54. 异步电动机的调速方法与比较 65. 异步机的变频调速 75.1 f1 v fN 时，要保持二常数85.2 f1 >fN时，要保持U仁UN常数 96. 变频器原理及

6、基本构成107. 具体调速的设计 11心得体会 13参考文献 14综述近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流 传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一， 电气传动技术面临着一场历 史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成 为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、 改善工艺流程以提高产品质量 和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动 性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国 内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具 有十分积极的意义第#页辽宁

7、工程技术大学电机学课程设计1. 三相异步电动机的原理1.1电动机的结构及原理1.1.1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1-1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。定子绕组：

8、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 U, V 1, W1，末端分别标为U2, V 2, 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。第7页-4>-占

9、WUVrvwA5V>Qooo)¥ ?(a)(b)(a)星形连接(b)三角形连接图1-2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：铸铝转子1.1.2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门，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

10、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1-3三相异步电动机的工作原理图2. 异步电动机的机械特性2.1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。辽宁工程技术大学电机学课程设计17 M02.1.1额定状态（N点）额定状态是指各个物理量都

11、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2.1.2临界状态（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。 丫系列的三相异步电动机a MT =2-2.22.1.3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 v允许值。 丫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 7.03. 电动机的调速指标调速就是在一定的负载下，根据生

12、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（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。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 下调节到500r/min ，再又调节到1000r/m

13、in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。平滑的程度可以用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数。即（T =n i/ni1c越接近于1,平滑性越好。无级调速时c =1,平滑性最好。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S = n0-nf） /n0*100%S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a =

14、|dT/d n| /2na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S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 S太大，贝U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

15、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fl ）;另一类是 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。4. 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fi ；（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

16、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。5. 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，

17、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U 1 ： E1 4 . 4 4f1 Nm k m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，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。第19页5.1 f1 <fN时'要保持

18、罟=常数(a) fl vfN为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率f1时，保持U为常数，使f i气每极磁通'm为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转矩为 212兀fi ri十口t 2 十(Xi + X ”2 )Ik s丿rr 2mipUimip2 二rr 2 fu/f1-W .'ri + 匸 | +(xx2)2I s )1 mip2 2二 f i由上式可知：当Ui=常数时，在f i较高时，即接近额上式对s求导，即dT =0，有最大转矩和临界转差率为ds1 mi pUi2二 f i ri ri2 xi x 2 $Tm 二定频率时，riL xi X2，随着fi

19、的降低，Tm减少的不多；当fi较低时，xi x 2较小；ri相对变大，则随着fi的降低，Tm就减小了。显然，当fi降低时，最大U i转矩Tm不等于常数。保持 *二常数，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。5.2 fl >fN时，要保持 U1=UN常数(b) fl >fN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Un不变，频率fl越高，磁通m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U n二常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为mipUi1 2 匸s亠 I X1 x 2上式求dT .0，得最大转矩和临界

20、转差率为Tmds21 m1 pU11Tm :2 2二 f1 X1 X2 f1r2 2二 f 1 L1 L 2 f 1Sm：X1+xf2因此，频率越高时，Tm越小，Sm也越小。保持Un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：（1）调速方向既可往上调，也可往下调。（2）平滑性好，可实现无级调速。（3） 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（4）调速范围广。（5）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。（6）调速时的允许伏在分析如下：f1 v fN时为恒转矩调速由于f1 v fN时，5=常数，m基本不变，因此各种转速下

21、的满载转矩 f1T=Cml2Ncos 2基本不变。f1 > fN时为恒功率调速由于f1 >fN时，U1=a数，在各种转速下的满载转矩 T=CTml2Ncost 2 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。6. 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.用来控制电机的转数.使

22、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，效率咼，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7. 具体调速的设计已知 PN=36000W no=3OOOr/min, n N=2950r/min, a mt=2.1由额定值可求得6023 116 .60 N

23、m八 mt Tn = 2.158 .30 二 244 .86 N mSNn。- nNn。3000 - 29503000二 0.0167SMSNMT _ ； - 2MT - 10.01672.1 - 2.12 - 1二 0.0659s 二SM=0.0659244 .86244 .864040=0.00542所以，频率为50Hz, U=U时带动负载的转速为:二 2983 r / minn =(1 一 s)n0 = (1 - 0.0111 )3000 r / min 由于f 1增加，Ui不变时，Tm与f 12成反比，SM与f 1成反比，而Tm - 170 .041Smf10.0549二 0 .2499n°60 f 2可求得改变频率后的转速n2 =