1、課 程 報 告 課程名稱：三相異步電動機變頻調速的實現 學生姓名： 劉佐威 王一哲 王宇洋 趙馨雨 專業班級： 12級電氣一班 2016 年 1月 4日摘要變頻調速是一種典型的交流電動機調速方法,交流電動機采用變頻調速技術不僅能夠實現無級調速,而且可以根據負載的不同,通過適當調節電壓和頻率的關系,使電機始終在高效率區運行,并且保證良好的動態性能,因而被廣泛使用。目前,世界上有60%左右的發電量是通過電動機消耗的。據統計,我國各類電動機的裝機容量已超過4億kW,其中異步電動機約占90%,拖動風機、水泵及壓縮機類機械的電動機約1.3億kW。在目前4億kW的電動機負載中,約有50%的負載是變動的,其

2、中的30%可以使用電動機調速。雖然,有專門為變頻調速系統而設計的變頻調速電機,但是由于變頻調速電機價格較貴,所以在大多數有調速要求的系統中都是變頻器和普通交流異步電機組成的調速系統4。但是,在實際生產中,還只是憑借經驗確定交流異步電機運行的頻率范圍,而對普通交流異步電機在頻率改變時,電機的各項性能指標的大小和變化情況還沒有定量研究。在本文中,我們以Y100L1-4普通三相交流異步電機和松下VF-8X變頻器組成的變頻調速系統為測試對象,測試普通交流異步電機在頻率改變時的各項性能指標,以這些實驗數據為依據,進而分析確定普通交流異步電機變頻調速的最佳調速范圍。在測試中所有的實驗均按照國標中三相異步電

3、機型式實驗的相關規定進行。課程目的籠式三相異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調速困難。正由于此，通過此課程設計，實現三相異步電動機的變頻調速控制與應用。課程意義這次課程設計可以使我們在學校學的理論知識用到實踐中，使我們在學習中起到主導地位，是我們在實踐中掌握相關知識，能夠培養我們的職業技能，課程設計是以任務引領，以工作過程為導向，以活動為載體，給我們提供了一個真實的過程，通過設計和運行，反復調試、訓練、便于我們掌握規范系統的電機方面的知識，同時也提高了我們的動手能力。課程內容 在這次課程設計中，我們的主要工作在于1. 電機的結構與工作原理2. 變頻器

4、的結構與原理3. 變頻器的調速方法及工作過程 8 / 11第二章 相關技術與理論1.1電動機的基本結構（如圖）1.1.1定子部分1、定子鐵心作用：電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。交流電機定子結構定子鐵芯:是電機磁路的一部分，定子鐵芯內圓上均勻開有槽，安放定子繞組。機座:是用作固定與支撐定子鐵芯。定子繞組:是電機電路部分，它由三個在空間相差120°電角度、結構相同的繞組連接而成，按一定規律嵌放在定子槽中。繞組分類：單層繞組和雙層繞組。繞組應用：單層繞組一般用在10kW以下的電機，雙層短距繞組用在較大容量的電機中。2、定子繞組作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場

5、。構造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規律分別嵌放在定子各槽內。定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣）。（1）對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。（2）相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。（3）匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。1.1.2 轉子部分1、三相異步電動機的轉子鐵心：作用：作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內放置轉子繞組。構造：所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉子繞組。通常用定子鐵心沖落

6、后的硅鋼片內圓來沖制轉子鐵心。一般小型異步電動機的轉子鐵心直接壓裝在轉軸上，大、中型異步電動機（轉子直徑在300400毫米以上）的轉子鐵心則借助與轉子支架壓在轉軸上。轉子鐵芯： 一般用0.5mm的硅鋼片疊壓而成，它是磁路的一部分。轉子繞組： 是用作產生感應電勢、并產生電磁轉矩它分鼠籠式和繞線式兩種。氣隙： 中、小容量的電動機氣隙一般在0.21.5mm范圍。轉子鼠籠轉子2、三相異步電動機的轉子繞組 作用：切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流，并形成電磁轉矩而電動機旋轉。 構造：分為鼠籠式轉子和繞線式轉子。1）鼠籠式轉子：轉子繞組由插入轉子槽中的多根導條和兩個環行的環組成。若去掉轉子鐵心，整個繞組

7、的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉子繞組。2）繞線式轉子：繞線轉子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉軸的三個集流環上，再通過電刷與外電路聯接。1.1.3 電動機其他附件其他部分包括端蓋、風扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉子軸。風扇則用來通風冷卻電動機。三相異步電動機的定子與轉子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差 1.2電動機的分類 三相異步電動一般為系列產品，其系列、品種、

8、規格繁多，因而分類也較繁多。1按電動機尺寸大小分類大型電動機：定子鐵心外徑D1000mm或機座中心高H630mm。中型電動機：D=5001000mm或H=355630mm。大型電動機：D=120500mm或H=80315mm。2 按電動機外殼防護結構分類3 按電動機冷方式分類電動機按冷卻方式可分為自冷式、自扇冷式、他扇冷式等。可參見國家標準GB/T1993-93旋轉電機冷卻方式。4.按轉子結構形式分類三相籠型異步電動機三相繞線型異步電動機1.3電動機的工作原理電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條

9、中就感應出電動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。 按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式: n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s)  式中:P-電機極對數;f-電機運行頻率;s-滑差。 從式中看出，電機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f

10、/p)，由于滑差s一般情況下比較小(0-0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。 而改變頻率必須改變供電電壓，由交流電機成立的電磁關系式: E=4.44fw  式中:E-電機電動勢，f-定子頻率，W-繞組系數，-氣隙主磁通。 對異步電機調速時，希望主磁通恒定，即U/F保持恒定，所以改變頻率時，供電電壓也應跟著變化。1.4 變頻器結構原理圖1.5變頻器結構與工作原理介紹變頻器主要由模塊，CPU控制板，電源驅動板組成，見上圖L1為進線電抗器，一般需外接，L2為直流電抗器，大部份變頻器

11、需要外接，象施耐德，丹佛斯變頻器都內置了直流電抗器。PM1為整流模塊，PM2為逆變模塊，一般小功率變頻器是將整流和逆變整合在一起，大功率變頻器整流和逆變都是分開的，功率越大電流越大，因為單一的整流和逆變的電流有限，所以整流和逆變可以并聯使用。PM3是制動晶體，15KW以下的變頻器都內置制動晶體，外接一個制動電阻就能做能耗制動。C1，C2是濾波電容，變頻器功率越大，電容的容量就越大，濾波電容的耐壓一般是450V，因為380V級的變頻器整流濾流后的電壓是600V，所以可以將兩個耐壓為450V的濾波電容串聯使用，總的耐壓就可以達到900V。R1是啟動電阻，它的作用是在上電的時候限制濾波電容的充電電流

12、，當電容充電完成后接觸器K1動作，R1被旁路。R2和R3的作用有兩個：一是作放電電阻，關機后將電容上的電盡放放掉，另一個是均壓，保持濾波電容上的電壓相等。CT是霍爾電流互感器，比如臺安變頻器的互感器型號是HY-15P，它的含義是通過互感器初級電流為0-15A時互感器的輸出電壓是0-4V。互感器也有輸出電流型的。大部份變頻器都是用的霍爾電流互感器，象西門子，華為等變頻器用的是另一種檢測方法，在輸出U，V，W分別串聯一個小電阻，通過檢測電阻上的壓降來檢測電流。SA1-SA3是進線壓敏電阻，可以抑制瞬態過電壓，起到保護變頻器的作用。T1是380V/220V電源變壓器，小功率變頻器的風扇都是12V或2

13、4V供電的，電源取自開關電源部份，大功率變頻器的風扇是220V的，所以加了個變壓器轉換一下。電源驅動板的作用：一是提供變頻器所有的供電電源，二是將控制板的IGBT驅動信號進行隔離放大。控制板相當于變頻器的大腦，通過操作面板做人機對話，實現各種控制功能。2.1三相異步電動機的異步調速方法 交流電動機比起直流電動機來,省去了換向器,使得結構更簡單、結實、緊湊,它具有維修工作量小、運行效率高、轉動慣量小、動態響應快的特點。過去由于對它缺少相應的控制手段,實現速度的調節比較困難,所以在20世紀的大部分年代里,交流電動機主要在不調速的場合應用。近年來,由于電力電子和微電子技術的飛速發展,新器件和新的控制

14、系統的不斷推出,使交流電氣傳動也具有與直流電氣傳動同樣優良的調速性能,從而使交流調速得到了迅速發展。三相異步電動機的轉速公式為:n = n1 (1 - s) =60f1/p(1 - s)從上式可見,改變供電頻率f1、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調速的本質來看,不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速n1 或不改變同步轉速n1 兩種。具體來講,三相異步電動機的調速主要有以下七種方法:2.1.1繞線式電動機轉子串電阻調速方法繞線式異步電動機轉子串入附加電阻,使電動機的轉差率加大,電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大,電動機的轉速越低。此方法設備簡單,控制方便,但轉差

15、功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速,機械特性較軟。2.1.2液力耦合器調速方法液力耦合器是一種液力傳動裝置,一般由泵輪和渦輪組成,它們統稱工作輪,放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體,當泵輪在原動機帶動下旋轉時,處于其中的液體受葉片推動而旋轉,在離心力作用下沿著泵輪外環進入渦輪時,就在同一轉向上給渦輪葉片以推力,使其帶動生產機械運轉。液力耦合器的動力傳輸能力與殼內相對充液量的大小是一致的。在工作過程中,改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉速,做到無級調速,其特點為: 功率適應范圍大,可滿足從幾十千瓦至數千千瓦不同功率的需要; 結構簡單,工作可靠,使用及維修方便,且造價低; 控制調節方便

16、,容易實現自動控制。本方法適用于風機、水泵的調速。2.1.3 變極對數調速方法這種調速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的。變極調速的異步電動機一般采用鼠籠式轉子,因為鼠籠式轉子的極對數能自動地隨著定子極對數的改變而改變,使定、轉子磁場的極對數總是相等而產生平均電磁轉矩。若為繞線型轉子,則定子極對數改變時,轉子繞組必須相應地改變接法以得到與定子相同的極對數,很不方便。特點如下: 具有較硬的機械特性,穩定性良好;無轉差損耗,效率高; 接線簡單、控制方便、價格低;有級調速,級差較大,不能獲得平滑調速。本方法適用于自動化程度要求不高,不需要無級調速的生產機械,如金屬切

17、削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。2.1.4 串級調速方法串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差,達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收,再利用產生附加的裝置,把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式,串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式,多采用晶閘管串級調速,其特點為:可將速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上,效率較高; 裝置容量與調速范圍成正比,節省投資;調速裝置故障時可以切換至全速運行,避免停產;晶閘管閘管串級調速功率因數偏低,諧波影響較大。本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提

18、升機、擠壓機等。2.1.5 電磁轉差離合器調速方法 電磁轉差離合器調速系統,是由籠型異步電動機、電磁轉差離合器以及直流勵磁電源(控制器)三部分組成。籠型電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉動,通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現對其磁極的速度調節。電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機械了解,都能自由轉動。電樞與電動機轉子同軸聯接稱主動部分,由電動機帶動;磁極用聯軸節與負載軸對接為從動部分。當電樞與磁極均為靜止時,如勵磁繞組通以直流,則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁極,其磁通經過電樞。當電樞隨拖動電動機旋轉時,由于電樞與磁極間相對運動,因而使電樞感

19、應產生渦流,此渦流與磁通相互作用產生轉矩,帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉,但其轉速恒低于電樞的轉速n1 ,這是一種轉差調速方式,改變離合器的直流勵磁電流,便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。直流勵磁電源功率較小,通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成,變晶閘管的導通角,可以改變勵磁電流的大小。這種系統由于其機械特性很軟,所以調速性能很差。為改善其運行特性,常加上測速反饋以形成反饋控制系統,從而可獲得10: 1的調速范圍。這時系統的組成與相應的靜特性如圖1所示。圖1具有速度負反饋的電磁轉差離合器調速系統電磁轉差離合器調速的特點是:裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便; 調速平滑、無級調速;對電網

20、無諧波影響;調節速度時效率低。由于這種調速系統控制簡單、價格低廉,因此可廣泛應用于一般的工業設備中。但由于它在低速運行時損耗較大,效率較低,高速時效率高些,所以它特別適用于要求有一定調速范圍又經常運行在高速的裝置中2.1.6 改變定子電壓調速方法當異步電動機定子與轉子回路的參數為恒定時,在一定的轉差率下,電動機的電磁轉矩與加在其定子繞組上電壓的平方成正比,因此,改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數關系,從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比,因此最大轉矩下降很多,其調速范圍較小,使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍,調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機,如專供調壓調速用的力矩電動機,或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。調壓調速的主要裝置是一個能提