【正文】 一、 進度安排及完成時間： 第一 、二 周（ ）：布置任務(wù)，下達設(shè)計任務(wù)書。 作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目： 6極變頻電動機設(shè)計 姓名 付寅魁 學(xué)院 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程 班級 0604 學(xué)號 202001010426 指導(dǎo)老師 石安樂 職稱 教授 教研室主任 謝衛(wèi)才 基本任務(wù)及要求 ： 本文主要介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的概況和發(fā)展趨勢，變頻電機的調(diào)速原理及其應(yīng)用；變頻器的簡介；變頻器供電交流電機的設(shè)計特點；以及 Y180L— 6電機為例進行電磁設(shè)計 。 主要設(shè)計內(nèi)容包括： 交流變頻調(diào)速技術(shù)概況 。 第三、四 周 ()：查閱資料， 撰寫開題報告。 第十、十一 周 ()：完成課題設(shè)計中的電磁設(shè)計 。 第十五周（ ）：課題后期檢查，指導(dǎo)老師評閱。 關(guān)鍵詞：變頻電機、變頻器、諧波、電磁設(shè)計及分析 6 極變頻電動機 設(shè)計 II Design of 6 frequency conversion electrical machinery Abstract: With the development of science and technology, the latest technology have been used to design about motor product . digitization , information technology, working is a growing impact on our lives, also affected the design of the motor technology and application of variable— frequency motor is increasing rapidly abroad． The capacity of single ma— chine is graduany raised． This text introduce frequency conversion transfer speed systematic overview and development trend , frequency conversion electrical machinery transfer speed principle and his application mainly。 Design analysing finally. Keyword: Electrical machinery of frequency conversion , frequency converter , wave in harmony , designing and analysing electromagically 6 極變頻電動機 設(shè)計 1 第 1 章 交流變頻調(diào)速技術(shù)概況 電機變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用 電機變頻調(diào)速技術(shù)是電子技術(shù)在電力拖動上的應(yīng)用。過去 ,由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng) ,因此直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)居首位。因此 ,交流調(diào)速在電氣傳動領(lǐng)域中越來越占有重要的地位 ,它已成為機電一體化的電氣傳動技術(shù)。如我國冶金工業(yè)從上世紀(jì) 80 年代后半期起陸續(xù)引進10臺用于大型扎鋼機主傳動的交流調(diào)速系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機的調(diào)速和啟動裝置 ,在生產(chǎn)中運行良好 ,性能優(yōu)越節(jié)電效果顯著。 在各類調(diào)速方式中變頻調(diào)速技術(shù)是國內(nèi)外公認(rèn)的應(yīng)用最廣泛、效益最高、性能最好的調(diào)速技術(shù) ,它是微機技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機傳動技術(shù)的綜合應(yīng)用。 4)實現(xiàn)自動化。目前已廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域 ,在眾多產(chǎn)品的生產(chǎn)中 ,除節(jié)約用電外 ,還能明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量及運行安全性。同年 ,國務(wù)院國發(fā) (87)25 號 ,國家經(jīng)委 78 號文均規(guī)定 :“交流電機調(diào)速節(jié)電作為重點措施認(rèn)真推廣 ”。在交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi) ,同步電機調(diào)速將占壓倒性優(yōu)勢。 6 極變頻電動機 設(shè)計 3 交流變頻調(diào)速的高速發(fā)展有以下特點 1) 市場的大量需求。 3) 控制理論、微電子技術(shù)的發(fā)展和制造工藝水平的提高。 5) 提高勞動生產(chǎn)率 ,降低能耗 ,節(jié)約生產(chǎn)成本?；陔妱訖C和機械模型的控制策略 ,有矢量控制、磁場控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機械扭振補償?shù)?。所謂清潔電能變頻器是指變頻器的功率因數(shù)為 1,電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波分量很少 ,以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。新型變頻器要求功率和控制元件具有高的集成度 ,其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源以及采用新型電工材料 制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。 冗余設(shè)計。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。 PWM 是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制 )縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。這種無功能量要 靠 AC電源 電機 整流器 逆變器 控制電路 6 極變頻電動機 設(shè)計 7 中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。高性能的變頻器目前已經(jīng)要靠軟件來完成各種功能。顯然輸出的電壓頻率不受電網(wǎng)頻率的影響 ,而是取決于逆變器的切換頻率。晶閘管 SPWM 型逆變器主電路如圖 2— 1 所示。在此圖中，控制脈沖為正時，上橋臂 VT!或 VT3， VT5 導(dǎo)通，控制脈沖為負(fù)時，下橋臂 VT4 或 VT6， VT2 導(dǎo)通，波形最下面的 VT VT8 和 VT9， VTl0 表示換相回路中被觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。直流電路中的電抗 L 的作用是避免經(jīng)反饋二極管 VDl～ VD6 而使晶閘管 VTl～ VT6 的反饋電流被直流短路，并限制電流上升率。 變頻器的控制方式 簡述變頻器的控制方式 其控制方式經(jīng)歷了以下四代 : U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）控制方式 電壓空間矢量（ SVPWM）控制方式 矢量控制（ VC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）方式 矩陣式交 — 交控制方式 交流電動機變頻調(diào)速四種控制方案的分析 根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣 的變頻調(diào)速控制方案。 6 極變頻電動機 設(shè)計 9 圖 24 開環(huán)異步機變頻調(diào)速 VVVF通用變頻器 IM異步電動機 該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 2 速度傳感器的矢量控制變頻器 異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 控制框圖如圖 2所示。轉(zhuǎn)速精度約等于 %，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。 然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，嚴(yán)格地講，已經(jīng)降低了異步電動機結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高的特點。 4 磁同步電動機開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 控制框圖如圖 4所示。 如果采用高精度的變頻器（數(shù)字設(shè)定頻率精度可達 %），在開環(huán)控制情形下，同步電動機的轉(zhuǎn)速精度亦為 %。 6 極變頻電動機 設(shè)計 11 第 3 章 變頻調(diào)速異步電動機 變頻調(diào)速異步電動機是運用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的專用電動機，因此設(shè)計時必須充分考慮到該類電動機由變頻電源供電時的問題，進行針對性設(shè)計，以適應(yīng)電源波形的非正弦和從低頻到高頻的寬頻范 圍、寬調(diào)速比的運行狀況。這是因為在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，電動機的參數(shù)不僅影響到電動機自身的性能指標(biāo)，而且影響到整個系統(tǒng)，它的取值對系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重大影響。電動機的頻率、電壓及效率等額定值的選取，不再受工頻電網(wǎng)的限制，僅僅根據(jù)機電一體化原則，在系統(tǒng)內(nèi)通盤考慮決定。在采用矢量控制等情況下，由于運行中保持轉(zhuǎn)子磁通不變，電動機的機械特性是一條直線，不存在最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)對設(shè)計中漏抗取值的限制。即便是目前廣泛采用的6 極變頻電動機 設(shè)計 12 SPWM 正弦脈寬技術(shù)，也只是抑制了低次諧波，降低了電動機的脈動轉(zhuǎn)矩，從而擴展了電動機低速下的平穩(wěn)運行范圍。如何降低振動和噪聲，對正弦波供電的電動機來講已經(jīng)是一個難題了。此外，有時還伴有電暈現(xiàn)象產(chǎn)生，致使線圈對地絕緣損壞。這時，由于轉(zhuǎn)速很低，普通電動機所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風(fēng)量已大大減小， 散熱效果大大降低，必須采用其它的冷卻方式。因此針對問題，進行變頻調(diào)速異步電動機的專門設(shè)計已成必要。假定每一相僅建立自己的磁勢而與另外兩相無關(guān)。當(dāng)每一相的電流變化時，其相應(yīng)磁勢隨電流的變化而，變化，但保持其正弦形的空間分布。11 ? （ 3— 2） 式中 39。12 ???? ??? tFf 同樣對于繞組 3 )34s i n()34c os (39。23 1 ?? ?? tF （ 3— 4） 該式代表幅值為常數(shù)的正弦分布磁勢，它以均勻的角速度 ? 沿著 ? 角增加的方向移動。從而證明了由平衡的三相正弦電流勵磁產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的基波磁勢。511 ?? 式中 39。513 ???? ??? ? tFf 把三個磁勢相加可得合成磁勢為： )5s in(39。通常諧波次數(shù) 13 ?? nk 的電流產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)的磁勢波 (這里 n＝ 0， 1， 2， 3? )，而當(dāng)諧波次數(shù) 23 ?? nk 時，則產(chǎn)生 反向旋轉(zhuǎn)的磁勢波。 繞組 1中基波電流產(chǎn)生的 5 次空間諧波磁勢為 tFf ?? sin5c o s39。 當(dāng)整數(shù)槽繞組各相中存在諧波電流時，上面談到的時間和空間諧波磁勢將同時出現(xiàn)。571 ?? )32(5s i n)32c os (39。 全部磁勢成分的證明結(jié)果概括在表 3— 1中，所有的轉(zhuǎn)速都表示為同步轉(zhuǎn)速的倍數(shù)。第一列表示由相電流基波所產(chǎn)生的空間諧波磁勢。 諧波磁勢與基波磁勢之比值為 1111 IIhkkFF kwhkh ???? (3— 9) 對于正常設(shè)計的三相電動機，諧波繞組系數(shù) hk? 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 wk ，因此空間諧波磁勢的幅值可以忽略不計。 )23( ?n 次諧波電流與基波電流相反，產(chǎn)生磁勢波與主磁場相反，稱為負(fù)序諧波。也就是可以對基波電壓和各次諧波電壓進行分別分析，即可把諧波響應(yīng)曲線相加得出非正弦電壓下總的響應(yīng)曲線。在此電路圖中，忽略了鐵損和磁路飽和影響。 把式 (3— 10)的 n代入式 (3— 11)，諧波轉(zhuǎn)差率 ks 可以用 1s 表示，則得 k sksk 1)1( ?? ? （ 3— 12） 圖 3— 1a 所示的基波等值電路可改成適應(yīng)于 k 次諧波電壓和電流的等值電路，如圖 3— 1b所示。 由式 (3— 12)可知，電動機正常運行時， ks 的變化很小。由于 ks 接近于 1，在諧波頻率下電路電阻與電抗相比也可以忽略不計。對于靜止變流器供電的變頻調(diào)速電動機，一般都沒有零序電壓，因此不存在零序諧波的影響。從等值電路 (圖 3— lb)中可以看出，諧波電流的大小與負(fù)載無關(guān)，也就是說電動機從空載到滿載的情況下，諧波電流基本上不變。因此用正弦波電壓下異步電動機的堵轉(zhuǎn)特性和啟動性能也可以衡量電動機的諧波性能。 如果以 kU 表示電源電壓的 k 次諧波分量，則相應(yīng)的定子電流諧波為kkk ZUI ? ，這里 kZ