【正文】 變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 由于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出特性能較好地適應(yīng)負(fù)載機(jī)械特性，不僅有助于節(jié)能，而且還對自動控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。 滾動軸承的摩擦損耗正比于 n 。 附加雜散損耗 除了上述諧波銅損耗和鐵損耗之外，還要考慮電源諧波產(chǎn)生的附加雜散損耗，主要包括諧波繞組端部漏磁損耗，摩擦損耗和通風(fēng)損耗。 2 39。 2）電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗 。所以，在設(shè)計(jì)拖動恒功率負(fù)載的電動機(jī)時(shí)，應(yīng)按運(yùn)行中的最低頻率來考慮它的磁路狀態(tài)。此外，在異步電動機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行中，一般在額定頻率以下按恒轉(zhuǎn)矩方式運(yùn)行。239。而當(dāng)負(fù)載增加以后，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流 和氣隙電動勢 1E 相位比較接近，氣隙電動勢將顯著減小，因而在負(fù)載增大時(shí)磁化電流將大幅度下降。121XXQ R?? 考慮到電動機(jī)的參數(shù)（ Q）值不同，因而為補(bǔ)償定子電阻壓降，以維持定子繞組磁鏈恒定所需的定子電壓 U1隨運(yùn)行頻率 1 Nff?? 和電動機(jī)參數(shù)變化而變化。 22239。如果我們采取適當(dāng)?shù)姆椒?，提高輸入電壓，把電阻上電壓降落完全予以補(bǔ)償，那么異步電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩就不會隨工作頻率下降而減少。22 239。239。但是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速主要還是決定于基波分量，而諧波主要是引起附加損耗和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，其作用畢竟是次要的。 （ 3）煉油行業(yè) 煉油行業(yè)對變頻調(diào)速有廣泛的需要，如各類泵，鍋爐引風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)，輸煤，送水以及污水處理系統(tǒng)等，均有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機(jī)傳動設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。再者，自冷式普通異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量將按轉(zhuǎn)速的三次方成比例地減小，這必將使電動機(jī)的低速溫升急劇增加而難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。高次諧波會引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子鋁耗。 3) 輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)速度取決于電子控制電路，與直流 回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態(tài)性能。磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流再與相應(yīng)的設(shè)定值相比較，并根據(jù)需要進(jìn)行必要的校正。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式，稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式 。這樣經(jīng) SPWM 控制之后，變頻器的輸出頻率 F 和輸出電壓 U 之間的關(guān)系，就是 U/F 曲線發(fā)生器所確定的關(guān)系。 基本上有兩種調(diào)壓方法：一種是脈幅調(diào)制“ PAM” ，即在調(diào)節(jié)輸出頻率的同時(shí)，調(diào)節(jié)逆變器前一級的直流電壓，以改變逆變器輸出電壓的幅值；另一種是脈寬調(diào)制“ PWM”， 即在調(diào)節(jié)輸出頻率的同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓的占空比 ? ( ? ?1 1 2/t t t? ?? t1是脈沖的寬度， t2是兩脈沖間的間隔寬度 )，但上述兩種輸出電壓和電流的 波形都非正弦波。控制電路的功能是向變頻器主電路提供各種控制信號。它由主電路和控制電路兩部分組成。提供控制信號的回路稱為主控制電 路，控制電路由以下電路構(gòu)成 :頻率、電壓的 “ 運(yùn)算電路 ” ，主電路的 “ 電壓、電流檢測電路 ” ，電動機(jī)的 “ 速度檢測電路 ” 。 變頻器不僅調(diào)速平滑 ， 范圍大，效率高，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。 然后用電子元件對直流電進(jìn)行開關(guān) 。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時(shí)，就在同一轉(zhuǎn)向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電 壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機(jī)難以應(yīng)用。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。 交流調(diào)速技術(shù)的類別 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為： n=60f/p(1s) （ 21） 從上式可見，改變供電頻率 f、電動機(jī)的極對數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義． 本課題的主要任務(wù) 簡單的敘述了交流變頻調(diào)速電動機(jī)的意義。 近十多年來，中國政府致力于推廣電動機(jī)調(diào)速技術(shù)，各行各業(yè)都在一定程度上采用了電動機(jī)調(diào)速。同時(shí)，也要看到變頻調(diào)速器在我國巨大市場潛力。其中許多機(jī)械有調(diào)速的要求：如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求需要調(diào)速；另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要調(diào)速。 8. 6月 15日至 6月 19 日 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì) 資料歸檔 。 2. 3月 16日至 3月 22日： 完成分析各類調(diào)速方法、特點(diǎn) 。畢業(yè)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)為學(xué)生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。 5. 6月 1日至 6月 7日 ：指導(dǎo)老師評閱、電子文檔上傳 FTP。探討了變頻調(diào)速電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案，并選 取一種型號的變頻電機(jī)進(jìn)行電磁部分的計(jì)算。 本課題的提出和意義 近年來，隨著各種技術(shù)迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢 !電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電，改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善不斷惡化的環(huán)境，推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段 ! 因此研究變頻調(diào)速技術(shù)對于能源利用和我國的工業(yè)節(jié)能有重要意義 ! 變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個(gè)方向發(fā)展：一是實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器”；二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā) 展 !隨著變流器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)中的重要性 ! 可以預(yù)料，現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用和推廣，將賦予它更強(qiáng)的生命力和更高的技術(shù)含量 !其發(fā)展方向具體有如下幾項(xiàng)： (1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制； (2)開發(fā)清潔電能的變流器； (3)縮小裝置的尺寸； (4)高速度的數(shù)字控制； (5)模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD技術(shù)。 變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。因此，進(jìn)行三相交流調(diào)速電動機(jī)的設(shè)計(jì)與研究是非常必要的。最后探討了變頻調(diào)速電動機(jī)設(shè)計(jì)方法及不同頻率時(shí)的參數(shù)變化。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 1） 可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 2） 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 70％－ 90％ 的 生產(chǎn)機(jī)械上 ； 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 4 3） 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 4） 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 1）調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制； 2）調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形 式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 1）裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 2）調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 3）對電網(wǎng)無諧影響； 4）速度失大、效率低。 變頻調(diào)速的基本原理 變頻調(diào)速方法 ： 是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) 。 2. 平波電路 平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源 6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸收脈動電壓 (電流 )，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。電角度的三相交流電 。整流器是將交流全波整流為直流，濾波器濾平整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持直流電壓平穩(wěn)，逆變器是把整流后的直流電再“逆變”為頻率可調(diào)的交流電。但電勢 E1 的大小無法進(jìn)行控制，如用近似的方法，根據(jù)電勢平衡方程式，可用U/f1 =常數(shù) 代替?；l以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。 2. 轉(zhuǎn)差頻率控制 在沒有任何附加措施的情況下，當(dāng)處于 U/F 控制方式下運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載變化，轉(zhuǎn)速也會隨之變化，轉(zhuǎn)速的變化量與轉(zhuǎn)差率成正比， U/F 控制的靜態(tài)調(diào)速精度顯然較差。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。因此，鑒于設(shè)計(jì)的選擇，這里主要介紹異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)工作量少。由于電動機(jī)工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁波的頻率很難避開電動機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場競爭的不斷加?。还?jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一 .而八十年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。目前自來水行業(yè)多采用串級調(diào)速，串級調(diào)速系統(tǒng)效率只有 50%，體積大，故障多，而采用變頻調(diào)速可以得到較大的節(jié)能效果。 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 12 第 3 章 變頻調(diào)速異步電動機(jī)的特點(diǎn) 變頻調(diào)速的異步電動機(jī)由于起動、過載、運(yùn)行效率等問題均可通過選擇變頻器合適的控制方式，如 U/f 控制、轉(zhuǎn)差矢量控制等在系統(tǒng)中得到解決。 下面對變頻電源的控制策略 和電動機(jī)的特性進(jìn)行分析。 在變頻調(diào)速情況下頻率 f 是變化的。當(dāng)然從減少損耗的角度看在低頻時(shí)可降低電壓，按 U 正比于 2f 的規(guī)律變化。如果轉(zhuǎn)子相對氣隙磁場的速度一定，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流及其所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是一定的。 為了補(bǔ)償定子電阻上的壓降，保持異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，定子的輸入電壓控制規(guī)律可得出，考慮 1 nff?? 的關(guān)系，求得： ? ?? ?22 2 2 39。隨著頻率的降低，電動機(jī)的氣 隙磁通將增大，空載電流會顯著增加，甚至可能出現(xiàn)電動機(jī)負(fù)載愈輕，電流愈大的反?，F(xiàn)象。從充分利用異步電動機(jī)的潛力出發(fā)，在 調(diào)速過程中始終保持氣隙磁場恒定的控制策略更為合理。當(dāng) 然，在這種情況下，電動機(jī)的輸入電壓需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行頻率和負(fù)載（絕對轉(zhuǎn)差率）的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻運(yùn)行中若忽略定子電阻，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為： ? ? ? ?222139。隨著轉(zhuǎn)差率的增加，等效電阻減小，電流就線性增長，于是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性起了質(zhì)的變化，變?yōu)橐幌盗衅叫械闹本€，而沒有極值。39。 以上結(jié)果也可以用公式近似計(jì)算： 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 19 239。 2）在變頻電源供電時(shí)與工頻電源供電時(shí)有很大不同。當(dāng) 考慮到電源諧波的影響時(shí)，電機(jī)的效率則為 ： 1/( )hkP P pP? ? ? ???(%) (334) 由于電源諧波損耗使電機(jī)效 率的降低量為： 1 h? ? ?? ? ? (335) 根據(jù)目前己有的資料統(tǒng)計(jì)，逆變器供電的異步電動機(jī)，由于電源諧波產(chǎn)生的附加損耗，一般可使電機(jī)的效率降低 1%~3%。要使系統(tǒng)中電動機(jī)與變頻裝。 諧波對電機(jī)效率的影響 以上分別討論了電源諧波產(chǎn)生的附加銅損耗 Cuvp ，附加鐵損耗 Fep? 以及附加雜散損 svp? 的計(jì)算方法。其值可由下式確定： 2. 22 1. 5711vvsv s Ifpp ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 331） 式中 svp —— 諧波漏磁損耗； sp —— 基波漏磁損耗； vI 、 vf —— 諧波電流及頻率； 1I 、 1f —— 基波電流及頻率。一般說來，若正弦基波磁通時(shí)的鐵耗為 Fep ，則由于電源諧波影響，其鐵耗的增加量 Fep? 由下式?jīng)Q定： 1 .80 .2vFe Fe app v?? ? （ 328） 式中 va —— 高次諧波的含有率； v —— 高次諧波次數(shù)。 由于集膚效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子阻抗的變化可由下式?jīng)Q定： ? ?2 2 22 s in 22 c o s 2vr shr K r rch ??? ??? ? （ 324） ? ?2 2 23 2 s in 22 2 c o s 2vx shx K x v xch ??? ? ???? ? （ 325） 式中 2r 、 2vr —— 計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電阻； 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 18 2x 、 2vx —— 計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電抗； rK —