【正文】 IAbstract II第1章 緒論 1 交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1 變頻電機(jī)基本原理 1 變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用 2 變頻電機(jī)發(fā)展前景及意義 3第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理分析 5 變頻調(diào)速的原理 5 5 變頻器的控制方式 7第3章 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 9 10 11 11 諧波性能 15 20 21 29第4章 變頻電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)計(jì)算 32 32 39 44 45 48第5章 電機(jī)發(fā)熱與冷卻概述 51結(jié)束語 53參 考 文 獻(xiàn) 54附錄 55 4極變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)摘要： 變頻電機(jī)隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展而快速發(fā)展，并且采用“專用頻感應(yīng)電機(jī)十變頻器”的交流調(diào)速方式，正以其卓越的性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)領(lǐng)域中引導(dǎo)了一場(chǎng)取代傳統(tǒng)調(diào)速方式的變革。 交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)分為恒速拖動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)?？v觀電力傳動(dòng)的發(fā)展過程,交、直流兩種傳動(dòng)方式共存于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,它們相互競(jìng)爭(zhēng),相互促進(jìn)。 變頻電機(jī)發(fā)展前景及意義變頻電機(jī)與逆變器作為一個(gè)整體，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展，其發(fā)展前景為:(1)系統(tǒng)化。近年來我國(guó)不斷引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)的交流傳動(dòng)技術(shù)，自主創(chuàng)新的同時(shí)，不斷要求高效、完善的電磁設(shè)計(jì)方案，以適應(yīng)中國(guó)全新的高速列車時(shí)代。所以有常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。晶閘管SPWM逆變器同樣可以使用各種脈寬調(diào)制方法。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。由變頻電源供電的專用電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)雖然受到了一些制約，但同時(shí)也解除了一些約束。 (3)低速時(shí)出現(xiàn)低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運(yùn)行 即使是采用SPWM調(diào)制方式，但與工頻正弦供電相比，仍然會(huì)出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。但是實(shí)際的磁勢(shì)分布可以分解為基波和一系列的高次空間諧波。意味著這個(gè)磁勢(shì)波是以5倍的同步轉(zhuǎn)速沿著與基波磁勢(shì)相反的方向移動(dòng)。第一列表示由相電流基波所產(chǎn)生的空間諧波磁勢(shì)。在此電路圖中，忽略了鐵損和磁路飽和影響。對(duì)于靜止變流器供電的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，一般都沒有零序電壓，因此不存在零序諧波的影響。所以 （3—17）式中 ——電動(dòng)機(jī)的基波起動(dòng)電流； ——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)角。其中的主要脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁通的基波和轉(zhuǎn)子電流的諧波相互作用產(chǎn)生的。但在已確定的主要尺寸中，如何根據(jù)變頻變壓調(diào)速的特點(diǎn)來確定相應(yīng)的電磁負(fù)荷，仍然是一需要特殊考慮的設(shè)計(jì)問題。 一般認(rèn)為定轉(zhuǎn)子諧波漏磁損耗大致相等，故電動(dòng)機(jī)內(nèi)由于諧波引起的端部總損耗。因此，為了使總諧波電流相對(duì)值小于20%。 因此，對(duì)于由電流型逆變器供電的電動(dòng)機(jī)。 (5)減小D的尺寸，可減小機(jī)械噪聲。電流型逆變器供電的電動(dòng)機(jī)則正好相反，應(yīng)選取較低的額定電壓。但若將極對(duì)數(shù)增至3，為了達(dá)=3000r/min的最高轉(zhuǎn)速，這時(shí)應(yīng)使最高頻率=150Hz，最低頻率應(yīng)受限制不能變，故這時(shí)的調(diào)速范圍擴(kuò)大到150/3，擴(kuò)大到原來的3倍。 綜上所述，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)不宜取=1，也不宜太大，即不宜大于4(只有少數(shù)容量較大，最高轉(zhuǎn)速較低的電動(dòng)機(jī)才取=4)。由于磁通波次數(shù)與轉(zhuǎn)子諧波電流次數(shù)不同，所 以轉(zhuǎn)矩的方向半周內(nèi)為正，另半周內(nèi)為負(fù)，轉(zhuǎn)矩是交變的，因而一周內(nèi)的平均值為零。 由于轉(zhuǎn)子籠條與軸之間、軸與軸承之間均存在分布電容，就是通過分布電容的分壓作用，使軸對(duì)地間產(chǎn)生靜電感應(yīng)軸電壓。 2)對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部來說，主要是在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化電動(dòng)機(jī)絕緣，使其能最大限度地承受可能出現(xiàn)的浪涌電壓。l==20. 繞組系數(shù) 其中 每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) 預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流： 其中由表1010查出。 一般一臺(tái)400V的電壓級(jí)的電動(dòng)機(jī)其允許的浪涌電壓的校準(zhǔn)是： (3—31)式中 ——浪涌電壓的峰值； ——絕緣的允許值，其中，當(dāng)取PAM型時(shí)，的取值范圍為2．5～25V/；當(dāng)取PWM型時(shí)，的取值范圍為2000～3000V/。2．由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓 由變頻電源供電時(shí)，輸出電壓中的脈動(dòng)電壓通過靜電感應(yīng)會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸與軸承之間產(chǎn)生軸電壓。這兩類正反轉(zhuǎn)諧波轉(zhuǎn)矩相互抵消后，僅剩一個(gè)很小的反向轉(zhuǎn)矩，使異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩略有減小，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行影響不大。此外，由于兩極電動(dòng)機(jī)定子嵌線時(shí)位置的限制，定子繞組必須采用較短節(jié)距的繞組。這樣，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，就必須增大高速時(shí)的基波工作頻率。綜上所述，經(jīng)理論推導(dǎo)，得出決定電動(dòng)機(jī)額定電壓的計(jì)算公式如下： （3—30）式中 ——供給整流器的三相工頻交流電源線電壓(V)； ——系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)； ——額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率； ——最大負(fù)載與額定負(fù)載時(shí)定子頻率比；——由參數(shù)決定的計(jì)算常數(shù)，式為電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電抗。 (2)D較小，則轉(zhuǎn)子慣量較小，也即減小了電動(dòng)機(jī)的機(jī)械過渡過程的時(shí)間常數(shù)，其動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)。為了減小最大的換流時(shí)間，限制換流時(shí)逆變器和電動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)的過電壓，要求換流電路中的總電感越小越好。因此選擇A與比值，應(yīng)使最大效率和功率因數(shù)出現(xiàn)在常運(yùn)行點(diǎn)處。 因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 (3—27) 式中——定子高頻銅耗； ——轉(zhuǎn)子高頻銅耗； ——相數(shù)。改善供電電壓的波形，譬如采用12階梯波或具有較高開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制波時(shí)，可以減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。另外，由負(fù)序的第5次諧波產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩與正序的第7次諧波產(chǎn)生的正向轉(zhuǎn)矩綜合作用產(chǎn)生一個(gè)很小的與基波轉(zhuǎn)矩反向的轉(zhuǎn)矩。如果以表示電源電壓的次諧波分量，則相應(yīng)的定子電流諧波為，這里是次諧波的輸入阻抗。由于接近于1，在諧波頻率下電路電阻與電抗相比也可以忽略不計(jì)。也就是可以對(duì)基波電壓和各次諧波電壓進(jìn)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。全部磁勢(shì)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)。 如果相電流是非正弦的，則氣隙中出現(xiàn)附加的諧波磁勢(shì)，諧波磁勢(shì)可以用分析基波磁勢(shì)的方法證明。 通常的三相電動(dòng)機(jī)有三組在空間相差分布的定子線圈。一般說來，與工頻正弦電源供電相比，效率要下降1％——3％，功率因數(shù)下降4％——10％，因此，變頻電源供電下電動(dòng)機(jī)的諧波損耗是一個(gè)很大的問題。因此如何根據(jù)機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)出發(fā)，求得異步電動(dòng)機(jī)與變頻電源的最佳匹配，是變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)解決的又一基本問題。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。我用SPWM變頻調(diào)速器。有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。(5)通用性和互換性。在其它各企業(yè)中還有許多不同型式、容量的交流調(diào)速設(shè)備投入運(yùn)行。 　　(3)低頻起動(dòng)時(shí)力矩參負(fù)載沖擊??； 　　(4)起動(dòng)電流小，不用附加起動(dòng)設(shè)備； 　　(5)體積小、重量輕、安裝尺寸和Y系列相同； 　　(6)在風(fēng)罩內(nèi)裝有軸流風(fēng)機(jī)，在各種轉(zhuǎn)速下，均有良好的冷卻效果； 　　(7)應(yīng)用范圍廣，在50HZ以下可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在50HZ以上作恒功率運(yùn)行； (8)較電磁調(diào)速電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，維修方便。目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家也普遍采用了SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源電壓和頻率，從而出現(xiàn)了有交流變頻電動(dòng)機(jī)與SPWM裝置共同組成的新型變頻調(diào)速系統(tǒng)，并廣泛運(yùn)用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和驅(qū)動(dòng)水泵，風(fēng)機(jī)等場(chǎng)合。本課題變頻電機(jī)設(shè)計(jì)完成后，必須對(duì)溫升計(jì)算和通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮，受到輸入電源的非正弦波形影響，通過增加電感對(duì)高次諧波抑制后，變頻電機(jī)的溫升比普通異步電機(jī)的溫升高10到20%，因此變頻電機(jī)通風(fēng)采用強(qiáng)制通風(fēng)的形式，對(duì)電機(jī)溫升做定性分析，并選用最優(yōu)的風(fēng)路設(shè)計(jì)。(3)使用場(chǎng)合沒有限制。因此,交流調(diào)速在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中越來越占有重要的地位,它已成為機(jī)電一體化的電氣傳動(dòng)技術(shù)。調(diào)速系統(tǒng)中不僅僅包含變頻電機(jī)，而且內(nèi)含電力電子元器件及各種控制線路，使得電力電子、電動(dòng)機(jī)、控制不僅在運(yùn)行上形成一體，在外觀上亦融為一體，具有相當(dāng)高的“智慧”稱之為“SmartMotor”(智慧電機(jī))。變頻電機(jī)的變頻調(diào)速電路如圖21所示:變頻器是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。晶閘管VTl，VT3，VT5 強(qiáng)迫關(guān)斷過程相同，而晶閘管VT4，VT6，VT2強(qiáng)迫關(guān)斷過程相同。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。因此，可盡量減少轉(zhuǎn)子電阻，必要時(shí)還可增大定、轉(zhuǎn)子漏抗。 (6)低速運(yùn)行時(shí)散熱效果降低 由于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，常常在低頻率下低速運(yùn)行。 幅值F1的瞬時(shí)值為 （3—2）式中 ——相應(yīng)于繞組中電流峰值時(shí)F1的最大幅值，時(shí)間原點(diǎn)取在繞組1中電流為零的瞬間。實(shí)際上多相繞組由正弦電流勵(lì)磁時(shí)，由于磁勢(shì)空間諧波分布的組合又形成旋轉(zhuǎn)的諧波磁勢(shì)。因此以后的分析只考慮基波空間分布的時(shí)間諧波磁勢(shì)。諧波轉(zhuǎn)差率代替了基波轉(zhuǎn)差率，所有的電抗增大了k倍。由于基波的定子電流大小決定了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，因此電動(dòng)機(jī)電流的相對(duì)諧波含量在輕載時(shí)要比滿載時(shí)大得多。可以由諧波等值電路來計(jì)算此轉(zhuǎn)矩的大小。所以在氣隙里主磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流諧波的相對(duì)轉(zhuǎn)速也6倍于基波頻率。但在變頻電源供電情況下，由于電源時(shí)間諧波的影響，比工頻電源供電時(shí)，鐵耗、銅耗及其它損耗均有較大的增加。 同時(shí)，由于以上損耗的增加，故使溫升增高。故從這一角度出發(fā)，也應(yīng)取較大的值。(二)D與之比的確定 與A之值確定后，之積便可由式(3—21)定出，也就是說電動(dòng)機(jī)體積已定。這是因?yàn)殡妷涸礁?，電?dòng)機(jī)用銅越省，單位容量耗材料低，價(jià)格便宜，也就是說，就電動(dòng)機(jī)本身而言，設(shè)計(jì)電壓高一些，其設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好一些。因此，當(dāng)所需最高轉(zhuǎn)速確立后，供電電源頻率與電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)之比就已確定。此外，由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間距離的增加，可增大轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔的面積，改善通風(fēng)散熱條件。例如，一臺(tái)700kW電壓型異步牽引電動(dòng)機(jī)，所選極對(duì)數(shù)=3；而另一臺(tái)容量比之小得多(80kW)的電流型異步牽引電動(dòng)機(jī)，其極對(duì)數(shù)也取=3。此外，諧波及其轉(zhuǎn)矩還產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。 2)對(duì)于軸與軸承之間的軸電壓通常在軸承架內(nèi)插入非磁性體，使磁路磁阻增加，或增加補(bǔ)償繞組，以降低磁通勢(shì)，減小磁通，防止軸電流。 5)對(duì)大容量電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用銅條時(shí)，可采用換位措施以減小雜散損耗。7)對(duì)氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化選擇，以減低噪聲。 3)抑制變頻電源中的高次諧波脈動(dòng)成分。 (二)軸電壓產(chǎn)生的原因、對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及防止對(duì)策在一定條件下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與軸端之間，或軸與軸承(大地)之間會(huì)有軸電壓產(chǎn)生。這些諧波轉(zhuǎn)矩分為兩類：一類是大小和方向不變的恒定諧波轉(zhuǎn)矩；另一類是交變諧波轉(zhuǎn)矩。但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝水平的限制，有一定的下限值，因而也就有一定的上限值。 在設(shè)計(jì)中，確定電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)應(yīng)考慮以下因素： (1)若較大，則在相同外徑的情況下，可縮短繞組端部長(zhǎng)度，減小定子用銅量，減小銅耗，減小繞組端部機(jī)械應(yīng)力。因此根據(jù)機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)額定電壓的確定，還應(yīng)根據(jù)變頻裝置自身的特點(diǎn)及其在經(jīng)濟(jì)合理的條件下所能提供的電壓綜合考慮。一般說來，之值由下式確定： 極對(duì)數(shù)時(shí)：= ～； 時(shí)：= ～。也就是說它與普通異步電動(dòng)機(jī)一樣，應(yīng)在結(jié)構(gòu)要求和生產(chǎn)工藝所允許的范圍內(nèi)選最小氣隙。 因此，為了保持必要的效率和允許的溫升，在相同絕緣結(jié)構(gòu)及冷卻條件下，應(yīng)選用較低的和A值。若正弦基波磁通時(shí)的轉(zhuǎn)子鐵心表面損耗為，則由于電源諧波影響，其表面損耗的增加量，由下式?jīng)Q定： (3—23)這兩部分鐵損耗增加的結(jié)果，使變頻電源供電時(shí)比工頻供電時(shí)鐵耗總體增大10％～20％。同樣，11次和13次諧波產(chǎn)生一個(gè)12次諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在6個(gè)階梯波電源供電的情況下，6次脈動(dòng)諧波轉(zhuǎn)矩分量是主要的。 對(duì)于接近同步轉(zhuǎn)速的正常滿載運(yùn)行，基波轉(zhuǎn)差率很小，因此由式(3—12)可得則 （3—20）式中對(duì)正向諧波轉(zhuǎn)矩用“+”號(hào)，而反向諧波轉(zhuǎn)矩用“”號(hào)。如圖3—2b所示的高次諧波等值電路與計(jì)算正弦波異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電路相似，電動(dòng)機(jī)的電流同樣受漏抗(+)的限制。嚴(yán)格地說，轉(zhuǎn)子的漏抗也因集膚效應(yīng)而有所改變，這在精確計(jì)算時(shí)必須加以考慮。次諧波電流與基波電流同相序，產(chǎn)生磁勢(shì)波與主磁場(chǎng)同轉(zhuǎn)向，稱為正序諧波。同樣可以證明7次空間諧波以的同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。 = （3—4） 該式代表幅值為常數(shù)的正弦分布磁勢(shì)，它以均勻的角速度沿著角增加的方向移動(dòng)。 (7)容易產(chǎn)生共振干擾 一般來說，任何機(jī)械裝置都會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要目的，一是節(jié)能；二是高精度的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；三是現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。VD7，VD8為續(xù)