异步电动机毕业设计.docx

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异步电动机毕业设计

上海电机学院

毕业设计（论文）中期报告

课题名称轧机用大型变频异步

电动机研制

学院电气学院

专业电机电器智能化

班级BG1005

学号101001230517

姓名潘涛

指导教师彭大华、卫福娟

定稿日期：

2014年04月15日

1绪论

随电力传动广泛应用于机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺织等行业中。

传动系统中的电动机所消耗的电能在各国的用电量中都占有很大的比例。

因此,有效地利用电动机,改进其运行性能,很据需要控制电动机的转速,降低运行中的消耗,提高电动机的运行可靠性将成为选择电动机的主要依据。

均随着现代变频技术的发展,交流变频电动机可以得到良好的动态性能。

变频调速异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、维护简单等优点,已经普遍应用于现代工业的各领域,在大容量、高转速、高可靠性以及防污染、防爆等方面有着明显的优势。

[6]但交流电动机调速比较困难,因此长期以来在调速领域内一直是直流电机占主导地位。

直流电机因有换向器和电刷,也带来了一系列问题:

（1）换向器和电刷的维护工作量大。

由于火花的原因,直流电机一般不能在易燃、易爆和尘埃较多的恶劣环境中使用。

（2）电机的换向能力限制了电机的极限容量和转速。

因此,在一些要求容量大或转速高的传动中不得不采用双电枢、三电枢甚至四电枢的电机。

这就使电机的制造增加了困难,降低了运行可靠性（3）与交流调速电机相比,直流电机的效率低、能耗大、调速反应慢。

[2]

20世纪70年代以后,随着交流电机矢量控制理论的产生以及其应用技术的推广,世界工业发达国家都投人大量人力物力对交交变频轧钢机主传动进行研究。

据统计约有上千台交流变频轧机主传动投人工业应用,并在其新建100kw以上的轧机主传动上,无论是初轧机,中板轧机还是热、冷连轧机,均采用交流变频调速。

可以说,在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。

[5]

大型轧钢机械的主辅传动领域,由于对电动机转矩特性和调速范围的特殊要求,长期以来一直被直流电动机所占有。

尽管随着电力电子技术的发展,各种交流调速技术相继进入风机、水泵及一些一般的调速领域,但是真正用来驱动初轧机和连轧机还是80年代才开始的。

矢量控制大功率交一交循环变频器为交流传动系统提供了与直流传动系统基本相同的恒转矩和恒功率两个调速范围,使静止变频交流传动调速技术进人了全面实用化的阶段。

由此开始,交流电动机已不再是受电网控制的在恒定电压下恒定频率下工作的设备了,同直流电动机一样,它处于一个与电网相对独立的系统下工作。

大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高的动态响应和相当高的过载能力，这一领域长期以来一直被直流电气传动系统所垄断。

虽然直流电动机具有良好的调速性能，但其存在着换向问题，使其在提高单机容量、过载能力和维护等方面受到了限制。

随着电力电子技术以及现代控制理论的迅速发展，交流变频调速可以得到良好的动态性能，已成为电气传动的主流，正越来越多的取代传统的直流调速传动系统。

轧机主传动电气系统先后经历了从G-D机组供电、晶闸管直流调速到交流变频调速的过程。

交流变频调速主要有交交和交直交两种形式。

由于存在调速范围窄、电网污染大等缺点，交交变频调速方式日趋被交直交变频调速方式所取代[4]。

随着可关断电力电子器件工艺技术的日益成熟，采用高压大功率全控型器件的三电平交直交变频调速系统已经逐步成为轧机主传动的主流装备。

然而这一领域的核心技术长期为几家国外跨国公司所垄断，如ABB、TMEIC、SIEMENS等公司，形成一定的技术壁垒和价格保护为此国内冶金企业每年不得不花费大量资金重复引进此类装备。

[3]

目前，在轧钢生产线上，很多设备的传动系统已采用异步变频传动系统，其中大型异步变频电机大部分须国外进口，本次研制轧机用变频异步电机的目的就是为了能替代国外同类产品。

大型轧钢机械的主辅传动领域,由于对电动机转矩特性和调速范围的特殊要求,长期以来一直被直流电动机所占有。

尽管随着电力电子技术的发展,各种交流调速技术相继进入风机、水泵及一些一般的调速领域,但是真正用来驱动初轧机和连轧机还是80年代才开始的。

矢量控制大功率交一交循环变频器为交流传动系统提供了与直流传动系统基本相同的恒转矩和恒功率两个调速范围,使静止变频交流传动调速技术进人了全面实用化的阶段。

由此开始,交流电动机已不再是受电网控制的在恒定电压下恒定频率下工作的设备了,同直流电动机一样,它处于一个与电网相对独立的系统下工作。

由于电源性质和电动机工作方式的改变,其计算方法也要有一些相应的变化。

本文对轧机用大型变频异步电动机进行研究和设计。

完成典型产品的结构及电磁设计，并进行相关性能分析。

1.异步电机调速

1.1异步电机调速原理简介

现在对异步机供电的多为电压源逆变器,输出电压为阶梯波,其可分解为基波及一系列高次谐波。

决定电机变频运行性能的是基波,谐波只起着使电流波形畸变、产生谐波损耗以及产生转矩脉动的效应。

这里分析可以将电压、电流、磁通理解为基波分量。

在正常运行范围内U1≈E1∝f1Φ,则Φ∝E1

即电机主磁通大小取决于电势/频率比,近似取决于电压/频率比。

从而根据U1、f1的协调控制方式不同实现不同的调速运行方式,获得不同的工作特性。

式中,

U1外施定子电压;

E1气隙电势;

f1运行频率;

Φ气隙主磁通。

轧钢用异步变频电机调速分为两段:

恒转矩区调速与恒功率区调速,其两段的分界点为电机的基速,最高运行速度通常称为高速。

基速以下为恒转矩区,基速以上为恒功率区,如图1所示。

当U1/f1=常数,有f1=afN及U1=aUN,式中,UN、fN）定子电压、频率对应基速的额定值;a=f1/fN=n1/nN-相对运行频率。

此时转矩及最大转矩的表达式可写为

式中,X1、X,2一对应fN下的定子及折算后转子漏抗;

β=as=

为绝对转差率正常运行时转差率s很小,sR1项可以忽略,这样,尽管频率在变化,但对应一定转矩下的转速差（n1-n）不变,因此恒电压/频率比运行方式下的转矩特性（稳定运行段）将是一组硬度不变的平行曲线,如图2所示。

当忽略定子电阻R1时,可以得到式（3）和式（4）,并画出图3。

图3表明在不同运行频率下,电机的最大转矩以及对应最大转矩的绝对转差率为常数,此时电机维持恒定气隙磁通运行,亦即恒转矩运行。

为了维持这一转矩特性,必须随着频率f1的降低,适当提高定子电压U1,以补偿定子电阻上的压降,从而满足恒电势/频率比

当电机运行频率达到额定并超过额定值,电机电压将维持不变或仅在小范围内升高。

此时电机磁通就将随着频率的上升而下降,从而转矩减小,电机进入近似恒功率的运行方式,转矩和转速呈反比,如图4所示。

2.电机主要尺寸

设计一台电机时，必须确定许多尺寸，但其中起主要与决定作用的是电机的主要尺寸，电机的主要尺寸是指电枢铁心的直径和长度。

对于直流电机，电枢直径是指转子外径，对一般结构的感应电机和同步电机，则是指定子内径。

主要尺寸确定后，其他尺寸也可以大体确定。

电机的重量价格工作特性和运行可靠性等也都和主要尺寸以及它们的比值有密切关系。

所以确定主要尺寸是电机设计的第一步。

2.1电机主要尺寸的选择

电机的主要尺寸包括定子铁心内径和铁心长度。

确定电机主要尺寸的通常做法是首先确定极距，然后根据式子（3-1）确定铁心内径，最后由电机常数来确定铁心长度。

式中τ为极距，D1i为定子内径，p为极对数

电机设计中确定极距的依据是实际电机制造过程中得出的曲线和经验公式。

对于一定容量的电机，其极距τ和容量SN之间存在如（3-2）所示的关系

式中K1为经验系数，介于9到12.5之间。

电机设计的基本理论表明，电机的主要尺寸与其容量和转速密切相关，这可以由式子（3-3）看出。

其中，CA为电机常数，lef为铁心的等效长度，p为计算功率，n为转速。

由于极弧系数αp、气隙磁场波形系数KΦ、绕组系数Kdp、电磁负荷ABδ变化范围很小，所以电机常数基本不变，在根据极距确定了定子内径后，就可以根据电机常数来确定铁心的长度了。

Dl．，近似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也与它有关。

因而由（2-13）可见，电机常数大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料[铜9（铝）和电工钢）体积并在=定程度上反映了结构材料的耗用用量电机常数CA的倒数为

由式（2-14）可见，KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩，因此它的大小反映了电机有效材料的利用程度，通常称为利用系数。

在进行设计方案时，KA往往也是—项重要的比较指标。

随着电机制造水平的提高，材料质量的改进，利用系数不断增大。

由参考文献（O-1）可知，材料的利用还可按照作用于电枢圆周单位表面上的平均切向力（称为转切应力）τr1来判断，同理可推导出以下数值关系（τ的单位为N/m2

式中其他各量的单位同式（2-12）。

比较式（2-14）与式（2—15）可知，τr1∝KA。

已制成的电机表明，CA实际上并非总是常数，在转速一定时，它常随电机功率的增大而减小，利用系数KA和转切应力τr1．则随电机功率的增加而增大。

通常作出CA或KA与P，或P，／n之间的经验曲线，通过这些经验曲线可初步确定电机的主要尺寸D2lef.在无径向通风道的电机中，电枢的计算长度lef，和铁心实际总长度lta相差很小;在有径向通风道的电机中，lef略小于lta感应电机约小10～15％；直流电机和同步电机约小5～10％．计算极弧系数a；一般在O.63～0.72之之间。

不同类型电机的计算功率可按给定的额定功率Pn来决定，方法如下:

对于感应电机

式中Kg——额定负载时感应电势与端电压的比值，η及COSψN——额定负载时的效率与功率因数，可由技术条件或技术任务书（技术建议书）查得，也可参考已生产的相近规格电机作初步估计。

从式（2-12）和式（2-13）可得出下列重要结论。

（1）电机的主要尺寸由其计算功率P`和转速n之比P`/n或计算转矩T`所决定。

因此在其他条件相同时，计算转矩相近的电机所耗用的有效材料也相近，功率较大，转速较高的电机有可能和功率较小，转速较低的电机体积接近，从而二者可能采用相同的电枢直径及某些其他尺寸，并通用机座，端盖等零部件。

（2）电磁负荷A和Bd不变时，相同功率的电机，转速较高的，尺寸较小，尺寸相同的电机，转速较高的，则功率较大。

这表明提高转速可减小电机的体积和重量。

但需指出，这种关系仅在一定的转速范围内才正确。

因转速增高时，机械损耗随之增加，直流电机中，铁耗也将增加-，于是电磁负荷只好降低。

转速增高还会引起转动零部件所受的机械应力增加，这也会导致这种反比关系的破坏。

（3）转速一定时，若直径不变而采用不同长度，则可得到不同功率的电机。

（4）由于式（2-12）中，系数a`、KNm与Krp的数值一般变化不大，因此电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A，一Bδ有关。

电磁负荷选得越高，电机的尺寸就越小

2.4额定数据及主要尺寸

通过相关资料的查阅对冶金辅传动用变频调速异步电机的型号确定为：

YZBP1000-6。

P=3500KWU=1950/2120VI=1210/1110f=17.7/43.0HZn=350/850rmin

1．输出功率PN=3500kw

2．外施线电压UN=1950/2120vY接法

3．线电流In=1210/1110A

4．效率η’=95.8％/96.0％按照设计任务书的规定。

5．功率因数cosψ=0.894/0.895按照设计任务书的规定。

6．极对数2p=6

7．定转子槽数Z1=72、Z2=88

8．定转子每极槽数Zp1=12Zp2=15

9．定转子冲片尺寸（见图附l—1）

10极距τ=602.13

11．定子齿距tl=50.178

12．转子齿距t2=40.66

13．节距y=12——以槽数计

14．转子斜槽宽b=50.178（一般取一个定子齿距t1，也可按需要设计）

15．每槽导体数双层线圈Nδ1=2×每线圈匝数

16．每相串联导体数9/9

17．绕组线规（估算）

18．槽满率

3.电磁计算

3.1等效磁路法简介

等效磁路法是最常用也是最基本的电机设计方法，“等效磁路”即所谓的“场化路”的方法——将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化为等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度分布均匀，同时使用一些系数来修正各段磁路的磁压降，使之等于对应实际磁场中的磁压降，通过这样的处理，就把复杂的磁场计算转化为简单的磁路计算。

使用等效磁路法，可以快速的进行电机的初始设计，分析电机的一些基本的参数性能，如各段磁路的磁场分布情况，空载、负载或者短路时电机的工作状况，电机损耗、材料的使用量和效率的大小。

在进行等效磁路法分析时，通常假定电机内的磁场为恒定磁场，定转子相对静止，计算磁路依次取定子齿、定子轭、定子齿、气隙、转子磁极、转子轭、转子磁极、气隙和定子齿。

设1jl、1tl、δl、2tl、和2jl分别为定子轭、定子齿、气隙、转子齿、转子轭的长度，mph为转子磁钢的高度。

根据全电流定律，磁场强度沿闭合回路的线积分等于该回路所包围的电流和，即:

（3-1）

使用等效磁路法时，在各段磁路中的磁压降可以用该磁路中的磁场强度和长度的乘积来表示，于是，上式就变成

（3-2）

其中1jH、1tH、δH、2tH、和2jH分别为定子轭、定子齿、气隙、转子齿、转子轭的磁感应强度，H为转子磁钢的磁感应强度。

通常电机的形式多样，在使用等效磁路法计算时也是具体问题具体分析。

2等效电路

感应电机本质上可以等效成一个变压器进行分析。

感应电机有定子漏电抗、定子铜耗,转子电路同样也有转子漏电抗、转子铜（铝）耗和周输出功率作为串联元件。

通过校正转子部分值与变压器有效比相一致,在等效电路中心的变压器可以去掉。

磁化电流分量和电机铁耗是电压函数而不是负载函数,另外,一个特殊电机的全电压启动电流是电压和速度函数,但不是负载函数。

磁化电流的变化取决于电机的设计。

对于小电机,这个磁化电流的比例可能占到60%以上,但是对于大一点的两相电机,磁化电流的典型值可能占到20%~25%。

在设计电压下,铁心接近饱和,所以铁耗和磁化电流与电压之间可能不是线性的关系,电压的微小增长都会引起磁化电流和铁耗的极大的增长

2.2定子设计

定子是电机外部结构,它覆盖在围绕于一个铁心周围的转子电枢上。

在速度一定的三相电机的设计中,定子有三相绕组,单相电机由两相绕组构成。

定子铁心由一些圆形打孔的迭片叠压而成,这些迭片的材料有可能是铝片或铸铁。

这些迭片是圆形的,并且在圆形的迭片上有一个圆形的孔用于放置转子。

在定子的内表面有一些深槽,在这些槽内放置着绕组。

这些绕线的排列决定电机的极数。

绕组的结构,槽结构和迭片的材料都会影响到电机的性能。

电机的额定电压由电机的转速决定,电机的额定功率也受着电机的铜耗和铁耗的影响,并且电机产生的热量也是由这些因素产生。

定子的设计决定着电机的额定转速,全负载特性的最大值和全速时特性的最大值。

以图1所示圆底槽为例,经推导整理得

（1）

定义参数λ=Di1/Do1为电机定子内外径之比,并定义

（2）

在定子设计公式中a、b、c、δ1是十分关键的参数,它们在不同的定子槽形中取值不同。

上面公式的推导是以圆底槽为例,若定子槽为其他槽形时,这些参数也跟随变化。

根据式

（1）,一旦给定J1、Bg、Bt1和By1等参数,定子结构和主要尺寸就完全确定,并随槽形和定子内外径比值的改变而改变。

2.3转子设计

转子包括一个由压在电机轴上的圆形迭片结构组成的圆柱体和一些短路的绕线组成。

绕线由一些贯穿转子的导条组成。

导条互相连接围绕在转子表面。

这些导条突出在定子表面,在末端由一个短环连接在一起。

这些导条的材料通常是铝或铜。

转子表面的位置、形状、连接区域和导条的材料决定了转子的特性。

导条的位置比较深入转子,会增加围绕导条的铁的用量,并且增加转子的电感值。

导条的电抗由电感和电阻组成,因此两个相同尺寸的导条可能显示出来不同的交流电抗,因为这个数值与它们相对于转子表面的位置有关。

一个薄导条由径向方向插入到转子当中,一边接近转子的表面,另一边朝向轴心。

那么随着电流频率的变化它的电阻也会随着变化。

这是因为导条外部的交流电抗要比内部的交流电抗低,高频会提高与导条电抗有关的导条的有效电抗。

在低频时,到条的两个边缘的电抗都会降低并且基本相等。

转子的设计决定了电机的启动特性。

异步电机的气隙设计从所要求的电磁性能和生产工艺两方面考虑,本文仍使用工程上常用的设计公式

转子设计重点是槽形和绕组。

若转子为圆底槽,则槽形尺寸为，

若转子为其他槽形,则根据槽形的几何关系式便能得到类似的推导过程。

可见,转子槽形尺寸与转子磁密的设定有关。

转子绕组的设计需要考虑转子感应电势的大小。

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