三相交流变频电动机设计与结构分析毕业设计论文.docx
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三相交流变频电动机设计与结构分析毕业设计论文
三相交流变频电动机设计与结构分析
简要的描述了交流变频调速电机的意义。
分析了各种交流调速方法，得出变频调速是目前最理想的交流调速方法的结论。
介绍了交流变频调速系统的基本原理及其应用，其中包括变频器的工作原理及其控制策略和调速控制方式。
研究了变频电机的机械特性，分析变频电源中的谐波对电机损耗和效率的影响。
探讨了变频调速电机的电磁设计方案，并选取一种型号的变频电机进行电磁部分的计算。
并讨论了不同频率时变频电机主要参数的变化情况。
关键词：
变频调速系统；变频器；变频电机；电磁设计
Abstract
AbriefdescriptionoftheACvariablefrequencymotorspeedcontrolsignificance.AnalysisoftheexchangeofavarietyofspeedcontrolmethodisderivedVVVFACDrivethebestwaytoconclusion.IntroducedtheACvariablefrequencyspeedregulationsystemofthebasicprinciples,applications,includingtheworkingprincipleoffrequencyconverteranditscontrolstrategyandspeedcontrol.Studiedthemechanicalcharacteristicsofthemotorfrequency,frequencyanalysisofharmonicpowerlossesandefficiencyoftheelectricalimpact.Frequencyoftheelectromagneticmotordesign,andselectatypeofvariablefrequencyelectromagneticmotorpartofthecalculation.Anddiscussedatdifferentfrequenciesofthemainparametersoftheelectricalfrequencychanges.
Keywords：
FrequencyControlSystem；Inverters；VariableFrequencyMotor；ElectromagneticDesign
第1章绪论
在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛地应用着电机传动。
其中许多机械有调速的要求：
如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产、工艺的要求需要调速；另一类设备如风机，水泵等为了减少运行损耗，节约电能也需要调速。
但是直流电动机本身在结构上存在严重的问题，以及对环境的要求也高和维护检修不便的问题。
所以采用交流电动机调速，因为它结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境。
上世纪20年代，人们认识到变频调速是交流电动机的一种最好调速方法。
它既能在宽广的范围内实现无级调速，而且可以获得良好的超动和运行特性。
1.1本课题的提出和意义
近年来，随着各种技术迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势!
电机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善不断恶化的环境，推动技术进步的一种主要手段!
因此研究变频调速技术对于能源利用和我国的工业节能有重要意义!
变频调速技术主要向着两个方向发展：
一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰，研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”；二是向变频器应用的深度和广度发展!
随着变流器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性!
可以预料，现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术中的应用和推广，将赋予它更强的生命力和更高的技术含量!
其发展方向具体有如下几项：
（1）实现高水平的控制；
（2）开发清洁电能的变流器；（3）缩小装置的尺寸；（4）高速度的数字控制；（5）模拟与计算机辅助设计CAD技术。
在我国为实现2010年奋斗目标而必须进行结构调整、实现经济增长方式转变中，节能降耗是实现少投入、高效益的重要途径。
因此，必须把推进变频调速等高效节电技术作为今后节能工作的重点之一，花大力气，加大推广运用工作力度。
同时，也要看到变频调速器在我国巨大市场潜力。
要把变频器的开发、推广、应用、产业化发展作为新的经济增长点来培育。
从国外情况看，变频器生产已成为一些国家的先导产业。
而我国这方面的基础还很薄弱，我们有理由认为：
推进我国变频器产业化是国民经济持续发展的一个有力推动点，必将带动和促进相关产业共同发展。
交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。
变频器技术是一门综合性的技术。
它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动,可以适应各种环境,可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制,电源功率因素大,所需容量小,可以组成高性能的控制系统等。
近十多年来，中国政府致力于推广电动机调速技术，各行各业都在一定程度上采用了电动机调速。
据石油、电力、建材、钢铁、有色、煤炭、化工、造纸、纺织等部门最近对企业抽样调查结果，石油、建材、化工行业电动机调速应用较好。
在目前4亿kW的电机负载中，约有50%是负载变动的，其中的51%可以通过电机调速解决其负载变动问题。
因此仅就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市场。
根据以上内容可以了解，交流调速电机对提高电气传动系统的运行性能和节约能源具有重要意义。
因此，进行三相交流调速电动机的设计与研究是非常必要的。
交流电机调速作为节约能源的一个重要手段，理应受到足够的重视。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．
1.2本课题的主要任务
简单的叙述了交流变频调速电动机的意义。
分析了各种交流调速方法，得出变频调速是目前最理想的交流调速方法的结论。
介绍了交流变频调速系统的基本原理、构成，其中包括变频器的工作原理，变频器控制策略和调速控制方式和交流变频调速系统的特点。
分析变频器供电时的异步电动机的机械特性、变频电源中的谐波成分对电机的影响和变频调速异步电动机的设计特点。
探讨了适合变频调速系统的电机电磁设计的主要尺寸公式。
最后探讨了变频调速电动机设计方法及不同频率时的参数变化。
第2章变频调速系统的基本原理
在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速方法。
还有改变定子电压、频率的变频调速。
2.1交流调速技术的类别
三相异步电动机转速公式为：
n=60f/p（1-s）（2-1）
从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。
2.1.1变极对数调速方法
这种调速方法是用改变定子绕组的连接方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：
1）具有较硬的机械特性，稳定性良好；
2）无转差损耗，效率高；
3）接线简单、控制方便、价格低；
4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；
5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。
本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
2.1.2串级调速方法
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：
1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；
2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；
3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；
4）晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
2.1.3变频调速方法
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
其特点：
1）效率高，调速过程中没有附加损耗；
2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；
3）调速范围大，特性硬，精度高；
4）技术复杂，造价高，维护检修困难。
本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
2.1.4转子串电阻调速方法
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。
串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属有级调速，机械特性较软。
2.1.5定子调压调速方法
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。
为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围，当调速在2：
1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速的特点：
1）调压调速线路简单，易实现自动控制；
2）调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
2.1.6电磁调速电动机调速方法
电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。
直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。
电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。
电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。
电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。
当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。
当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速
，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。
电磁调速电动机的调速特点：
1）装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；
2）调速平滑、无级调速；
3）对电网无谐影响；
4）速度失大、效率低。
本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。
2.1.7液力耦合器调速方法
液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。
壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。
液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。
在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：
1）功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；
2）结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；
3）尺寸小，容量大；
4）控制调节方便，容易实现自动控制。
本方法适用于风机、水泵的调速。
现在变频调速产业逐渐壮大，是主流的调速方式。
2.2变频调速的基本原理
变频调速方法：
是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
2.2.1变频器的基本原理
（1）变频器的内部结构
变频器实际上就是一个逆变器。
它首先是将交流电变为直流电。
然后用电子元件对直流电进行开关。
之后将直流电逆变成交流电。
一般功率较大的变频器用可控硅。
并设一个可调频率的装置。
使频率在一定范围内可调。
用来控制电机的转数。
使转数在一定的范围内可调。
变频器广泛用于交流电机的调速中。
变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。
因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。
一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
1.整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。
整流电路一般都是单独的一块整流模块。
2.平波电路
平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。
3.控制电路
现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。
变频器是输出电压和频率可调的调速装置。
提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:
频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。
运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”。
变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式。
4．逆变电路
逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。
从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电。
（2）交～直～交间接变频的变频器基本原理
变频器的类型很多，总的来看有三种：
1.交～交直接变频的变频器，它是把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电源；2.交～直～交间接变频的变频器。
现以后者为例说明变频的基本原理。
它由主电路和控制电路两部分组成。
主电路是由整流器、储能元件、逆变器三种器件组成的交～直和直～交两大电路。
交～直部分是把频率固定的交流电变为直流，直～交部分又把直流电变为交流。
控制电路是提供信号，并有规则的控制逆变器导通与截止，使之向异步电动机提供频率、电压都可调的交流电源，以驱动电动机的运行。
电压型的变频器由整流器、滤波器、逆变器组成。
整流器是将交流全波整流为直流，滤波器滤平整流后的电压波纹，并在负载变化时保持直流电压平稳，逆变器是把整流后的直流电再“逆变”为频率可调的交流电。
逆变的原理是由逆变管构成一定结构的电路，由控制电器按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止。
可见逆变管是变频器的核心元件。
控制电路的功能是向变频器主电路提供各种控制信号。
它是由决定U/f1特性的频率电压“运算电路”、主电路的“U/A检测电路”、电动机“速度检测电路”、“PWM生成及驱动电路”以及变频器、电动机的各种保护电路等组成。
变频器在变频时有时还要改变电压。
这是因为当频率改变时，电动机内的阻抗压降、定子的电势都要改变，以致引起磁通
变化，这样在高速运转时会造成电动机的电磁转矩不足,低速时，则磁通
会过大，使磁路过于饱和，引起励磁电流增大，造成电动机的功率因数
及效率η显着下降。
根据电动机定子电势有效值公式
E1=4.44f1NKWΦm=KEf1Φm（2-2）
在频率f1改变时,要保持
不变，则必须在调频的同时调节电势E1；即让E1/f1=常数。
但电势E1的大小无法进行控制，如用近似的方法，根据电势平衡方程式，可用U/f1=常数代替。
此时
可基本不变，
≈常数。
故在调频的同时也要调压，为反映这两种同时调节的情况，常用VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）符号代表变频器（在频率上升时磁通不会饱和，也可以不调整电压）。
基本上有两种调压方法：
一种是脉幅调制“PAM”，即在调节输出频率的同时，调节逆变器前一级的直流电压，以改变逆变器输出电压的幅值；另一种是脉宽调制“PWM”，即在调节输出频率的同时调节输出电压的占空比
（
t1是脉冲的宽度，t2是两脉冲间的间隔宽度），但上述两种输出电压和电流的波形都非正弦波。
之后又采用了正弦波脉宽调制“SPWM”方式，即是使脉冲中的占空比γ按正弦波的规律安排。
2.2.2变频器控制策略和调速控制方式
目前的变频器虽然种类繁多，控制方式多种多样，但功能上却基本类似。
从转矩的响应特性和过渡特性上看，大体分为U/f恒定控制（又称VVVF控制）、转差频率控制和转差矢量控制。
1.U/f恒定控制基本特性
按照一定的电压和频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/F控制方式。
基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上可以实现恒功率调速。
U/F方式又称为VVVF控制方式，逆变器中开关元件用SPWM方式进行控制。
逆变器的脉冲发生器同时受控于频率指令和电压指令，而它们之间的关系是U/F曲线发生器决定的。
这样经SPWM控制之后，变频器的输出频率F和输出电压U之间的关系，就是U/F曲线发生器所确定的关系。
由此可见，转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。
电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定，负载变化时，在设定值不变的条件下，转子速度将随转矩变化而变化。
故常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。
U/F控制是转速开环的控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
2.转差频率控制
在没有任何附加措施的情况下，当处于U/F控制方式下运行时，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比，U/F控制的静态调速精度显然较差。
为提高调速精度，采用转差频率控制方式。
根据速度传感器的检测，可以求出转差角频率，再把它与速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现了转差补偿。
这种实现转差补偿的闭环控制方式，称为转差频率控制方式。
与U/F控制方式相比，由于转差补偿的作用，其调整精度大为提高。
但其使用速度传感器求取转差角频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。
3.转差矢量控制
上述的U/F控制方式和转差频率的控制思想，都建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。
对于轧钢、造纸设备等动态性能要求较高的应用场合，可以采用矢量控制变频器。
采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。
根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似直流调速系统的动态性能。
在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流可以根据可测定的电动机定子电压和电流的实际值用计算方法求得。
磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较，并根据需要进行必要的校正。
2.2.3交流变频调速系统的原理及特点
一、交流变频调速系统的原理及构成
异步电机的转速方程是：
n=60f（1-s）/p，（2-3）
其中n为电动机的转数，f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就能够改变电动机的转速，但是还有另外一个问题，先看看下面这个公式：
（2-4）
其中u是电源电压，E是定子绕组的感应电动势，f是电源频率，n为绕组线圈匝数，K为绕组分布系数，Φ为磁通量，从这个公式我们可以看出，如果减小f的话，电源频率U还不变，那么Φ必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的饱和磁通量设计的，如果Φ增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，所以必须保证Φ为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U，同理，f增大，U也要增大，我们必须保证U/f为一个常量。
交流变频调速系统由变频器极其配套的变频调速电机构成。
交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类。
因为异步电动机与其他电动机相比，有着无可比拟的优点：
结构简单坚固，易于维护。
因此，鉴于设计的选择，这里主要介绍异步电动机的调速系统。
二、VVVF装置的特点
1）既可分别调频调压，也可调频调压由逆变器统一完成，且均仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性高。
2）使用二极管整流器，交流电网的功率因数与逆变器输出电压的大小无关而且接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器供电。
3）输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应速度取决于电子控制电路，与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。
4）输出电压和电流的波形接近正弦，从而减少谐波分量，降低电动机运行时的发热和转矩脉动，改善了电动机的运行性能。
5）SPWM逆变器要求有高的载波频率，因此开关元件工作频率高，开关损耗和换流损耗大。
6）变频调速节能效果明显，有时可高达30%~50%。
调速系统机械特性硬，无附加转差损耗，而且频率精度高，能保证电动机转速高精度、宽范围无级调速，可实现软起动（<1.5
），易于实现生产过程自动控制。
该系统技术先进、性能稳定、维护工作量少。
三、交流变频调速系统存在的问题
v谐波引起电动机的效率下降和温升提高
在逆变器电路变流过程中，其输出电压或电流为阶梯波，因此含有丰富的谐波，致使异步电动机在非正弦电压电流下运行。
以当前比较普遍使用的正弦波PWM变频器为例，其低次谐波基本上为零，剩下的是比载波频率（晶体管开关频率）大一倍左右的高次谐波分量。
高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铝耗。
如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般约增加10%~20%。
v谐波引起电磁噪声与振动
当采用变频器供电时，普通异步电动机上由电磁、机械和通风等原因所引起的振动和噪声，将变得更加复杂。
变频器电源中含有的高次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁振动力。
当电磁力波的频率和结构件固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象因而噪声增大。
由于电动机工作的频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁波的频率很难避开电动机各种结构件的固有频率。
普通异步电动机用变频器供电时的噪声，比用工频电网供电时一般约增加10~15dB左右。
v低速时的冷却效果差
在电源频率较低时，因普通异步电动机的阻抗不尽理想，使电源中高次谐波所引起的损耗增大。
再者，自冷式普通
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