三相异步电动机变频调速的课程设计.doc

课 程 报 告 课程名称：三相异步电动机变频调速的实现 学生姓名： 刘佐威 王一哲 王宇洋 赵馨雨 专业班级： 12级电气一班 2016 年 1月 4日摘要变频调速是一种典型的交流电动机调速方法,交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速,而且可以根据负载的不同,通过适当调节电压和频率的关系,使电机始终在高效率区运行,并且保证良好的动态性能,因而被广泛使用。目前,世界上有60%左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计,我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW,其中异步电动机约占90%,拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中,约有50%的负载是变动的,其中的30%可以使用电动机调速。虽然,有专门为变频调速系统而设计的变频调速电机,但是由于变频调速电机价格较贵,所以在大多数有调速要求的系统中都是变频器和普通交流异步电机组成的调速系统4。但是,在实际生产中,还只是凭借经验确定交流异步电机运行的频率范围,而对普通交流异步电机在频率改变时,电机的各项性能指标的大小和变化情况还没有定量研究。在本文中,我们以Y100L1-4普通三相交流异步电机和松下VF-8X变频器组成的变频调速系统为测试对象,测试普通交流异步电机在频率改变时的各项性能指标,以这些实验数据为依据,进而分析确定普通交流异步电机变频调速的最佳调速范围。在测试中所有的实验均按照国标中三相异步电机型式实验的相关规定进行。课程目的笼式三相异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。正由于此，通过此课程设计，实现三相异步电动机的变频调速控制与应用。课程意义这次课程设计可以使我们在学校学的理论知识用到实践中，使我们在学习中起到主导地位，是我们在实践中掌握相关知识，能够培养我们的职业技能，课程设计是以任务引领，以工作过程为导向，以活动为载体，给我们提供了一个真实的过程，通过设计和运行，反复调试、训练、便于我们掌握规范系统的电机方面的知识，同时也提高了我们的动手能力。课程内容 在这次课程设计中，我们的主要工作在于1. 电机的结构与工作原理2. 变频器的结构与原理3. 变频器的调速方法及工作过程 1 第二章 相关技术与理论1.1电动机的基本结构（如图）1.1.1定子部分1、定子铁心作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。2、定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。（1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。（2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。（3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。1.1.2 转子部分1、三相异步电动机的转子铁心：作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子铁芯： 一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。转子绕组： 是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。气隙： 中、小容量的电动机气隙一般在0.21.5mm范围。转子鼠笼转子2、三相异步电动机的转子绕组 作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而电动机旋转。 构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组。2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。1.1.3 电动机其他附件其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差 1.2电动机的分类 三相异步电动一般为系列产品，其系列、品种、规格繁多，因而分类也较繁多。1按电动机尺寸大小分类大型电动机：定子铁心外径D1000mm或机座中心高H630mm。中型电动机：D=5001000mm或H=355630mm。大型电动机：D=120500mm或H=80315mm。2 按电动机外壳防护结构分类3 按电动机冷方式分类电动机按冷却方式可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式等。可参见国家标准GB/T1993-93旋转电机冷却方式。4.按转子结构形式分类三相笼型异步电动机三相绕线型异步电动机1.3电动机的工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:n=(1-s)60f/P=n0(1-s)式中:P-电机极对数;f-电机运行频率;s-滑差。从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小(0-0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。而改变频率必须改变供电电压，由交流电机成立的电磁关系式:E=4.44fw式中:E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，-气隙主磁通。对异步电机调速时，希望主磁通恒定，即U/F保持恒定，所以改变频率时，供电电压也应跟着变化。1.4 变频器结构原理图1.5变频器结构与工作原理介绍变频器主要由模块，CPU控制板，电源驱动板组成，见上图L1为进线电抗器，一般需外接，L2为直流电抗器，大部份变频器需要外接，象施耐德，丹佛斯变频器都内置了直流电抗器。PM1为整流模块，PM2为逆变模块，一般小功率变频器是将整流和逆变整合在一起，大功率变频器整流和逆变都是分开的，功率越大电流越大，因为单一的整流和逆变的电流有限，所以整流和逆变可以并联使用。PM3是制动晶体，15KW以下的变频器都内置制动晶体，外接一个制动电阻就能做能耗制动。C1，C2是滤波电容，变频器功率越大，电容的容量就越大，滤波电容的耐压一般是450V，因为380V级的变频器整流滤流后的电压是600V，所以可以将两个耐压为450V的滤波电容串联使用，总的耐压就可以达到900V。R1是启动电阻，它的作用是在上电的时候限制滤波电容的充电电流，当电容充电完成后接触器K1动作，R1被旁路。R2和R3的作用有两个：一是作放电电阻，关机后将电容上的电尽放放掉，另一个是均压，保持滤波电容上的电压相等。CT是霍尔电流互感器，比如台安变频器的互感器型号是HY-15P，它的含义是通过互感器初级电流为0-15A时互感器的输出电压是0-4V。互感器也有输出电流型的。大部份变频器都是用的霍尔电流互感器，象西门子，华为等变频器用的是另一种检测方法，在输出U，V，W分别串联一个小电阻，通过检测电阻上的压降来检测电流。SA1-SA3是进线压敏电阻，可以抑制瞬态过电压，起到保护变频器的作用。T1是380V/220V电源变压器，小功率变频器的风扇都是12V或24V供电的，电源取自开关电源部份，大功率变频器的风扇是220V的，所以加了个变压器转换一下。电源驱动板的作用：一是提供变频器所有的供电电源，二是将控制板的IGBT驱动信号进行隔离放大。控制板相当于变频器的大脑，通过操作面板做人机对话，实现各种控制功能。2.1三相异步电动机的异步调速方法 交流电动机比起直流电动机来,省去了换向器,使得结构更简单、结实、紧凑,它具有维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快的特点。过去由于对它缺少相应的控制手段,实现速度的调节比较困难,所以在20世纪的大部分年代里,交流电动机主要在不调速的场合应用。近年来,由于电力电子和微电子技术的飞速发展,新器件和新的控制系统的不断推出,使交流电气传动也具有与直流电气传动同样优良的调速性能,从而使交流调速得到了迅速发展。三相异步电动机的转速公式为:n = n1 (1 - s) =60f1/p(1 - s)从上式可见,改变供电频率f1、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速n1 或不改变同步转速n1 两种。具体来讲,三相异步电动机的调速主要有以下七种方法:2.1.1绕线式电动机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。2.1.2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。液力耦合器的动力传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,做到无级调速,其特点为: 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; 结构简单,工作可靠,使用及维修方便,且造价低; 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。2.1.3 变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子,因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变,使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线型转子,则定子极对数改变时,转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数,很不方便。特点如下: 具有较硬的机械特性,稳定性良好;无转差损耗,效率高; 接线简单、控制方便、价格低;有级调速,级差较大,不能获得平滑调速。本方法适用于自动化程度要求不高,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。2.1.4 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:可将速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上,效率较高; 装置容量与调速范围成正比,节省投资;调速装置故障时可以切换至全速运行,避免停产;晶闸管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、挤压机等。2.1.5 电磁转差离合器调速方法 电磁转差离合器调速系统,是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及直流励磁电源(控制器)三部分组成。笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动,通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。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为从动部分。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n1 ,这是一种转差调速方式,改变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。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,变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。这种系统由于其机械特性很软,所以调速性能很差。为改善其运行特性,常加上测速反馈以形成反馈控制系统,从而可获得10: 1的调速范围。这时系统的组成与相应的静特性如图1所示。图1具有速度负反馈的电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速的特点是:装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便; 调速平滑、无级调速;对电网无谐波影响;调节速度时效率低。由于这种调速系统控制简单、价格低廉,因此可广泛应用于一般的工业设备中。但由于它在低速运行时损耗较大,效率较低,高速时效率高些,所以它特别适用于要求有一定调速范围又经常运行在高速的装置中2.1.6 改变定子电压调速方法当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时,在一定的转差率下,电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方成正比,因此,改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系,从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。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