三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p>　　三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p>&

2、lt;p>　　1.1 本課題的提出和意義1</p><p>　　1.2 本課題的主要任務(wù)2</p><p>　　第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)3</p><p>　　2.1 交流調(diào)速技術(shù)的類別3</p><p>　　2.2 變頻調(diào)速的基本原理5</p><p>　　2.2.1

3、變頻器的基本原理5</p><p>　　2.2.2變頻器控制策略和調(diào)速控制方式7</p><p>　　2.2.3交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)8</p><p>　　2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍10</p><p>　　3.1 變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性12</p><p>　　3.1.1恒電壓/頻率比

4、控制時(shí)的機(jī)械特性12</p><p>　　3.1.2最大轉(zhuǎn)矩保持恒定的控制方式13</p><p>　　3.1.3輸出功率保持恒定的控制方式15</p><p>　　3.3 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)20</p><p>　　3.3.1變頻電源供電情況下電動(dòng)機(jī)應(yīng)用所面臨的問(wèn)題20</p><p>　　3.3

5、.2電磁設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.4 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍23</p><p>　　4.1 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的概述24</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)50</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</

6、b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p>　　簡(jiǎn)要的描述了交流變頻調(diào)速電機(jī)的意義。分析了各種交流調(diào)速方法，得出變頻調(diào)速是目前最理想的交流調(diào)速方法的結(jié)論。介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及其應(yīng)用，其中包括變頻器的工作原理及其控制策略和調(diào)速控制方式。研究了變頻電機(jī)的機(jī)械特性，分析變頻電源中的諧波對(duì)電機(jī)損耗和效率的影響。探討了變頻調(diào)速電

7、機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案，并選取一種型號(hào)的變頻電機(jī)進(jìn)行電磁部分的計(jì)算。并討論了不同頻率時(shí)變頻電機(jī)主要參數(shù)的變化情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) ；變頻器；變頻電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　A brief description of the AC variable freque

8、ncy motor speed control significance. Analysis of the exchange of a variety of speed control method is derived VVVF AC Drive the best way to conclusion. Introduced the AC variable frequency speed regulation system of the

9、 basic principles, applications, including the working principle of frequency converter and its control strategy and speed control. Studied the mechanical characteristics of the motor frequency, frequency analysis of har

10、monic power los</p><p>　　Keywords：Frequency Control System； Inverters；Variable Frequency Motor；Electromagnetic Design</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事設(shè)施

11、以及日常生活中廣泛地應(yīng)用著電機(jī)傳動(dòng)。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。但是直流電動(dòng)機(jī)本身在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的問(wèn)題，以及對(duì)環(huán)境的要求也高和維護(hù)檢修不便的問(wèn)題。所以采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠，很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境。上世紀(jì)20年代，人們認(rèn)識(shí)到

12、變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)的一種最好調(diào)速方法。它既能在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可以獲得良好的超動(dòng)和運(yùn)行特性。</p><p>　　1.1 本課題的提出和意義</p><p>　　近年來(lái)，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(shì)!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(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段! 因此研究變

13、頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于能源利用和我國(guó)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(wú)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(kāi)拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來(lái)越清楚地展示它在一個(gè)國(guó)家國(guó)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)

14、實(shí)現(xiàn)高水平的控制；(2)開(kāi)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)。在我國(guó)為實(shí)現(xiàn)2010年奮斗目標(biāo)而必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變中，節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)少投入、高效益的重要途徑。因此，必須把推進(jìn)變頻調(diào)速等高效節(jié)電技術(shù)作為今后節(jié)能工作的重點(diǎn)之一，花大力氣，加大推廣運(yùn)用工作力度。同時(shí)</p><p>　　變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。它建立在控制技術(shù)、

15、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比,利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,有許多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)電,容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制,可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制,容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換,可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn),可以進(jìn)行電氣制動(dòng),可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng),可以適應(yīng)各種環(huán)境,可以用一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,電源功率因素大,所需容量小,可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。</p>&l

16、t;p>　　近十多年來(lái)，中國(guó)政府致力于推廣電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速。據(jù)石油、電力、建材、鋼鐵、有色、煤炭、化工、造紙、紡織等部門最近對(duì)企業(yè)抽樣調(diào)查結(jié)果，石油、建材、化工行業(yè)電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用較好。在目前4億kW的電機(jī)負(fù)載中，約有50%是負(fù)載變動(dòng)的，其中的51%可以通過(guò)電機(jī)調(diào)速解決其負(fù)載變動(dòng)問(wèn)題。因此僅就目前的市場(chǎng)容量考慮，約有6000萬(wàn)kW的調(diào)速電機(jī)市場(chǎng)。根據(jù)以上內(nèi)容可以了解，交流調(diào)速電機(jī)對(duì)提高電氣傳動(dòng)系

17、統(tǒng)的運(yùn)行性能和節(jié)約能源具有重要意義。因此，進(jìn)行三相交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究是非常必要的。</p><p>　　交流電機(jī)調(diào)速作為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段，理應(yīng)受到足夠的重視。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義．</p><p>　　1.2 本

18、課題的主要任務(wù)</p><p>　　簡(jiǎn)單的敘述了交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的意義。分析了各種交流調(diào)速方法，得出變頻調(diào)速是目前最理想的交流調(diào)速方法的結(jié)論。介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成，其中包括變頻器的工作原理，變頻器控制策略和調(diào)速控制方式和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)。分析變頻器供電時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、變頻電源中的諧波成分對(duì)電機(jī)的影響和變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。探討了適合變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的主要尺寸公

19、式。最后探討了變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法及不同頻率時(shí)的參數(shù)變化。</p><p>　　第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速方法。還有改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速。</p><p>　　2.1 交流調(diào)速技術(shù)的類

20、別</p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：</p><p>　　n=60f/p(1-s) （2-1）</p><p>　　從上式可見(jiàn)，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　2.1.1變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法</p><p

21、>　　這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的連接方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： </p><p>　　1）具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；</p><p>　　2）無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高；</p><p>　　3）接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低； </p><p>　　4）有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；</p>

22、;<p>　　5）可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 </p><p>　　本方法適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。</p><p>　　2.1.2串級(jí)調(diào)速方法</p><p>　　串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的

23、。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為： </p><p>　　1）可將調(diào)速過(guò)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； </p><p>　　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

24、定轉(zhuǎn)速70％－90％的 生產(chǎn)機(jī)械上；</p><p>　　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)； </p><p>　　4）晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 </p><p>　　本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。</p><p>　　2.1.3變頻調(diào)速方法</p>

25、;<p>　　變頻調(diào)速是改變電動(dòng)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。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(guó)內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)： </p><p>　　1）效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗； </p><p>　　2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)； </p>&l

26、t;p>　　3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； </p><p>　　4）技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 </p><p>　　本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。</p><p>　　2.1.4轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法</p><p>　　繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻

27、越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。</p><p>　　2.1.5定子調(diào)壓調(diào)速方法</p><p>　　當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)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(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子

28、電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： </p><p>　　1）調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； </p><

29、;p>　　2）調(diào)壓過(guò)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。 </p><p>　　2.1.6電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法</p><p>　　電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞

30、和后者沒(méi)有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對(duì)接稱從動(dòng)部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì)N、S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過(guò)電樞。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的

31、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： </p><p>　　1）裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便； </p><p>　　2）調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速； </p><p>　　3）對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧影響； </p><p>　　4）速度失大、效率低。 </p><p>　　本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)

32、低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。</p><p>　　2.1.7液力耦合器調(diào)速方法</p><p>　　液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動(dòng)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(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。液力耦合器的動(dòng)力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對(duì)充液

33、量的大小是一致的。在工作過(guò)程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉(zhuǎn)速，作到無(wú)級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為： </p><p>　　1）功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要； </p><p>　　2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，使用及維修方便，且造價(jià)低； </p><p>　　3）尺寸小，容量大； </p><p>　　4）控制調(diào)節(jié)方便，容易

34、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 </p><p>　　本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。 現(xiàn)在變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)逐漸壯大，是主流的調(diào)速方式。</p><p>　　2.2 變頻調(diào)速的基本原理</p><p>　　變頻調(diào)速方法：是改變電動(dòng)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。</p><p>　　2.2.1變頻器的基本原理</p><p&

35、gt;<b>　　變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｈ缓笥秒娮釉?duì)直流電進(jìn)行開(kāi)關(guān)。之后將直流電逆變成交流電。一般功率較大的變頻器用可控硅。并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置。使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而

36、且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過(guò)去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 </p><p><b>　　1. 整流電路 </b></p><p>　　整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨(dú)的一塊整流

37、模塊。 </p><p><b>　　2. 平波電路 </b></p><p>　　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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)，為了抑制電壓波動(dòng)采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)，一般通用變頻器電源的直流部分對(duì)主電路而言有余量，故省去電感而采用簡(jiǎn)單電容濾波平波電路。 </p><p>

38、<b>　　3. 控制電路 </b></p><p>　　現(xiàn)在變頻調(diào)速器基本系用16位、32位單片機(jī)或DSP為控制核心，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。 </p><p>　　變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。提供控制信號(hào)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(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”。運(yùn)算電路的控制信號(hào)送至“

39、驅(qū)動(dòng)電路”以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”。 </p><p>　　變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉(zhuǎn)拒控制、PID或其它方式。 </p><p><b>　　4．逆變電路 </b></p><p>　　逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使上橋、下橋的功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U

40、、V、W三相上得到相位互差120°電角度的三相交流電。</p><p>　　交～直～交間接變頻的變頻器基本原理</p><p>　　變頻器的類型很多，總的來(lái)看有三種：1.交～交直接變頻的變頻器，它是把頻率固定的交流電源直接變換成頻率可調(diào)的交流電源；2.交～直～交間接變頻的變頻器?，F(xiàn)以后者為例說(shuō)明變頻的基本原理。它由主電路和控制電路兩部分組成。主電路是由整流器、儲(chǔ)能元件、逆變器三種

41、器件組成的交～直和直～交兩大電路。交～直部分是把頻率固定的交流電變?yōu)橹绷?，直～交部分又把直流電變?yōu)榻涣鳌？刂齐娐肥翘峁┬盘?hào)，并有規(guī)則的控制逆變器導(dǎo)通與截止，使之向異步電動(dòng)機(jī)提供頻率、電壓都可調(diào)的交流電源，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。</p><p>　　電壓型的變頻器由整流器、濾波器、逆變器組成。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

42、頻率可調(diào)的交流電。逆變的原理是由逆變管構(gòu)成一定結(jié)構(gòu)的電路，由控制電器按照一定的規(guī)律來(lái)控制逆變管的導(dǎo)通與截止。可見(jiàn)逆變管是變頻器的核心元件?？刂齐娐返墓δ苁窍蜃冾l器主電路提供各種控制信號(hào)。它是由決定U/f1特性的頻率電壓“運(yùn)算電路”、主電路的“U/A檢測(cè)電路”、電動(dòng)機(jī)“速度檢測(cè)電路”、“PWM生成及驅(qū)動(dòng)電路”以及變頻器、電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)電路等組成。</p><p>　　變頻器在變頻時(shí)有時(shí)還要改變電壓。這是因?yàn)楫?dāng)頻率

43、改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的阻抗壓降、定子的電勢(shì)都要改變，以致引起磁通變化，這樣在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不足,低速時(shí)，則磁通會(huì)過(guò)大，使磁路過(guò)于飽和，引起勵(lì)磁電流增大，造成電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及效率η顯著下降。</p><p>　　根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子電勢(shì)有效值公式</p><p>　　E1=4.44f1NKWΦm=KEf1Φm （2-2） &

44、lt;/p><p>　　在頻率f1改變時(shí),要保持不變，則必須在調(diào)頻的同時(shí)調(diào)節(jié)電勢(shì) E1；即讓E1/ f1 = 常數(shù)。但電勢(shì)E1的大小無(wú)法進(jìn)行控制，如用近似的方法，根據(jù)電勢(shì)平衡方程式，可用U/f1 =常數(shù)代替。此時(shí)可基本不變，≈常數(shù)。故在調(diào)頻的同時(shí)也要調(diào)壓，為反映這兩種同時(shí)調(diào)節(jié)的情況，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符號(hào)代表變頻器（在頻率上升時(shí)磁通不會(huì)飽和，也可以

45、不調(diào)整電壓）。</p><p>　　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(jí)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( 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。之后又采用了正弦波脈寬調(diào)制“SPWM”方式，即是使脈沖中的占空比γ按正弦波的規(guī)律安排。&l

46、t;/p><p>　　2.2.2變頻器控制策略和調(diào)速控制方式</p><p>　　目前的變頻器雖然種類繁多，控制方式多種多樣，但功能上卻基本類似。從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)特性和過(guò)渡特性上看，大體分為U/f恒定控制(又稱VVVF控制)、轉(zhuǎn)差頻率控制和轉(zhuǎn)差矢量控制。</p><p>　　U/f恒定控制基本特性</p><p>　　按照一定的電壓和頻率關(guān)系對(duì)變頻器

47、的頻率和電壓進(jìn)行控制，稱為U/F控制方式?；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。</p><p>　　U/F方式又稱為VVVF控制方式，逆變器中開(kāi)關(guān)元件用SPWM方式進(jìn)行控制。逆變器的脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于頻率指令和電壓指令，而它們之間的關(guān)系是U/F曲線發(fā)生器決定的。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。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率

48、的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要根據(jù)負(fù)載的大小，即轉(zhuǎn)差率的大小來(lái)決定，負(fù)載變化時(shí)，在設(shè)定值不變的條件下，轉(zhuǎn)子速度將隨轉(zhuǎn)矩變化而變化。故常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。</p><p>　　U/F控制是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。</p><p><

49、;b>　　轉(zhuǎn)差頻率控制</b></p><p>　　在沒(méi)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(huì)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。為提高調(diào)速精度，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的檢測(cè)，可以求出轉(zhuǎn)差角頻率，再把它與速度設(shè)定值相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值，就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式，稱為

50、轉(zhuǎn)差頻率控制方式。與U/F控制方式相比，由于轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)淖饔?，其調(diào)整精度大為提高。但其使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差角頻率，要針對(duì)具體電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。</p><p><b>　　3.轉(zhuǎn)差矢量控制</b></p><p>　　上述的U/F控制方式和轉(zhuǎn)差頻率的控制思想，都建立在異步電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型上，因此動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)不高。對(duì)于軋鋼、

51、造紙?jiān)O(shè)備等動(dòng)態(tài)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用矢量控制變頻器。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(dòng)態(tài)性能。根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，以獲得類似直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　在矢量控制方式中，磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流可以根據(jù)可測(cè)定的電

52、動(dòng)機(jī)定子電壓和電流的實(shí)際值用計(jì)算方法求得。磁場(chǎng)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。</p><p>　　2.2.3交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)</p><p>　　一、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及構(gòu)成</p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程是：</p><p>　　n=60f(1-s)/p，

53、 （2-3）</p><p>　　其中n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)，所以從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變f，s，p這三個(gè)量中的任意一個(gè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率f就能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是還有另外一個(gè)問(wèn)題，先看看下面這個(gè)公式 ：</p><p>

54、<b>　?。?-4）</b></p><p>　　其中u是電源電壓，E是定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，f是電源頻率，n為繞組線圈匝數(shù)，K為繞組分布系數(shù)，Φ為磁通量，從這個(gè)公式我們可以看出，如果減小f的話，電源頻率U還不變，那么Φ必然變大，因?yàn)殡姍C(jī)的磁路設(shè)計(jì)都是按照一定的飽和磁通量設(shè)計(jì)的，如果Φ增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，所以必須保證Φ為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U ，同理，f增大

55、，U也要增大，我們必須保證U/f為一個(gè)常量。 </p><p>　　交流變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器極其配套的變頻調(diào)速電機(jī)構(gòu)成。交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)相比，有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，易于維護(hù)。因此，鑒于設(shè)計(jì)的選擇，這里主要介紹異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 </p><p>　　二、VVVF裝置的特點(diǎn)</p><p

56、>　　既可分別調(diào)頻調(diào)壓，也可調(diào)頻調(diào)壓由逆變器統(tǒng)一完成，且均僅有一個(gè)可控功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小，重量輕，造價(jià)低，可靠性高。</p><p>　　使用二極管整流器，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無(wú)關(guān)而且接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可由同一臺(tái)不可控整流器供電。</p><p>　　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

57、流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快且可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　輸出電壓和電流的波形接近正弦，從而減少諧波分量，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。</p><p>　　SPWM逆變器要求有高的載波頻率，因此開(kāi)關(guān)元件工作頻率高，開(kāi)關(guān)損耗和換流損耗大。</p><p>　　變頻調(diào)速節(jié)能效果明顯，有時(shí)

58、可高達(dá)30%~50%。調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性硬，無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗，而且頻率精度高，能保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高精度、寬范圍無(wú)級(jí)調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)（<1.5），易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)工作量少。</p><p>　　三、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題</p><p>　　諧波引起電動(dòng)機(jī)的效率下降和溫升提高</p><p>　　在逆變器電路變流過(guò)程中，其

59、輸出電壓或電流為階梯波，因此含有豐富的諧波，致使異步電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓電流下運(yùn)行。以當(dāng)前比較普遍使用的正弦波PWM變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率（晶體管開(kāi)關(guān)頻率）大一倍左右的高次諧波分量。高次諧波會(huì)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。如將普通異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般約增加10%~20%。</p><p>　　諧波引起電磁噪聲與振

60、動(dòng)</p><p>　　當(dāng)采用變頻器供電時(shí)，普通異步電動(dòng)機(jī)上由電磁、機(jī)械和通風(fēng)等原因所引起的振動(dòng)和噪聲，將變得更加復(fù)雜。變頻器電源中含有的高次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁振動(dòng)力。當(dāng)電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象因而噪聲增大。由于電動(dòng)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(kāi)電動(dòng)機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。普通異步電動(dòng)機(jī)用變頻器供電時(shí)的噪

61、聲，比用工頻電網(wǎng)供電時(shí)一般約增加10~15dB左右。</p><p>　　低速時(shí)的冷卻效果差 </p><p>　　在電源頻率較低時(shí)，因普通異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗增大。再者，自冷式普通異步電動(dòng)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(dòng)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。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)

62、承受高電壓沖擊</p><p>　　目前中小容量變頻器，大多數(shù)采用SPWM的控制方式。它的載波頻率約為幾KHz到十幾KHz，這就使電動(dòng)機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的對(duì)地絕緣形成威脅，對(duì)地絕緣在高電壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。</p><p>　　2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍</p><p&g

63、t;　　在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%~25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開(kāi)支。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。一改普通電動(dòng)機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使得電動(dòng)機(jī)及其

64、拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)須任何改動(dòng)的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國(guó)并得到推廣?，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(dòng)設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大而得到充

65、分的體現(xiàn)。</p><p>　　交流變頻調(diào)速性能良好，因而已在供水，冶金，紡織，造紙，化工，建材等行業(yè)廣泛采用并大力推廣。</p><p>　?。?）城市供水及高樓供水 城市及市內(nèi)大型建筑如賓館等的供水，關(guān)系著工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。目前自來(lái)水行業(yè)多采用串級(jí)調(diào)速，串級(jí)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。另外，若采用變頻調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)壓力變送器、流量變送

66、器等檢測(cè)設(shè)備和PID控制形成閉環(huán)，控制效果將更好，供水水壓恒定，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。</p><p>　　（2）鋼鐵行業(yè) 變頻調(diào)速精度高，節(jié)電效果好，可頻繁起抽動(dòng)作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機(jī)輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機(jī)、風(fēng)機(jī)等多處得到應(yīng)用。</p><p>　　（3）煉油行業(yè) 煉油行業(yè)對(duì)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)

67、濟(jì)效益。</p><p>　?。?）化工行業(yè) 除將變頻器用于供水，風(fēng)機(jī)外，在化工行業(yè)中各工藝生產(chǎn)線，各類泵，攪拌機(jī)等用量也非常大。該技術(shù)的應(yīng)用可大大消除事故隱患，減少維護(hù)量，且操作簡(jiǎn)單方便，同液力耦合調(diào)速相比，節(jié)電40%以上。 </p><p>　　（5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對(duì)變頻調(diào)速有大量的需求，除大量的風(fēng)機(jī)外，精紡機(jī)，粗紡機(jī)，整經(jīng)機(jī)，經(jīng)編機(jī)以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。傳

68、統(tǒng)印染設(shè)備的直流調(diào)速系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在高濕度場(chǎng)合，維修量很大，用變頻調(diào)速托動(dòng)異步電機(jī)，不僅具有良好的調(diào)速性能，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。</p><p>　　3.1 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)</p><p>　　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(duì)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。近年來(lái)，由于矢量控制等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性已

69、可與直流調(diào)速性能相媲美。但是，交流變頻系統(tǒng)性能的改進(jìn)，不僅與控制方法和變頻裝置等有關(guān)，還與所用的電動(dòng)機(jī)有很大關(guān)系。要使系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)與變頻裝置很好的匹配，就必須了解在變頻裝置供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)將面臨的問(wèn)題。</p><p>　　3.2變頻電源供電情況下電動(dòng)機(jī)應(yīng)用所面臨的問(wèn)題</p><p>　　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；三是實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)。變頻調(diào)速中變頻

70、電源供電的電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)工頻正弦波供電的電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于：前者，一方面是從低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運(yùn)行，另一方面電源波形是非正弦的。由于以上特點(diǎn)，因而帶來(lái)以下一系列問(wèn)題：</p><p>　?。?）損耗增加，效率降低 由于變頻電源的輸出中含有大量的高次諧波，這些諧波會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的銅損耗和鐵損耗，降低運(yùn)行效率。即便是目前廣泛采用的SPWM正弦脈寬技術(shù)，也只是抑制了低次諧波，降低了電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而擴(kuò)展了電動(dòng)機(jī)

71、低速下的平穩(wěn)運(yùn)行范圍。而高次諧波不僅沒(méi)有降低，反而大大增加了。一般說(shuō)來(lái)，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(wèn)題。</p><p>　?。?）產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲 由于一系列高次諧波的存在，還會(huì)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲。如何降低振動(dòng)和噪聲，對(duì)正弦波供電的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)難題了，而對(duì)于由變頻電源供電的電動(dòng)機(jī)來(lái)講，由于電源的非正弦性，就

72、使問(wèn)題變得更為復(fù)雜和棘手。</p><p>　?。?）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)低速運(yùn)行。</p><p>　　（4）出現(xiàn)浪涌電流和電暈現(xiàn)象，損害電動(dòng)機(jī)絕緣 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，外加電壓經(jīng)常與變頻裝置中元器件換流時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流相迭加，有時(shí)浪涌電壓較高

73、，致使線圈受到反復(fù)電沖擊，絕緣加速老化。此外有時(shí)還伴有電暈現(xiàn)象產(chǎn)生，致使線圈對(duì)地絕緣損壞。</p><p>　?。?）產(chǎn)生軸電壓和軸電流，縮短軸承壽命 軸電壓的產(chǎn)生主要是由于磁路不平衡和靜電感應(yīng)的存在，這在普通電動(dòng)機(jī)中并不嚴(yán)重，但在變頻電源供電的電動(dòng)機(jī)中則較為突出，若軸電壓過(guò)高，軸和軸承間油膜的潤(rùn)滑狀態(tài)遭到破壞，軸承壽命將大大縮短。</p><p>　?。?）低速運(yùn)行時(shí)散熱效果降低

74、 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，這時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，普通電動(dòng)機(jī)所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風(fēng)量已大大減小，散熱效果大大降低，必須采用其它的冷卻方式。</p><p>　?。?）容易產(chǎn)生共振干擾 一般來(lái)說(shuō)，任何機(jī)械裝置都會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。但工頻恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，要避免與50Hz的電頻率響應(yīng)的機(jī)械固有頻率發(fā)生共振比較容易。而變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率變化范圍廣，加之各個(gè)部件都有各自

75、的固有頻率，這就極易使它在某一頻率下發(fā)生共振。</p><p>　　綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)在由變頻電源供電運(yùn)行時(shí)將會(huì)面臨諸多的特殊問(wèn)題。因此 針對(duì)問(wèn)題，進(jìn)行變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的專門設(shè)計(jì)已成必要。</p><p><b>　　3.3電磁設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過(guò)載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率

76、因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過(guò)載能力和啟動(dòng)性能不再需要過(guò)多考慮，而要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下：</p><p>　　1） 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加。</p><p>　　2）為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但

77、轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。</p><p>　　3）變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。</p><p><b>　　3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　

78、在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲和冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問(wèn)題：</p><p>　　1）絕緣等級(jí)，一般為F級(jí)或更高，加強(qiáng)對(duì)地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。</p><p>　　2）對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問(wèn)題，要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開(kāi)與各磁力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。</p><

79、;p>　　3）冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　4）防止軸電流措施，對(duì)容量超過(guò)160KW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí)，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。</p><p>　　5）對(duì)恒功率變頻電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)5100r/min

80、時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤(rùn)滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。</p><p>　　3.5變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)</p><p>　　一、既然變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是運(yùn)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的專用電動(dòng)機(jī)，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮到該類電動(dòng)機(jī)由變頻電源供電時(shí)的問(wèn)題，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)電源波形的非正弦和從低頻到高頻的寬頻范圍，寬調(diào)速比的運(yùn)行狀況。</p><p>　　二、由于在調(diào)速系

81、統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)——變頻電源——控制單元是密切相關(guān)的，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的整體。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)解決的又一基本問(wèn)題。尤其是在電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選取時(shí)，不再是僅僅在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部綜合考慮，而應(yīng)就整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)通盤考慮。 這是因?yàn)樵谧冾l調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)不僅影響到電動(dòng)機(jī)自身的性能指標(biāo)，而且影響到整個(gè)系統(tǒng)，它的取值對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重大影響。

82、因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)變頻器和電動(dòng)機(jī)兩者的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性綜合分析，從總體的最佳要求確定。</p><p>　　三、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)也解除一些約束。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)既然由專用的逆變電源供電，這就避免了以往直接由工頻電網(wǎng)供電的各種限制，因此其參數(shù)配置和性能要求在許多方面也就不再受工頻的制約。電動(dòng)機(jī)的頻率，電壓及效率等額定值的選取，不再受工頻電網(wǎng)的限制，僅僅根據(jù)機(jī)電一體化的原則，

83、在系統(tǒng)內(nèi)通盤考慮決定，系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)總是采用降頻降壓的軟起動(dòng)方式，這樣不必考慮工頻起動(dòng)特性，因此，設(shè)計(jì)中不存在工頻時(shí)的起動(dòng)性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)的限制及對(duì)其他指標(biāo)的約束，也不會(huì)出現(xiàn)高轉(zhuǎn)差頻率運(yùn)行。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，在采用矢量控制等情況下，由于運(yùn)行中保持轉(zhuǎn)子磁通不變，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一條直線，不存在最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)中漏抗取值的限制。</p><p>　　3.6 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范

84、圍</p><p>　　目前調(diào)速電機(jī)的市場(chǎng)占有率約為50%，估計(jì)到2020年，其市場(chǎng)占有率將達(dá)到85%左右。適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。也適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。更適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上和中、小功率中要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。</p><p>　　在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事設(shè)施以及日常生

85、活中廣泛地應(yīng)用著電機(jī)傳動(dòng)。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。但是直流電動(dòng)機(jī)本身在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的問(wèn)題，以及對(duì)環(huán)境的要求也高和維護(hù)檢修不便的問(wèn)題。所以采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠，很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境。上世紀(jì)20年代，人們認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速是

86、交流電動(dòng)機(jī)的一種最好調(diào)速方法。它既能在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可以獲得良好的超動(dòng)和運(yùn)行特性。</p><p>　　變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來(lái)，可以這樣說(shuō)由于變頻電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機(jī)的身影。由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對(duì)高速或低速

87、運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求，對(duì)作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機(jī)，提出了苛刻的要求，給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)了在電磁、結(jié)構(gòu)等各方面新的課題。</p><p><b>　　4.1 概述</b></p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、使用維修方便，因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)交流無(wú)級(jí)調(diào)速一直傾注著極大興趣。近年來(lái)，由于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速開(kāi)辟了廣闊前景。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)

88、家也普遍采用SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源電壓和頻率，從而出現(xiàn)了由交流變頻電動(dòng)機(jī)與SPWM裝置共同構(gòu)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。</p><p>　　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(duì)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。近年來(lái)，由于矢量控制等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性已可與直流調(diào)速性能相媲美。以下本

89、章就以功率為1.5KW的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)為例來(lái)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　關(guān)于課題“三相交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究”的探討。從最初的選題，提出問(wèn)題，分析問(wèn)題到解決問(wèn)題，計(jì)算問(wèn)題。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行迭加運(yùn)算。每一個(gè)過(guò)程都是對(duì)自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。 通過(guò)這次實(shí)踐，我了

90、解了變頻器的用途及工作原理，進(jìn)一步掌握了變頻調(diào)速電機(jī)的的工作原理。接觸到了一個(gè)新的電機(jī)領(lǐng)域，認(rèn)識(shí)到變頻器和電機(jī)的組合可以為風(fēng)機(jī)，水泵等需要調(diào)速的裝置提供一個(gè)平臺(tái)。熟悉了三相交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的電磁部分的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲很多，比如學(xué)會(huì)了查找相關(guān)資料，搜集資料；分析數(shù)據(jù)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律的范圍

91、來(lái)進(jìn)行電磁的設(shè)計(jì)與計(jì)算；提高了自己的學(xué)習(xí)能力，懂得了許多經(jīng)驗(yàn)公式的獲得是前人不懈努力的結(jié)果。同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式也只是一般化的公式，也存在特例。當(dāng)然，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)最主要的收獲有三點(diǎn)：其一是深入地了解了“電機(jī)學(xué)”書上有關(guān)異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和基本原理方面的知識(shí)；其二是首次接觸到變頻器這一電力電</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)自己學(xué)校四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己的知識(shí)還很淺薄，雖然學(xué)

92、校生活即將結(jié)束，但是人生還很長(zhǎng)，所以無(wú)論在以后的研究生學(xué)習(xí)中還是在工作中都要認(rèn)真地學(xué)習(xí)，使自己成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)的人。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[2] 許大中.交流電機(jī)調(diào)速理論[M]. 浙江:浙江大學(xué)出版社,

93、2005 </p><p>　　[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[4] 戴文進(jìn).特種交流電機(jī)及其計(jì)算機(jī)控制與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[5] 董超奎 頻率很高時(shí)交流變頻電機(jī)設(shè)計(jì)分析[

94、J].微電機(jī)，1999</p><p>　　[6] 葉劍秋.變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，1999 </p><p>　　[7] 李隆年，王寶玲等.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1992</p><p>　　[8] 王鳳翔，交流電機(jī)的非正弦供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997</p><p>　　[9] 吳

95、安順等.最新使用交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998</p><p>　　[10] 張燕賓等.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[11] VB.Honsinger. Induction motors operating from inverters. IEEEI ASA nn.Meeting,1980 </p><

96、;p>　　致 謝 </p><p>　　在這次進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，老師給了我們很大的幫助。不僅時(shí)常督促我們的設(shè)計(jì)進(jìn)度，給予專業(yè)方面的指導(dǎo)還回答我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中提出