论交流异步电动机的调速应用.docx

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论交流异步电动机的调速应用

XXXX大学

毕业设计

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交流异步电动机调速设计与应用

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目录

目录1

摘要2

第1章绪论3

1．1电气传动技术的发展概况3

1．2定子调压调速4

1．3串级调速4

1．4变极调速4

1．5变频调速4

1．6普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题5

第2章变频调速技术及其应用5

2．1变频调速技术的意义与应用5

2．2异步电动机的变频变压调速（VVVF）5

2．3变频器的基本结构6

2．4SPWM变频器的原理7

第3章普通交流异步电动机变频调速性能9

3．1普通交流异步电动机的T形等效电路9

3．2交流异步电动机起动频率范围的确定10

3．3交流异步电动机起动原理10

第4章普通交流异步电动机变频调速最佳调速范围12

4．1变频调速对普通交流异步电动机的影响12

4．2电动机性能的测试方法及设备14

结论与展望15

参考文献16

致谢17

摘要

普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用，但是，普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，在频率改变时，电动机的参数和性能都将发生改变。

由于异步电动机本身的非线性性，加上工作频率的改变，使其建模非常困难，因此，长期以来，在设计普通交流异步电动机变频调速系统时，只是凭借经验确定一些重要参数。

本论文计算分析了在基频以下、以恒压频比方式供电下，变频调速时普通交流异步电动机启动电流、转矩的变化规律，并提出了根据电动机负载确定其最佳启动频率范围的方法。

然后，以具体的普通交流异步电机变频调速系统为研究对象，重点测试了变频调速时异步电动机的各项性能数据，并据此提出了普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范围，从而为普通交流异步电动机变频调速系统的设计提供了重要的理论依据。

[关键词]：

普通交流异步电动机（TM）变频调速系统（TP）最佳启动频率（TM）最佳调速范围（TM）、

第1章绪论

1．1电气传动技术的发展概况

电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。

电气传动系统通常由

电动机、控制装置和信息装置几部分组成。

电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。

电气传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等。

电气传动又可分为不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速。

直流电气传动和交流电气传动在19世纪后期先后诞生。

但在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局：

约占电气传动的80％不变速传动系统都采用交流传动，20％调速系统一般采用直流调速。

虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性能，容易得到满意的动静态性能。

而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但它是一个非线性、强耦合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。

但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环节逐步显露出来：

直流电机由于换向器的存在降低了功率／重量的比值，限制了电机的容量和速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢的，转予发热多，效率低，磨损大，可靠性差。

随着20世纪70年代计算机和微处理器技术的迅速发展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气传动逐渐占据了主导地位。

采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美目前，从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业调速装置，都可以采用交流调速方案。

交流调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种高精度、快速响应的高性能指标的电气传动控制领域。

目前，电气传动系统中新的格局已经形成：

交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。

1．2定子调压调速

异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压

将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。

定子调压调速是一种比较简

便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻

降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。

在电力电子技术高速发展

的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实现交流调压调速。

定子调

压调速的主要优点是：

方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速

精度。

其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的80～85％”。

，

电动机转子的损耗比较大等。

1．3串级调速

在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过交流

装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。

串级调速可

分为两类：

一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流

器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变

器来实现调速。

串级调速的主要优点是：

可以将滑差能量以电能的形式回馈至电

网，在整个调速范围内系统总效率较高,可达90％。

调速平滑；装置容量与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。

串极调速的主要缺点是：

功率因数低，可能要低于0.6；晶体管串级调速装置有谐波危害：

当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行：

最大力矩降低约17％左右。

电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。

1．4变极调速

变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。

这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。

从电机构造上看，定子绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。

变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是：

无跗加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。

其主要缺点是：

不能连续调节转速。

1．5变频调速

改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水泵、压风机及空调等。

变频调速的主要优点：

起动电流小，在异步电动机的各种调速装置中变频调速效率最高。

特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠性高、调速精度高、特性硬、省电的特点在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。

随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。

1．6普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题

当频率改变时，会对交流异步电动机产生～系列的影响：

损耗增加，效率下

降：

在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降；

在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。

由于

交流异步电动机本身就是一个非线性、强耦合、多变量的对象，且更为严重的是，

由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下

变化明显。

例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。

所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。

第2章变频调速技术及其应用

2．1变频调速技术的意义与应用

根据资料显示，各类电动机所耗电能占全部工业用电的60％以上，其中美国、法国等发达国家的比重超过三分之二，在我国的几个主要电网中电动机所耗电能的比重也在65％左右。

在一般的中小型工厂中，工作运行的三相异步电动机大约在数十台到数百台之间，而在大型工厂中往往有数千台电动机在运行。

所以提高电机的工作效率，采用节能技术是其经济运行的有效途径。

因此世界各国都在研制并推广各类节能技术与设备以促进电动机的经济运行。

．相关数据表明，我国各类工矿企业中风机、水泵类机械设备每年的耗电量约占全国总发电量的三分之一左右，而变负荷运行的又占了其中的70％。

又有实际资料显示，家用空调、楼房供水系统、企业的各类电机在大多数情况下只有60％负载”，因此，若采用变频调速技术，风机、水泵类电机的节能调速的潜力将非常大，每年可以节电几百亿度。

在众多调速技术中，交流变频调速技术是各类工业设各高效率运行，节能降耗的有效手段。

2．2异步电动机的变频变压调速（VVVF）

在异步电动机的调速系统中，变压变频调速系统（VariableVoltageVariableFrequencySystem）是控制性能最好，效率最高的系统。

异步电动机中，转子转速低于气隙旋转磁场的旋转速度即同步转速，故在转子回路中，将产生转差电动势，该电动势产生转子电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。

异步电动机定子每相绕组感应电动势有效值公式，具体如图1。

图1调速方式相应的特性曲线

2．3变频器的基本结构

变频器的主要任务就是把恒压恒频（ConstantVoltageConstantFrequency，

CVCF）的交流电转换成变压变频（VariableVoltageVariableFrequency，VWF）

的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。

从结构上分，变频器可以分为交

交变频器（直接变频器）和交一直一交变频器（间接变频器）。

交一交变频器是将恒压恒频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成，当输入信号是一组频率和幅值均可调的三相正弦信号时，则变频器输出三相交流电，在这种变频器供电下，电动机的输出转矩脉动小、损耗小，但是其最高输出频率有限。

交一直一交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变器将直流变换成调压调频的交流电。

这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网频率。

这种控制方式中，调压与调频分别在两个环节上进行，现在普遍采用不可控整流器整流，用PWM逆变器同时调压调频的交一直一交变频器“”。

其基本结构如图2所示：

图2交一直一交变频器的基本结构

2．4SPWM变频器的原理

PWM逆变器可以分为变幅和恒幅两种方式。

目前工业上广泛采用恒幅PWM逆变器，主要是通过对逆变电路的开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或其它波形。

它的优点是主回路简单，而且可以直接地控制本身输出电压的大小、频率，使其调节速度快，系统的动态性能好。

图3为三相桥式逆变器主电路图，他由6只大功率晶体管VTI～VT6（或其它快速功率开关器件）和快速续留二极管VDl～VD6组成。

这是一种交一直一交电压型逆变器，整流器是二级管组成的桥式电路，输出恒定不变的直流电压，中间环节为电容滤波，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率，实现调压调频的目的。

逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率的调节，是通过各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断而实现的。

图3三相桥式逆变器主电路图