三相异步电动机变频调速课程设计

目录

1三相异步电动机基本原理 (1)

1.1电动机的结构及原理 (1)

1.1.1 电动机的结构 (1)

1.1.2工作原理 (3)

2异步电动机的机械特性 (4)

2.1 固有机械特性 (4)

2.2 人为机械特性 (5)

2.2.1降低定子电压的人为特性 (5)

2.2.2增加转子电阻时的人为特性 (5)

2.2.3改变定子频率时的人为特性 (5)

3电动机的调速指标 (7)

4 异步电机的变频调速 (8)

5具体调速的设计 (10)

6结论 (11)

7设计体会 (12)

参考文献 (13)

摘要

原理是当定子三绕组通三相对称电流后，定转子产生旋转磁场，根据右手定则，转子绕组产生感应电动势，由于绕组是闭合的，所以产生感应电流，根据左手定则，转子绕组相当于空间绕组，进而产生电磁转距，合成磁转距大于阻转距时，电机起动

重点是三相异步电动机变频调速，一方面当f1＜fN时，为恒转矩调速，转矩不变，额定转速降低，增大起动转矩Tst，另一方面当f1＞fN时，为恒功率调速，调速前后功率不变，额定转速升高，减小启动转矩Tst。变频调速可以实现宽范围内的平滑调速，变频调速电机以简单的结构、优良的调速性能、较高的调速比，应用越来越广泛

关键字：恒转矩调速;恒功率调速;三相异步电动机。

1.三相异步电动机的基本原理

当定子三绕组通三相对称电流后，定转子产生旋转磁场，根据右手定则，转子绕组产生感应电动势，由于绕组是闭合的，所以产生感应电流，根据左手定则，转子绕组相当于空间绕组，进而产生电磁转距，合成磁转距大于阻转距时，电机起动。

1.1电动机的结构及原理

1.1.1结构

三相异步电动机的种类很多，可是三相异步电动机结构基本是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件

结构如下图：

图1-1-1-1 封闭式三相笼型异步电动机结构图

1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；

7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇

(1)、定子

定子铁芯:导磁和嵌放定子三相绕组:0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成;内圆均匀开槽;槽形有半闭口、半开口和开口槽三种：适用于不同电机。

定子绕组：定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相

对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心

槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U

1, V

1

, W

1

，末端分别

标为U

2, V

2

, W

2

。这六个出线端在接线盒里的排列如图 4.3所示，可以接成星形或三角

形。

（a）星形连接（b）三角形连接

图1-1-1-2 定子绕组的联结

机座：支撑和固定作用;铸铁或钢板焊接。

(1)、转子

①转子铁心

转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。

②转子绕组

一般多为以下两种：

铜排转子铸铝转子

1.1.2工作原理

三相异步电动机的工作原理可以简述如下：定子三项电压U1产生定子三相电流I1，三项电流通过定子三相绕组产生旋转磁场 ，由于转子与旋转磁场存在相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势E2.由于转子绕组是闭合的，因而产生了感应电流I2，I2与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩T，从而使转子拖动生产机械以转速n运转。这一工作过程可以表示成下图：

图1-1-2 三相异步电动机的工作原理图

2.异步电动机的机械特性

2.1 固有机械特性

当U1、f1、R2和X2都保持不变时，三相异步电动机的T与s之间的关系T=f（s）称为转子特性，n与T的关系n=f(T)称为机械特性。当定子电压和频率都保持为额定值，当转子电路中不另外串联电阻电抗，这时的转矩特性和机械特性统称为固有特性；否则称为人为特性。固有特性上的N、M、S三个特殊的工作点代表了三相异步电动机的三个工作状态。

（1）额定状态（N点）

额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。

N点： n = nN ， s = sN ，

T = TN ，P2 = PN。

额定状态说明了电动机长期运行的能力

（2）临界状态（M 点）

对应 s = sM，T = TM 的状态

临界状态明了电动机的短时过载能力。

Y系列的三相异步电动机αMT =2—2.2

（3）堵转状态（ S 点）

对应 s = 1，n = 0 的状态——又称为起动状态。

堵转状态说明了电动机直接起动的能力。

起动条件为TS > (1.1 ~1.2)TL。和IS＜允许值。

Y 系列三相异步电动机

启动转矩倍数αST = 1.6 ~ 2.2

起动电流倍数αSC = 5.5 ~ 7.0

2.2 人为机械特性

2.2.1降低定子电压的人为特性

由于临界转差率和电压无关，而转矩正比于电压平方，电压降低后的人为特性如下图

其中U1'＞U1"

2.2.2增加转子电阻时的人为特性

由于sM 正比于 R2 ，TM 与 R2 无关，故串入电阻时的人为特性如下图：

2.2.3 改变定子频率时的人为特性

(1) f1＜ fN 时，要保持11f U =11

f E =常数

（2）f1＜ fN时，要保持U1=UN常数

3.电动机的调速指标

调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和生产质量。

⑴调速范围

电动机在满载（电流为额定值）情况下所能得到的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用D表示，即D=nmax：nnin

⑵调速方向

调速方向指调速后的转速比原来的额定转速（基本转速）高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。

⑶．调速的平滑性

调速的平滑性由一定调速范围内能达到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式地调节，例如只能从3000r/min一下调节到500r/min，再又调节到1000r/min等，两者中间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然比有级调速好。

平滑的程度可以用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数。即

σ=ni/ni-1

σ越接近于1，平滑性越好。无级调速时σ=1，平滑性最好。

⑶调速的稳定性

⑷调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化

的程度，通常用静差率来表示。其定义为：在某一机械特性运行时，电动机由理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之百分比，即

δ=（n0-nf）/n0*100%

δ越小，稳定性越好。

静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为

α=|dT/dn|≈ΔT／Δn

α越大，转矩变化时，n变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率δ就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速n0的大小有关。

生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。

静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的δ太大，则该转速的稳定性太差，边难以满足生产机械的要求。

⑸调速的经济性

这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。

⑹调速时允许负载

电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速方法称为恒转矩调速。对于三相异步电动机来说，

n=（1-s）n0=（1-s）*60f1/p

所以三相异步电动机的调速方法课分为两大类：一类是通过改变同步转速n0来改变转速n，具体方法有变极调速（改变p）和变频调速（改变f1）；另一类是通过改变转差率s来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行。

4.异步机的变频调速

4.1 f1＜ fN

时，要保持11

f U =常数

（a ）f1＜fN 时

准确的说，11

f E =常数，才能保持Φm 不变。随着f1的降低，U1的讲笑，漏阻抗电压的作用越明显，所以在实际变频调速中，随着f1的降低，要适当提高11

f U 值，对漏阻抗

电压进行适当的补偿。

4.2 f1＞fN 时，要保持U1=UN 常数

（b ）f1＞fN

变频调速的主要性能如下：

（1） 调速方向既可往上调，也可往下调。 （2） 平滑性好，可实现无级调速。

（3） 调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，静差率小。 （4） 调速范围广。

（5） 调速的经济性方面，初期投资大，需要专用的变频装置。但运行费用不

大。

（6） 调速时的允许伏在分析如下： ① f1＜fN 时为恒转矩调速

由于f1＜fN 时，11

f U =常数，Φm 基本不变，因此各种转速下的满载转矩T=CT Φ

mI2Ncos ψ2基本不变。 ② f1＞fN 时为恒功率调速

由于f1＞fN 时，U1=常数，在各种转速下的满载转矩T=CT ΦmI2Ncos ψ2基本上与转速n 成反比，两者的成绩基本不变，允许的输出功率基本不变。

5.具体调速的设计

已知P N

=1000W ，n 0

=3000r/min, n N

=2930r/min, α

MT

=2.2

由额定值可求得

m N n P T N N N ?=???==

91.482930

1000

1514.3260260π

m N T T N MT M ?=?=?=61.10791.482.2α

0233.03000

2930

300000=-=-=

n n n s N N

0969.01

2.22.2023

3.01

2

2

=--

=

--=

MT

MT N

M s s α

α

0187

.014061.1074061.1070969.0122=??

?

???

?

?-???

??-?=???????

?-???

??-

=T T T T

s s M M M 所以，频率为50Hz ，U 1=U N 时带动负载的转速为：

m in /2944m in /3000)0187.01()1(0r r n s n =?-=-=

由于f 1增加，U 1不变时，T M 与f 12成反比，s M 与f 1成反比，而

M M T f f T 2

21'???

?

??=

M M

s f f s ???

? ??=21'

???

????

?-???

??-=1'''22T T T T s s M M M

p

f n 2

060'=

可求得改变频率后的转速

m in /3516')1(022r n s n =-=

6.结论

三相异步电动机变频调速，一方面当f1＜fN时，为恒转矩调速，转矩不变，额定转速降低，增大起动转矩Tst，另一方面当f1＞fN时，为恒功率调速，调速前后功率不变，额定转速升高，减小启动转矩Tst。变频调速可以实现宽范围内的平滑调速，变频调速电机以简单的结构、优良的调速性能、较高的调速比，应用越来越广泛。

注意：应该按实际情况来选择调速方式，这样才能发挥出最佳的性价比。

缺点：需要专用的变频电源，初期投资大。

7.设计体会

通过对绕线式三相异步电动机转子串电阻起动这一课题的设计，我得到了很多收获：

1、增强了我的动手实践能力和独立操作的能力。

在对课题的设计中，需要翻阅很多资料，并且上网收集相关的图片信息，并将其进行归纳整理，提取有用的材料进行课程设计，这个过程培养了我动手能力、独立思考操作能力和对信息的综合分析的素质，对我今后的学习生活有很大的帮助。

2、加深了我对电机与拖动这门课程知识的理解。

在设计过程中，不仅仅是需要这一课题的有关知识，而是需要有关电机的很多知识，在设计中对这些知识的综合运用，无疑是电机与拖动知识的一次新的，具体的，全方面的理解与应用，加深了我对这门课程的理解，还从中学会了很多在课堂上所学不到的知识和能力，使我所学的知识得到了一次升华。

3、拉近了同学之间的距离

大学同学除了上课，其他时间基本上是个忙个的，很少有时间聚在一起，课程设计为我们提供了一个大家一起学习讨论问题，解决问题的平台，增进了同学之间的友谊，拉近了大家的距离。

总之，这次的课程设计我从中学到的不仅是学习方面的知识，更有个人能力上的重大提高，使我受益匪浅。

参考文献

1唐介: 《电机与拖动》高等教育出版社2003.7 2唐介: 《控制微电机》高等教育出版社1987.4

3王毓东: 《电机学》杭州浙江大学出版社1990 4杨长能: 《电机学》重庆大学出版社1994

5李发海: 《电机学》科学出版社1991

6刘启新: 《电机与拖动基础》中国电力出版社2005

7汤蕴: 《电机学》西安交通大学出版社1993