变频调速技术及电机设计
变频调速三相异步电动机的设计
变频调速三相异步电动机的设计本文将探讨变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用。
本文将简要介绍变频调速技术的原理和发展概况；将详细阐述三相异步电动机的基本工作原理和设计步骤；将讨论变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用及其优势。
变频调速技术是一种基于电力电子技术与微控制技术的调节电动机转速的方法。
它通过对电源频率的改变，实现对电动机的平滑调速。
变频调速技术具有高效、节能、精准控制等优点，已成为现代工业领域中广泛应用的调速技术之一。
近年来，随着电力电子器件的不断更新和微控制技术的进步，变频调速技术的性能和可靠性得到了极大的提高。
三相异步电动机是一种应用广泛的电动机类型，它利用电磁感应原理将电能转化为机械能。
三相异步电动机由定子和转子两部分组成，定子绕组接通电源后，产生旋转磁场，转子绕组在旋转磁场的作用下产生感应电流，进而产生电磁转矩，使电动机旋转。
三相异步电动机的设计核心是电磁场的分析和计算，以及转子结构和参数的优化。
三相异步电动机的设计步骤主要包括以下几个方面：（1）明确设计需求：根据实际应用场景，明确电动机的功率、转速、尺寸和温升等参数需求。
（2）选定电动机结构型式：根据应用场景的要求，选择电动机的结构型式，如封闭式、开启式、防护式等。
（3）确定电磁负荷：根据电动机的设计需求，计算电磁负荷，包括每相绕组的匝数、线径、磁路尺寸等。
（4）计算气隙磁通密度：通过电磁负荷的计算结果，计算气隙磁通密度，以确定电动机的电磁性能。
（5）优化转子结构和参数：根据气隙磁通密度计算结果，优化转子结构和参数，以获得更好的电磁性能和机械性能。
（6）设计定子铁心：根据电磁负荷和气隙磁通密度的计算结果，设计定子铁心，包括铁心尺寸、槽形和材料等。
（7）选择冷却方式：根据电动机的设计需求和结构型式，选择合适的冷却方式，如自然冷却、强迫通风冷却等。
变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用及其优势变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用，主要是通过在电源侧施加变频电压，达到调节电动机转速的目的。
浅析变频调速电机节能技术
击 ，减少 电动机故 障率 ，延长使用奉命 ，同时 也降低 了对 电网的容量 要求和无功损耗 ，因此 为达到节能 目的推广使用变频 器已成为各地节 能工作部 门以及各单位节 能工作的重点。 以某 钢铁厂一号锅炉现有鼓风机和 引风机 各一 台 ，
分别配用 １ ６ ０ ｋ ｗ和１ ８ ５ ｋ Ｗ 电 机 ，风 量 分 别 在
变频 调速 技术 制造 业有 着非常 广 泛的运 缩机。主要原因在于节 电率百分 比相 同的情 况 用 ，因为采用该技术既对产量有着较大 的提 高 下装机容量愈大 ，其绝对节 电量也 愈大。对 风 作用 ，理论上提 高 ５ —１ ０ ％ 转速 是可行的 （ 主 机 、泵 、压 缩机而言 ，对应 电机输入功率 与流 要受电机轴承制约）。也可改善产 品质量 ，随 量 的关系的三次方成正 比，急系统调速前 后的
据悉 ，电机运 行 所消耗 的 电量大 约 占到 全世界用 电量的一半 以上。出于对起动冲击、 过载保护、 系统安全等处于对 电机保护的原因， 高效能的 电动机经常在低功率状态下运行，这 种“ 快马拉慢车”的情况工业生产中十分 常见 。 变频调速就 是通过 改变 电源频率调整 电动机转
着 电机速度的变化 ，在生产加工 中的 电机速度 调 节具有 调速跨度大、调节精度高、响应速度 快 的优点 ，相应的也就提高 了产品的质量 。最 后变 频调速 特别适宜使用于常规 电机功能无法 企 及的场合，由于变频技术 自动化程度高 ，易
速差成 正比，速 差越大 ，节能越显著 。除去机 械 损耗 、 电机 铜 、铁损 等 影响 ，节 能效 率 也 接近 ４ Ｏ ％。 由于采 用变 频器 还 可 以实现 电动 机 的软停止 、软起动 ，避免 了启动时的 电压冲
科技成果——电机变频调速技术
科技成果——电机变频调速技术技术原理
交流变频调速是现代集电力电子、自动控制、微电子学和电机学等技术之精华的一项高新技术。
它以其优异的调速性能、显著的节电效果和广泛的适用性而被国内外公认为应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案。
尤其是高压变频调速技术，是IT顶尖技术与传统行业的结合，为节约能源、降低消耗、减排减污、提高企业经济效益提供重要的途径。
主要设备
上电漕泾电厂机组装机容量为2x1000MW，凝结水系统设计为每台机组配备3×50%容量凝结水泵，正常运行时2运1备。
凝结水泵根据进口压力、背压和进水高度及排量负荷来进行设计选型，单台额定功率为1600kW。
工艺流程
对两台机组的六台凝结水泵电动机进行变频改造，采用“一拖一”+“一拖二”设计，电机M1固定由变频器TF1单独驱动、两台电机M2、M3任何时候只有一台由变频器TF2驱动，另一台可工频备用。
任意一台电机都可以运行在变频状态也可以运行在工频状态。
共计加装四套电机变频系统。
主要技术指标
改变电动机输入频率，以调节电动机的出力
典型案例
主要设备：加装四套电机变频系统项目投资额：978.68万元
项目建设期：1个月
项目年节能量：折2390吨标准煤
项目可形成的年经济效益：332万元项目投资回收期：2.95年。
变频调速三相异步电动机技术条件
变频调速三相异步电动机技术条件
变频调速三相异步电动机是一种通过变频器调节电机的转速的技术。
以下是该技术的一些技术条件：
1. 电源：变频调速电动机需要使用交流电源，通常为三相电源，频率范围为50Hz或60Hz。
2. 变频器：变频调速电动机需要配备变频器，用于调节电机的转速。
变频器可以将常规频率的电源输出转换为可调节的频率和电压。
3. 频率范围：变频调速电动机的频率范围通常为0-400Hz，可
根据实际需要进行调整。
4. 转矩特性：变频调速电动机需要具有良好的转矩特性，能够在不同转速下保持恒定的转矩输出。
5. 调速范围：变频调速电动机的调速范围通常较大，可以在额定转速的几倍范围内进行调整。
6. 控制方式：变频调速电动机可以通过开环控制或闭环控制进行控制。
闭环控制可以实现更精确的转速控制。
7. 电机保护：变频调速电动机需要具备过流、过载、过压、欠压、短路等保护功能，以保证电机的安全运行。
8. 故障诊断：变频调速电动机需要具备故障诊断功能，能够自
动检测并报警或保护电机在发生故障时。
需要注意的是，变频调速三相异步电动机的技术条件可能会根据具体的应用环境和要求而有所不同。
以上条件仅为一般情况下的技术要求。
浅谈交流电动机变频调速技术及应用
Ｇ。ｎｇＹｉ ｙｕ Ｊｊｓｈｕ 三堇 堡 ｌ
浅谈交流 电动机 变频 调速 技术及应用
鲁元 祥 （桂 龙 药 业 （安 徽 ）有 限公 司 ，安 徽 马 鞍 山 ２４３１００）
摘 要 ：当前交流变 频调速技术 得到 了迅速 的发展 ，并有取代直流 电动机 调速 的趋 势，现重 点介绍 了交流异 步 电动机 变频调速 系统原 理及 应 用 技 术 。
２ 交 流 电 机 的 分 类
在基 频 以上 即 从额 定 值 ＡＮ往 上增 高时 ， 定子 电压 的增 设
根据 采用 的 电流 制式 不 同 ，电动机 分 为 直流 电动机 和 交 流 电 不能 超过 其额 定 值 ， ，Ⅳ不变 时， 将 成 反 比下 降 ，从而 导 致 电动
动机 ２大类 ，其 中交流 电动 的拥 有 量 最多 ，提 供给 工 业 生产 的 电量 机最 大 电磁转 矩 随转 速升 高 而减 小 ，这相 当于直 流 电动 机 弱磁 升
转速 、电压 的允 许值 高于 直流 电动机 ，所 以交 流变 频 调速 技 术 得到 致 过 大 的励磁 电流 ，严 重 时会 使绕 组 过热 而破 坏 。异 步 电动 机定 子
了迅 速 的发 展 ，并有 取代 直流 电 动机 调速 的趋 势 。
每 相 绕组 感应 电动势 ：
１ 变 频 调 速
变频调速技术实验
实验测量仪器
电参数测量仪：用于测量实验过程中的电压、电 流、频率等电参数。
数据采集与分析系统：用于实时采集实验数据， 并进行数据分析与处理，以便对实验结果进行定 量评估。
转速测量仪：用于测量电动机的转速，以评估变 频调速系统的性能。
这些设备在变频调速技术实验中起着关键作用。 通过合理的选择与配置，能够搭建出高效的变频 调速实验系统，从而深入研究变频调速技术的性 能与特点。
实验步骤
实验设备与材料：功率计、变频器、电机、负载装置等。
1. 在不同负载和转速条件下，测量变频调速系统的输入功率和输 出功率。
实验数据分析：根据实验数据绘制效率曲线，分析负载、 转速等因素对变频调速系统效率的影响。
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变频调速技术实验数据分析与结论
实验数据分析
数据收集
在实验过程中，我们收集了大量
03
04
2. 采用测速仪等仪器，测量电机在不同转速下的输出功 率、转矩等性能参数。
3. 分析实验数据，评价变频调速性能。
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实验注意事项：确保测量仪器的精度，避免误差的产生 。
实验三：变频调速系统的效率实验
实验目标：通过实验测定变频调速系统的效率，了解变频调 速系统的能耗情况。
2. 计算变频调速系统的效率，并分析其变化规律。
变频调速技术实验
汇报人：文小库
2023-11-16
CONTENTS
• 变频调速技术概述 • 变频调速技术实验设备 • 变频调速技术实验内容 • 变频调速技术实验数据分析与结
论
01
变频调速技术概述
变频调速技术定义
• 变频调速技术：是一种通过改变电机供电频率来实现电机 速度调节的技术。
变频调速技术原理
变频器调速电动机的设计 -
4.1.3 FR-S500 基本功能参数一览表...........................................................................14
4.2 软件设计............................................................................................................................14
4.1.1 PLC 的选择............................................................................................................. 12
4.1.2 变频器参数的设置.............................................................................................. 13
毕业论文(设计)
课题名称 专业名称 学生姓名 学号 指导教师
变频器调速电动机的设计
生产过程自动化 给力的星期八
0903190211 王莉
南京化工职业技术学院自动控制系 2011 年 12 月
目录
摘要
I
Abstract……………………………………………………………………………………………..II
第 1 章、概述.................................................................................................. 错误！未定义书签。
变频调速技术
变频调速技术一、变频调速技术概述变频调速技术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术，变频调速具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平稳、无级变速等优点，因而被广泛使用，是国家电机能效提升计划非常重要的技术。
二、变频调速技术原理变频调速是通过改变供给电动机的供电频率，来改变电机的转速，从而改变负载的转速。
电机的转速：n=50f(1-S)/P其中f为供电频率，P为电机的极对数，S为滑差。
因此，改变f就可以改变电机的转速。
三、变频调速技术特点1、节能，一般可以节能10%～50%根据国家电机能效提升计划，从电机自身情况看，我国电机效率平均水平低于国外3-5个百分点，要提高电机效率就必须提高节能手段。
2、提高网侧功率因数无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。
使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，功率因数很高，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、软启软停功能电机一般为直接启动或Y/D启动，启动电流等于4～7倍额定电流，这不但要求电网容量高，而且启动时会对设备和电网造成严重的冲击，影响使用寿命。
使用变频装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备的使用寿命。
四、变频调速技术节能原理1、风机水泵的节电原理以风机和水泵流体机械来说明转速与节能的关系，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：上述式子中Q1、H1、P1分别代表转速n1时的流量、压力、功率。
Q2、H2、P2、分别代表转速n2时的流量、压力、功率。
即流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。
由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。
例如：当转速降派到80％时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的（80％）3≈51％：若流量需减少到40％，则转速相应减少到40％，此时轴功率下降到额定功率的（40%）3≈6.4％。
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第一章概述1.1 变频调速技术的发展与应用近十年来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。
交流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，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
1.1.1我国变频调速技术的发展概况在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目地控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低耗的目的。
今年来交流调速最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。
我国关于变频调速的研究始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调制技术以及控制技术的发展，BJT(IGBT)PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛应用，而随着SPWM的发展，变频系统的优点越来越突出，应用面也越来越广。
我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。
在变频调速方面，国内虽然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技术规模和生产规模，再加上相关产业的落后，使得至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代中后期的水平。
随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。
国内许多合资公司生产着当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用进口外国公司先进设计和装置，自行开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。
虽然取得很大的成绩，但产品的可靠性和工艺水平与国外还有差距，并且国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还很严重。
目前国内变频调速方面主要的产品状况如下：（1）在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。
这类设备的市场很大，总容量占的比例虽然不大，但台数多，需求增长快。
产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的U/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前U/f 控制占主体，矢量控制数量还比较少，此类产品和质量还不能满足市场的需要，每年要大量进口。
此类国内产品中合资企业生产的比重较大。
（2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。
这类产品在大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大的需求，国内有能力制造的单位不多。
目前功率装置有国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计。
（3）交-交变频器供电的交流调速设备。
这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有较大的需求，虽总需求台数不多，但该类装置功率大，国内只有极少数科研单位有能力制造。
目前最大容量可做到7000～8000KW。
此类产品主要靠进口，目前的国内产品的生产状态是功率装置由国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计，但系统可靠性方面与国外还有很大差距。
1.1.2国外变频调速技术的现状当前国外交流变频调速技术高速发展，主要有以下几个优点：（1）近些年来不断涌现出SCR,GTO,IGBT,IGCT等高电压、大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联、串联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产及应用得到很大发展。
例如：法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达3410⨯kW的电气传动设备用于船舶推进系统；意大利公司能够提供单机容量为6410⨯kW的设备用于抽水蓄能电站。
（2）矢量控制、磁链控制、直接转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速处理微处理器，数字信号处理器（DSP），精简指令集计算机(RISC)和高级专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，使得变频器朝高精度、多功能化方向发展。
国外产品已实现控制全数字化、产品系列化、功能多样化，产品已进入很成熟的阶段。
（3）由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展，已经使变频调速装置的相关配套件的生产社会化、专业化，产品可靠性更高。
1.1.3变频调速技术未来的发展趋势交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性术。
它分为功率级和控制级两大部分。
功率级部分是要解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。
鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点：（1）各种控制方法的深入研究与实现，进一步提高变频调性能。
当前高水平的控制策略有：基于电动机和机械模型的有矢量控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器、在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列方法等；基于智能控制思想的模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
这些已有技术逐步推广应用，同时新的控制技术将不断涌现。
（2）进一步提高变频器的功率因数，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉动。
对中、小容量变频器，主要采取提高开关频率的PWM控制；对大容量变流器，主要采取在常规的开关频率下，改变主电路结构和控制方式这两条途径。
（3）进一步增加器件的集成度，缩小变频装置整体的尺寸，更加提高系统可靠性。
今后变频器中的功率器件和控制元件将具有更高的集成度，如智能化的功率模块、高频率的开关电源以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。
与之配套的功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管），也有利于整机体积减小。
（4）以32位高微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows控制系统的引入使得自由设计成为可能，图形编程的控制技术也有很大发展。
（5）电动机模拟器、负载模拟器以及各种计算机辅助设计(CAD)软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
有关资料表明，采用变频调速技术确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在10～30%，有的高达40%，更重要的是生产中的一些技术难点也得到了解决。
例如包钢1150轧机采用变频装置后，年平均事故时间降低到工作时间的0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，起且年平均节约电费约50万元；乌鲁木齐市热力总公司在供热系统中采用变频调速后，当年节电达35%以上；石油系统从1989年～1997年，油田和长输管道上使用的变频装置已达12万kW，年节电量近2亿kW.h。
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中，我国现在正大力发展和推广变频调速技术，努力缩小和世界先进水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。
1.2 变频调速在电机行业的应用——异步变频调速电动机上世纪20年代人们就已经认识到变频调速是交流电动机的一种最好的调速方法。
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起动和运行特性。
然而由于当时的研究水平的限制，这种方法没有得到广泛的应用，直到上世纪50年代中期，晶闸管（可控硅整流器）研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代，使变频技术开始运用于电机的调速，并得到长足的发展，打破了以往直流调速电机一统天下的格局。
直流电机调速以其调速平滑,范围广,精度高,长期以来在调速领域居优势。
但由于直流电机本身结构上存在换向器和电刷,使其存在如下问题：安装环境受限制,易燃、易爆及尘埃较多的环境不宜使用；常因换向不良,严重影响生产,极大地增加了维护工作量;由于换向问题存在,使制造大容量、高转速的直流电机比较困难;与同容量同转速的交流电机相比,体积大、重量大、价格高，缺点较多。
交流变频调速器与异步电机的结合是一种理想的电力拖动调速方式。
与直流电机拖动相比,环境适应性强,能极大地减少维护工作量,提高机器的生产能力,易满足高转速大容量的要求,造价也低与其它调速方式相比较,最突出的优点是节能最优。
而且它还具有体积小、重量轻、易操作、精度高、应用范围广、机械特性好、自我保护功能强、易实现自动化等优点，所以它是企业进行工程设计、设备改造和技术革新的最佳选择方案，其应用前景会越来越广阔。
第二章 变频调速系统2.1 异步电动机的变频调速原理异步电动机的转速为：)1()1(6011s n s n f n p-=-= (2—1) 式中，n 为电动机转速；1f 为电动机定子的供电频率；s 为转差率；p n 为电动机定子绕组极对数；1n 为旋转磁场的同步转速。
由式(2—1)可以看出交流电源频率1f 的变化，电动机同步转速随之成正比变化。
因此，改变电源频率很容易改变异步电动机的转速。
但是，对于异步电动机来说，若电源频率1f 变化而其电源电压1U 值不变的话，将会引起磁通的变化，因为：Φ=≈1111144.4K N f E U (2—2)式中，1U 为定子相电压；1E 为定子相电动势；1N 为定子每相绕组的匝数；1K 为定子的绕组系数；Φ为每极气隙磁通。
当1f 小于额定值N f 1时，Φ就大于额定值。
由于电机设计制造时取额定磁通在磁化曲线的饱和段附近，当Φ上升时就会引起过大的励磁电流。
为了使由保持恒定，必须在频率1f 变化的同时改变电源电压1U ，并使它们遵循的规律是：=≈1111f E f U 常数 (2—3) 这种压频比为常数的控制方式称为恒磁通控制方式，一般在额定频率N f 1以下，即N f f 11<情况下采用。
在N f f 11>时，如果仍保持=11f U 常数，则N U U 11>，这是不允许的，此时只能保持N U U 11=不变。
由式(2—2)可看出，随着人上升，Φ将减弱，即：11f =∝Φ (2—4) 这种保持N U U 11==常数的控制方式称为恒电压控制方式，一般在N f f 11>情况下采用。
在变频调速过程中，始终保持定子电流幅值恒定，即1I =常数，这种变频调速的控制方式称为恒流变频调速控制方式。
一、恒磁通控制方式异步电动机的电磁转矩一般方程是：])()[(232'2012'211'221X X s r r f sr U n T p e +++=π （2—5）式中，p n 为定子绕组构成的极对数；1r 、1X 为定子每相电阻、漏电抗；'2r 、'20X 为折算到定子侧的转子每相电阻、电动机静止时折算到定子侧的转子每相漏抗。