三相异步电动机变极及串极调速系统设计

烟台南山学院电机拖动课程设计题目三相异步电动机变极及串极调速系统设计姓名：XXX所在学院：计算机与电气自动化学院所学专业：自动化班级：自动化XXXX学号：XXXXXXXXXXXX指导教师：XXX完成时间：2013-12-20摘要本文所讨论的是三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于一般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的三相笼型异步电动机是唯一的途径。但是，对于绕线式异步电动机来说，其转子绕组能够通过变量以实现调速。绕线式异步电动机转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手：1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。综合所述，利用串级调速系统，是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。【关键字】节能，双闭环，调速，变极，串级目录第一章三相异步电动机的工作原理及结构............................................................11.1三相异步电动机的结构...................................................................................11.2工作原理...........................................................................................................2第二章三相异步电动机调速概述............................................................................42.1调速概念..........................................................................................................42.2调速方法..........................................................................................................42.3调速范围..........................................................................................................72.4动态速降..........................................................................................................72.5恢复时间..........................................................................................................8第三章串级调速的基本原理及线路..........................................................................93.1串级调速的基本原理.......................................................................................93.2串级调速基本类型...........................................................................................93.3串级调速系统的起动方式.............................................................................11结论............................................................................................................................13致谢............................................................................................................................14参考文献......................................................................................................................151第一章三相异步电动机的工作原理及结构1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机主要就是由定子和转子两部分组成。（如图1-1所示）。定子主要由定子铁芯，定子绕组，机座，端盖等组成。转子主要由转轴，转子铁芯，和转子绕组组成。（按照转子绕组的结构形式，转子可分为绕线式转子和鼠笼式转子）。图1-1三相异步电动机的结构(1)定子铁心：通常由0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈；(2)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度电角度。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U1，V1，W1，末端分别标为U2，V2，W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图1-2所示，可结成星形或三角形。(3)转子铁心：也用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图1—2电动机的接线法（4）转子绕组分为：笼型转子和绕线转子。（5）机械部分：机座、端盖、轴和轴承等。1.2工作原理三相异步电动机的工作原理可以简述如下：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三项交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电动机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。这一工作过程可表示成下图1-3、1-4所示。3图1—3电动机的工作流程图1—4电动机的工作原理示意图4第二章三相异步电动机调速概述2.1调速概念所谓调速即是用人为的方法来改变异步电动机的转速。由三相异步电动机的调速转差率公式：S=(n1-n）/n1得：n=n1(1-s)=(60f/p)(1-s)f是电源频率，p是磁极对数.2.2调速方法由转速公式可见，改变供电频率f、电动机的磁极对数p及转差率s均可达到改变电动机转速的目的。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或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有：1、绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速2、应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。3、改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机4、改变定子电压、频率的变频调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速两种方法。高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。2.2.1、变极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，如三角形联结和双星型联结，如图1—6：5图1—61、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于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。2.2.2、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。62.2.3串极调速方法串极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：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶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、挤压机上使用。2.2.4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。属于有级调速，机械特性较软。2.2.5定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。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，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。2.2.6电磁调速电动机的调速方法电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三