電機課設第一階段報告

1、電機學課程設計第一階段小組編號：7-1小組成員：白雷 031210335 、張娜 031220710 汪澤 031220723 、趙澤箐 031220734一、普通異步電動機電磁設計過程特點普通異步電動機主要考慮的性能參數(shù)包括過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。具體內(nèi)容如下：啟動性能：1.普通異步電動機對啟動的主要要求：（1） 有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機械能正常啟動。一般場合下希望啟動越快越好，以提高生產(chǎn)效率。即要求電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，否則電動機不能啟動。（2） 在滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動電流越小越好。因為過大啟動電流的沖擊，對于電網(wǎng)和電動機本身都是不利的。（3） 要求啟動

2、平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小對生產(chǎn)機械的沖擊。（4） 啟動設備安全可靠，力求結構簡單，操作方便。（5） 啟動過程中的功率損耗越小越好。2. 普通異步電動機實際啟動特性：（1）定子電流大，Ist=(57)IN（2） 啟動轉(zhuǎn)矩小，Tst=(0.81.5)TN3. 鼠籠式異步電動機的啟動方法： 直接啟動（全壓啟動）、電阻或電抗器降壓啟動 、Y- 降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動 4. 線繞式異步電動機的啟動方法 ：逐級切除啟動電阻法 、頻敏變阻器啟動法 過載能力：最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，表示為K=Tmax/TN一般電動機K取2左右。若K過大，則電動機未充分利用；若K取小了，則電動機工作

3、可靠性差。效率：普通異步電動機的效率在電機輸出額定功率是達到最大值，航空感應電動機的效率比民用的低，但也不小于60%.功率因數(shù)：額定功率因數(shù)：是指電動機在額定負載時定子邊的功率因數(shù)。對電源而言， 感應電動機相當各感性阻抗，功率因數(shù)總是滯后的?？蛰d時，定子電流基本上是勵磁電流，主要用于無功勵磁，所以功率因數(shù)很低。當負載增加時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨之增加，致使功率因數(shù)逐漸提高。在接近額定負載時，功率因數(shù)達到最大。當超過額定負載時，功率因數(shù)降低。二、變頻異步電動機的特點及設計改進和要求變頻異步電動機的優(yōu)缺點：優(yōu)點：目前，變頻調(diào)速技術已迅速發(fā)展并得到了廣泛的應用，對于整個變頻調(diào)

4、速系統(tǒng)而言，其執(zhí)行機構是變頻電機。變頻電機并不是在變頻器驅(qū)動下的普通異步電機，它是用于各類變頻傳動系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的特點和性能要求而特別設計的，具有良好的匹配性，且滿足系統(tǒng)品質(zhì)要求的一類交流電機的總稱。變頻調(diào)速異步電動機不僅具有結構簡單、制造方便、價格便宜、運行可靠等優(yōu)點，而且在變頻器驅(qū)動下實現(xiàn)了性能優(yōu)良的無級調(diào)速。變頻電機在那些調(diào)速范圍廣、速度控制精度高的場合更是得到了廣泛應用。變頻調(diào)速異步電動機的主要優(yōu)點如下： （1） 結構簡單、制造方便：變頻調(diào)速異步電動機的轉(zhuǎn)子一般不需要繞線，省去了集電環(huán)、電刷等裝置，結構非常簡單，維護方便。 （2）調(diào)速效果好、性能穩(wěn)定：由電機學可知，異步電動機有如下關系

5、式：在電源頻率f1 一定時，定子繞組感應電動勢E1 與產(chǎn)生它的氣隙磁通m成正比。由（式a）中看出，若U1 不變，f1 與m成反比。如果f1 下降，則m 增加，使磁路過飽和，勵磁電流迅速上升，鐵耗增加，電動機效率降低，同時功率因數(shù)也減小。如果f1 上升，則m減小，電磁轉(zhuǎn)距減小，電動機的過載能力下降。可見，在調(diào)節(jié)f1 的同時，還要協(xié)調(diào)控制其他兩個量，才可以使電動機具有較好的調(diào)速性能。變頻調(diào)速實現(xiàn)了異步電動機的無級平滑調(diào)速，其良好的起制動性能大大提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此而被國內(nèi)外公認為最具有發(fā)展前途的技術之一。 （3） 良好的起動特性：由電機學可知，最大轉(zhuǎn)距Tmax為：對于要求調(diào)速范圍大的恒

6、轉(zhuǎn)距負載，希望在整個調(diào)速范圍內(nèi)，保持最大轉(zhuǎn)距不變，即m 不變，由式（a）看出，可以采用E1/f1常數(shù)的恒磁通控制方式。由于異步電動機的感應電動勢E1 不好測量和控制，所以一般變頻器在實際應用中，是采取補償?shù)霓k法，即隨著f1 的降低，適當提高U1，以補償r1 上的壓降，等效地滿足E1/f1常數(shù)，以達到維持最大轉(zhuǎn)距不變的目的，但是，必須注意，U1/f1 值太大會造成輕載時的過激勵，使電路飽和，勵磁電流增加。這時電動機在整個調(diào)速過程中就可以在較低的頻率和電壓下義最大轉(zhuǎn)速起動，不會像恒頻恒壓供電時那樣由于全壓起動，而給電網(wǎng)帶來數(shù)倍于電機額定電流的啟動電流的沖擊。由此知變頻調(diào)速異步電動機由于采用了變壓變

7、頻電源供電，能夠保證電動機在起動時具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較低的起動電流，所以在變頻電機的設計時無需過多的考慮電機的起動性能。 （4）節(jié)能效果明顯：變頻調(diào)速異步電動機可以根據(jù)負載的變化實現(xiàn)自動平滑的增速和減速，從而大幅度地提高了工作效率，達到節(jié)約能源的效果。通常情況下，調(diào)速范圍越廣，節(jié)約能源的效果越明顯。在實際生活生生產(chǎn)中采用變頻器對三相異步電動機實行變頻變壓調(diào)速,在額定頻率以下可得恒轉(zhuǎn)矩特性;在額定頻率以上可得恒功率特性。但是,無論何種形式的變頻器,其輸出電壓或電流中均含有高次諧波,與通常電網(wǎng)供電的正弦波有著較大的差別。而且,由于調(diào)速過程中,供電頻率須在一個較大的范圍內(nèi)變化,因而電機的運行特性和

8、設計參數(shù)都得相應有所改變。缺點：但實際生產(chǎn)生活中多采用變頻器為變頻異步電機供電。采用變頻器對三相異步電動機實行變頻變壓調(diào)速,在額定頻率以下可得恒轉(zhuǎn)矩特性;在額定頻率以上可得恒功率特性。但是,無論何種形式的變頻器,其輸出電壓或電流中均含有高次諧波,與通常電網(wǎng)供電的正弦波有著較大的差別。而且,由于調(diào)速過程中,供電頻率須在一個較大的范圍內(nèi)變化,因而電機的運行特性和設計參數(shù)都得相應有所改變。（1）電動機的效率和溫升問題：不論何種型式的變頻器,在工作中均會產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和諧波電流,使異步電機在非正弦電壓、電流下運行。以現(xiàn)今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

9、頻率(晶體管開關頻率)大一倍左右的高次諧波分量 （為調(diào)制比)。高次諧波會引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加,其中最為顯著的是轉(zhuǎn)子鋁耗。因為,異步電機是以接近于基波頻率所對應的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的,因而,高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導條后便產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此以外,還須考慮因集膚效應所產(chǎn)生的附加銅耗。若是異步電動機為改善起動性能而采用了深槽、刀形槽或瓶型槽等轉(zhuǎn)子槽形時,轉(zhuǎn)子鋁耗的增加將更大。這些損耗都會使電機額外發(fā)熱,效率降低,輸出下降,如將普通異步電機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般約增加1020%。（2）電動機絕緣結構承受沖擊電壓的能力：目前中小容量變頻器,絕大多數(shù)

10、都是采用PWM的控制方式。它的載波頻率約為幾kHz到十幾kHz,這就使電動機線圈需要承受很高的電壓上升率,即du/dt值很高,相當干電動機線圈上反復施加電壓陡度極大的沖擊電壓,使申機的匝間絕緣承受嚴酷的考驗。另外,由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電機運行電壓上,會對電機的對地絕緣形成威脅,對地絕緣在高電壓的反復沖擊下會加速老化。（3）諧波電磁噪聲與振動：當采用變頻器供電時,普通異步電動機上由電磁、機械和通風等原因所引起的振動和噪音,將變得更加復雜。變頻器電源中含有的各次時間諧波與電機電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和結構件固有振動頻率一致或接近時將

11、產(chǎn)生共振現(xiàn)象加大噪聲。由于電機工作的頻率范圍寬,轉(zhuǎn)速變化范圍大,各種電磁力波的頻率很難避開電機各種結構件的固有頻率。普通異步電動機用變頻器供電時的噪聲比用電網(wǎng)供電時一般約增加101d5B左右。（4）電動機對頻繁起制動的適應能力：由干采用變頻器供電后,電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式起動,并可以利用變頻器所提供的各種制動方式進行快速制動,為實現(xiàn)頻繁起制動創(chuàng)造了良好的件。如使用在鋼廠輥道上的變頻電動機,起制動或正反轉(zhuǎn)的次數(shù)可達數(shù)百上千次,因而電動機的結構系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變的作用下,給電機的機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。（5）低速時的冷卻問題：在電源頻率較低時,因

12、普通異步電動機的阻抗不盡理想,使電源中高次諧波所引起的損耗顯得較大。再者,自帶風扇的普通異步電動機在轉(zhuǎn)速降低時,冷卻風量將與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減少,這必將使電機的低速溫升急劇增加,而難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。變頻異步電動機設計的改進通過上面分析可以看到,普通異步電動機不太適宜運行在變頻調(diào)速系統(tǒng)下,為此需研究和設計新的供變頻調(diào)速專用的異步電機系列。它與傳統(tǒng)異步電機的設計有一定的差別。（1）電磁設計改進：對于恒頻恒壓供電的普通異步電動機,在電磁設計中,主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、起動特性、效率和功率因數(shù)。在變頻變壓調(diào)速的異步電動機中,由于臨界轉(zhuǎn)差反比干電源頻率,因此,只要適當選擇轉(zhuǎn)子參數(shù)八和從就可通過

13、降低頻率,在臨界轉(zhuǎn)差接近于1時直接起動,故過載能力和起動特性不再需要多加考慮,要解決的關鍵問題,就是如何改善電動機對非正弦電源波形的適應能力,為此,應考慮:(a)盡可能減小定、轉(zhuǎn)子的電阻。降低定子電阻既可減少基波銅耗,以彌補高次諧波引起的銅耗增加,又可減小低速時的定子電阻壓降,使最大轉(zhuǎn)矩有所上升。如前所述,調(diào)頻電機需通過采用較大的轉(zhuǎn)子電阻來獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩,因此,降低轉(zhuǎn)子電阻不單可以減少由基波和高次諧波所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子鋁耗,還可依靠 的加大,在一定程度上抑制低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。(b)目前一般市售通用變頻器,以電壓型居多,為抑制電流中的高次諧波,都需適當增加電機的電感量。但量,轉(zhuǎn)子槽漏抗較大的槽形,

14、集膚效應也大,故高次諧波銅耗也增大。而且,具有較大轉(zhuǎn)子電感的電動機,在恒功率調(diào)速區(qū)域,最大轉(zhuǎn)矩將隨電源頻率的增加而降低,有可能使電機難以維持恒功率運行。因此,電機漏電感的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。(c)變頻調(diào)速異步電動機的主磁路設計一般均不十分飽和,這一方面是考慮到電源中的高次諧波會加深磁路飽和;另一方面也考慮到低頻時為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而需適當提高變頻器的輸出電壓。（2）結構設計改進：由于電源的非正弦波特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪音、冷卻方式等都有影響。因此,在結構設計中必須考慮下列幾方面:(a)除了把耐熱等級提高外,還必須對對地絕緣強度和導線匝間絕緣的耐沖擊電壓能有充分

15、的考慮。(b)在振動和噪聲的間題上,除了選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合之外,對定、轉(zhuǎn)子部件的加工和裝配精度也應有較高的要求,以提高氣隙均勻度、轉(zhuǎn)子的動平衡精度和電磁對稱性,對結構件要充分考慮剛性問題。(c)采用獨立供電的鼓風機,對電機進行強迫冷卻。(d)防止軸電流措施，對容量超過160KW 電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。三、變頻異步電動機相關計算1、主要尺寸計算：主要尺寸包含：定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1，氣隙長度（1.1）定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1：D12

16、l1=5.5pKw11ABPn1注：感應電動機氣隙磁場可認為空間正弦分布，又考慮實際電機總稍有飽和，因此P宜取稍大，如0.7； 初步選擇定子繞組的分布和短距，則可初步確定Kw1； 實踐經(jīng)驗線電流A選擇范圍為（1835）103 Am，電機功率小則尺寸小，散熱條件差，因此應取較小值； 適宜選擇B的范圍為0.60.86T； 計算功率P=KEPNcos,電勢比KE可取0.850.95，、cos根據(jù)設計給定指標確定； 同步轉(zhuǎn)速n1可取額定轉(zhuǎn)速nN。（1.2）定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1：=2pl1D1注：極對數(shù)p、細長比為可選量（應取較小值）（2）氣隙長度：=0.3*（0.4+7D1l1）10-3m2

17、、磁路計算：（1）氣隙磁路計算：氣隙磁場強度：H=B0氣隙系數(shù)：K=tz1(4.4+0.75b01)tz14.4+0.75b01-b012*tz2(4.4+0.75b02)tz24.4+0.75b02-b022 注：tz1、tz2為定轉(zhuǎn)子齒距，b01、b02為定轉(zhuǎn)子槽口寬氣隙磁路長：l=K*（2）齒磁路計算：定轉(zhuǎn)子齒部磁感應強度：Bz1=Btz1bz1*10.95,Bz2=Btz2bz2*10.95注：等齒寬鐵芯，沖片0.5mm，迭片是有足夠壓力，查磁化曲線圖可得定轉(zhuǎn)子磁場強度。定轉(zhuǎn)子齒磁路長可用齒高代替。（3）軛部磁路計算：定轉(zhuǎn)子軛部最大磁感應強度：Ba1=20.95l1ba1,Ba2=20.95l2ba2ba1、ba2為定轉(zhuǎn)子軛部磁路寬度，l2=l1由此查磁化曲線的Ha1、Ha2軛部磁路長度：la1=Da2p*Ca、la2=da2p*CaDa、da分別為定轉(zhuǎn)子軛部平均直徑，Ca=（0.40.7），極數(shù)多、飽和程度高，Ca取小值。（4）磁化電流：總磁勢：F0=2Hl+2Hz1lz2+2Hz2lz2+Ha1la1+Ha2la2磁化電流：I0=pF00.9m1W1K13、參數(shù)計算：（1）定子繞組電阻計算：端部長度：，y為以距離表示的節(jié)距平均匝長：，l1為有效長度導線總長：相繞組電阻