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1、特种电机及其驱动技术课程报告本科生课程大作业报告课程名称：特种电机及其驱动技术题目：电机在空调中的应用姓名：学号：学院：电气工程学院专业：电气工程及其自动化 指导教师：目录1 概述21.1 电机简介21.2空调电机的基本要求32 空调用电机原理32.1 压缩机电机32.1.1 异步电动机特点及其控制系统42.1.2单相异步电机42.1.3 三相异步电机52.2 空调风扇电机72.3 其它装置用电机92.4 步进电机在空调中的应用92.4.1 步进电机简介92.4.2 步进电机在空调中的应用102.5 永磁同步电机在空调中的应用112.5.1 永磁同步电机工作原理及其特点112.5.2 永磁同步
2、电机在空调中的应用122.6 无刷直流电机在空调中的应用132.6.1 无刷直流电机简介132.6.2 无刷直流电机在空调中的应用143 空调中常用电机性能比较144 结论与展望15电机在空调中的应用电机（Electric Machine），是机械能与电能之间转换装置的统称。转换是双向的，大部分应用的是电磁感应原理。由机械能转换成电能的电机，通常称做“发电机”；把电能转换成机械能的电机，被称做“电动机”。电机在生活中的应用非常广泛，在家庭中一般属于驱动型电机。驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、
3、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。家用电动机主要是小功率电机，家庭中凡有转动件的，都是由电机来驱动的，如：空调室内机风扇电机、室外风扇电机、空气压缩机、室内机转页电机等。家用电器的性能与所匹配的电机有着直接的关系，电机的效率、功率因数、调速范围及噪声与家电的节能环保有着密切的关系。本文着重讨论电机在空调中的典型应用。1 概述空调即空气调节器（Air Conditioner），是指用人工手段，对建筑/构筑物内环境空气的温度、湿度、洁净度、速度等参数进行调节和控制的过程。一般包括冷源/热
4、源设备，冷热介质输配系统，末端装置等几大部分和其他辅助设备。主要包括水泵、风机和管路系统。末端装置则负责利用输配来的冷热量，具体处理空气，使目标环境的空气参数达到要求。空调的结构包括压缩机、冷凝器、蒸发器、风扇、四通阀、单向阀毛细管组件。空调中的驱动电机主要有4个。一个是在压缩机里做功，起到循环制冷剂的作用；一个是在室外机里，带动风扇给压机、冷凝器降温；一个是在室内机里，带动风扇把蒸发器的“冷”给吹出来；一个是室内机百叶窗的调整电机。1.1 电机简介电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。电机驱动系统主要由电机、控
5、制器（逆变器）构成，驱动电机和电机控制器所占的成本之比约为1:1，根据设计原理与分类方式的不同，电机的具体构造与成本构成也有所差异。电机的控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。针对不同类型的电机，控制系统的原理与方式有很大差别。 图1.1-1 电动机驱动系统的基本组成框图 图1.1-2 电机的分类（按原理）1.2空调电机的基本要求根据空调的工作环境、功能要求、性能要求等，用于空调的电机须有以下基本特点：1. 电机结构紧凑、尺寸尽量小，封装尺寸有限，必须根据具体产品进行特殊设计。2. 重量尽量轻，以减轻整体重量。增加电机与整体的适配性。3. 可靠性高、失效模式可控。4
6、. 提供良好的力矩控制，动态性能较好。5. 效率高，低功率损耗。6. 成本低，以整体费用。7. 调速范围合适。8. 节能环保。9. 环境适应性好。10. 结构简单，价格低廉，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便。2 空调用电机原理空调器的驱动电机有压缩机、风扇电机（轴流风机和贯流风机）、摆动送风叶片（步进电机和同步电机）等部件电机驱动。2.1 压缩机电机空调压缩机是制冷系统中的心脏，其驱动电机的性能和质量举足轻重。设计该电动机的就要使其既能在压缩机中长期稳定地工作，又能同压缩机体达到最佳的匹配，从而提高压缩机的性能指标,获得最好的经济效益。空调压缩机电机按其供电的相数，可分为三相和单相异
7、步电动机，其中三相异步电动机主要用于3HP以上的大功率压缩机和变频压缩机，一般家用3HP以下的空调器压缩机大部分采用单相异步电动机，而该类单相异步电动机又可分为PSC(PermanentSplitCapacitor)电动机和CSR(CapacitorStartandRun)电动机，前者电路简单，可靠性高，但起动转矩较小；后者由于使用了起动电容，所以起动转矩增大。2.1.1 异步电动机特点及其控制系统感应电动机又称异步电动机，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁
8、场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机。（1）异步电动机的特点异步电动机有下面的优点：结构紧凑、坚固耐用；运行可靠、维护方便；价格低廉，体积小、质量轻；环境适应性好；转矩脉动低，噪声低。交流异步电动机成本低而且可靠性高，逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势，所以不会出现急刹车的可能性。三相笼型异步电动机的功率容量覆盖面很广，从零点几瓦到几千瓦。它可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高、对环境的适应性好，并且能够实现再生制动。与同样功
9、率的直流电动机相比较，效率较高、重量约要轻一半左右。同时它有下面的缺点：功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场；控制复杂，易受电机参数及负载变化的影响；转子不易散热；调速性能差，调速范围窄。（2）异步电动机的控制系统由于交流三相感应电机不能直接使用直流电，因此需要逆变装置进行转换控制。新能源汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给蓄电池充电，实现机械能转换为电能。在新能源汽车上，由功率半导体器件构成的 PWM 功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相异步电动机逆变器的控制方法主要有 V/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法（DT
10、C）。20世纪90年代以前主要使用前两种控制方式，但是因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车并不适合。现在，后两种控制方式目前处于主流的地位。2.1.2单相异步电机空调器用单相压缩机有两个绕组，即启动绕组与运行绕组（主绕组），三个接线头，其中C为公共端，S为启动端，R为运行端，一般采用电容运行式（PSC）驱动，实行定速控制，其接线原理如图2.1-1所示。图2.1-1 单相压缩机电机接线原理从图中可以看出，电机从启动到正常运行过程中，副绕组电路始终都串接一只电容，这样电器运行性能好，效率与功率因数高，工作可靠。2.1.3 三相异步电机三相异步电机结构与单相电机类似，不
11、同的是三相电机定子由3组完全对称的绕组组成，这三个绕组嵌在定子铁芯槽中，而且在空间分布上彼此错开120电度角。3 个绕组可接成Y形，亦可接成形，当定子绕组中通入三相对称电流（即三相电流在时间位相上互差120电度角）时，就会在定子、转子间的气隙产生旋转磁场，使转子因电磁感应而产生电磁转矩。三相异步电动机结构简单，性能优良，转矩、效率与功率因数都较单相异步电动机高，所以功率较大的空调器，如柜式空调器压缩机多采用三相异步电机。 三相异步电动机不需要启动和运行电容就能自动形成旋转磁场，其Y形和形接线原理如图2.2-1所示。图2.1-2 三相压缩机Y形和形接线原理三相异步电机多用于变频空调压缩机里。同传
12、统定频空调相比，变频空调具有节能效果明显、温度调节平稳、整个频率范围内运行噪声低等一系列优点，因而受到了用户的欢迎。空调变频电机一般采用三相感应电机，它克服了传统定频空调中单相感应电机起动性能差、电磁噪声大、效率低的不足，可实现柔性起动、低电压运行，并随负荷变化自由调整转速，从而大大提高效率。由于变频器供电的特点以及压缩机运行的特殊性，普通感应电机难以达到较好的运行性能，效率低，噪声大，甚至出现不能起动和高频下堵转，导致电机烧坏等问题。常规电源直接供电的感应电机在运行过程中，由于磁通不可控制，功率因数一般较低；在低速下效率也达不到要求。同时，为了满足起动特性，鼠笼式转子的槽形往往被设计成深槽或
13、双鼠笼槽，利用起动时电流的集肤效应增大起动电阻，以满足其起动转矩并限制起动电流。这样设计的电机具有以下三大缺点：1) 转子漏抗大，直接影响到最大转矩；2) 转子深槽占用了转子大量的空间，不利于电机的体积优化；3) 各种深槽或双鼠笼槽结构使得电机在生产加工时面临很大的工艺问题，增加了生产成本。变频器供电下感应电机运行条件则发生了根本的变化，电机运行时，随着逆变器的调频调压控制，机械特性曲线可以任意平移，这使得电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，使起动转矩等于最大转矩，同时降低了起动电流；通过调节电压和频率，可以找到一个最佳的滑差频率，使电机的某项性能(如效率、功率因数等)达到最优
14、。与此同时，由于变频电源的非正弦性，输出电压中含有高次谐波，电机运行时会在定、转子导体中产生集肤效应，使导体有效截面积减少，电阻增大，造成定、转子铜损耗增大，同时产生电磁噪声。从变频器供电的特点可知，变频电机的设计可以不再考虑起动问题，转子槽不需设计为深槽，从而可以对电机整体尺寸进行优化；效率和功率因数可以在不同速度下都维持较高的水平，从而提高功率密度。与此同时，电机必须考虑变频器谐波的影响，设计方案应该能尽量抑制谐波，此外还应该提高绝缘等级。因此，变频电机的设计应和变频器供电条件结合起来，把电机和变频器作为系统进行综合考虑，使整体性能达到最优。另外，根据空调压缩机驱动系统的工作特点，对所配套
15、的变频电机有如下要求： 调速范围要求不是很宽。一般空调压缩机要求能在3090hz的频率范围内平稳调速，一般不会运行在更低的频率下。 运行时要求低噪声，高效率。 为了防止堵转，电机在任何频率段运行时有较高的过载能力，为了达到这一点要求，电机在整个调速范围内采用恒转矩调速，最大转矩应该大于3倍额定转矩。 考虑到压缩机安装空间较小，电机体积不能过大。根据异步电动机的转速公式（其中，n代表转子转速；n0代表旋转磁场转速；p表示极对数；f为电源频率。），只要改变异步电机的电源频率，就可以获得不同的电机转速。变频调速不但可以实现平滑调速，而且调速范围宽，效率高，反应快，启动电流小，对电网影响小，舒适性能好，是一种节能型的理想调速方法，尤其是热泵型空调器，可以通过变频调速来控制热泵制热量的大小，不受到室外气温的限制，因而大大提高其供暖能力。 变频器工作过程变频器一般采用间接变频（交-直-交）方式，由整流和逆变两个过程组成。工频（50Hz）的电网电流经电源滤波等预处理后，送往整流模
