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1、第1章 绪 论1.1 毕业论文选题的背景电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60“70，成为用电量最多的电气设备。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动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
2、电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流调速系统解决不了直流电动机本身的的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，这就限制了直流调速系统的进一
3、步发展。交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但交流电动机自1885年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以和直流调速系统相媲美。交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下特点：（1）容量大。（2）转速高且耐压高。（3）交流电动机的体积、重量、价格比同容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性
4、小。（4）交流电动机环境适应性强，坚固耐用，可在十分恶劣环境下使用。（5）交流调速系统能显著节能。（6）高性能、高精度的新型交流调速系统已达到直流调速系统同等性能指标。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。1.2 课题的研究意义在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动
5、机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管 GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的 MOSFET；既有 MOS 管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘
6、栅双极性大功率管 IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块 IPM 等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现 PWM 控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及
7、具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。交流异步电机的 V/f 比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f 控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。因此，研究异步电机的 V/F调速，有着一定的实际意义和应用价值。1.3 本课题的主要工作V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式，常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用
8、标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。本课题的主要工作：(1) 根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：V/F控制方式的 SPWM 变频调速；(2)熟悉交流异步电机的特点，工作原理及调速方法，介绍交流异步电机变频调速的几种方式，分析 V/F 调速方式的原理和特点；(3) 对采用 SPWM 技术实现 V/F 控制的交流异步电机变频调速进行研究；(4) 借助MATLAB建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析；1.4 本章小结本章内容简单介绍了电动机在工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面的作用，简述了直流调速系统和交流
9、调速系统各自的特点，分析了交流调速系统将代替直流调速系统的趋势，简单介绍了本课题的研究意义和论文的主要工作。第2章 交流异步电动机简介2.1 异步电动机的特点异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60多。异步电动机的转子绕组不需与其他电源相
10、连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机） ，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等） ，不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，
11、这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。2.2 异步电动机的分类异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。 按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机； 按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式异步电动机中，又有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之分； 按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机； 按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式。 2.3 异步电动机的用途异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如
12、机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。2.4 异步电动机的发展和发展趋势 1985 年大部分地区迅速推广了全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机 y 系列及其派生系列产品，其功率范围为 0.55250kw，机座中心高为 80315。 通过引进消化美国西屋公司和瑞士 bbc 公司的技术，自行研发的 y 系列6kv、2202800kw 中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着我国电网电
13、压由 6kv 升高到 10kv，又研发了 10kv 系列中小型高压异步电动机。 1996 年以电科所为首组织有关厂家完成了 y2 系列的开发，功率范围为0.12315kw，机座中心高为 63355。该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。 2003 年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的 y3 系列，其能耗达到国标 gb181632002 中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2 效率标准，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平。1992 年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准，并规定从 1997 年 10 月 24 日开始，凡制
14、造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。以后又更进一步提出超高效率电机。1999 年欧洲电机和电力电子制造商协会制定了 eff1、eff2、eff3 三个等级的效率标准，并决定到2003 年削减 50低于 eff3 标准水平的电机生产，2006 年以后不再生产。 我国也于 2002 年 8 月正式实施中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值的国标（gb18163-2002） 。因此借着节能的规划和“以冷代热”的法令，应该大力推广 y3 新系列，使之成为我国低压三相异步电动机的主导产品，且新一轮的派生系列产品也应在 y3 新系列上展开。 计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其
15、发展创造了更加有利的条件。使交流调速系统成为当前发展和研究的重点。采用微机控制后用软件实现矢量控制算法。使硬件电路规范化。从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的动力。交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。 2.5 三相异步电机工作的基本原理 2.5.1 异步电动机的等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示。图2.1异步电动机的定、转子图图 2.1 中：定子的相电压；1.U定子的相电流；.定子每相绕组的电阻和漏抗； 、 xr、分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；sE2SI2SX2每相定子
16、绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其1.E有效值可计算如下：（2-1）11114.44NmEf N K式中: 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；1E定子频率；1f定子每相绕组中串联匝数；1N基波绕组系数；1NK极气隙磁通。m由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 ，与转差率成正比，12sff 所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；b.忽略磁饱和；c.忽略铁损。可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A相进行计算分析。A相的T形等效电路如图2.2所示。图2.2 电动机的T形等效电路图图2.2中：励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；mr励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；mx励磁电流；0.
