三相异步电机VF调速

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。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。