40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计【南昌大学

密级：

NANCHANG UNIVERSITY

学士学位论文

THESIS OF BACHELOR

（2006—2010年）

题目：40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及

控制系统的设计

学院：信息工程学院系：电气工程及其自动化系专业：电机电器

班级：电机电器062班

学号：6101106075

学生姓名：徐健

指导教师：黄劭刚

起讫日期：

摘要

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本科生毕业论文任务书

(文理科专业适用)

题目： 40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及 控制系统的设计

题目来源：□省部级以上 □市厅级 □横向 □自选

题目性质：□理论研究 □应用与理论研究 □实际应用研究

学 院： 信息工程学院 系： 电气工程及其自动化

专业班级： 电机电器（062）班

学生姓名： 徐健 学号： 6101106075

起讫日期：

指导教师： 黄 劭 刚 职称： 教授

指导教师所在单位： 南昌大学

学院审核（签名）：

审核日期：

摘要

二0一0年制

说明

1.毕业论文任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到

学生。

2.进度表由学生填写，至少每两周交指导教师签署审查意见，并作

为毕业论文工作检查的主要依据。进度表中的周次是指实际的毕业论文进程中的周次。

3.学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，于3周内提

交给指导教师批阅。

4.本任务书在毕业论文完成后，与论文一起交指导教师，作为论文

评阅和毕业论文答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。

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本科生毕业设计（论文）开题报告

题目：40kw-6级变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计

学院：信工学院系：自动化系

专业：电机电器

班级：062

学号：6101106075

姓名：徐健

指导教师：黄绍刚

填表日期：2010 年 3 月31 日

一、选题的依据及意义

在现代社会中，通过使用汽油，柴油，煤油等石油的提炼产品的一次能源获得动能的模式会对环境造成严重的污染。随着环境污染的日趋严重与人类对高品质环境的要求日趋加剧的矛盾日趋激化，这种获得动能的模式最终会被完全的取代。人类对新的获得动能的模式的需求将会更加迫切。大家都知道，电能是一种无污染，高效，清洁的能源。所以电能将被开发成为现代社会最主要的能源之一是一种趋势。伴随着电能的日趋普及以及在国民生产中日趋重要的地位，电能的生产、输送和使用等将日益被人们重视并伴随着着技术的发展，而在电能的生产、输送、使用等方面，电机起着重要的作用。

电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型。

发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。

电动机将电能转换成为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。机械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、化学工业及其他各种矿企业中，广泛地应用各种电动机。例如，在交通运输中，铁道机车和城市电车是由牵引电机拖动的；在航运和航空中，使用船舶电机和航空电机；在农业生产方面，电力排灌设备、打谷机、榨油机等都是由电动机带动的；在国防、文教、医疗及日常生活中，也广泛应用各种小功率电机和微型电机。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中同样有广泛的用途。

大家应该都知道，电动机的转动是靠电能。虽然现在

主要是使用异步电动机，但是同步电动机具有启动转矩大，效率高，转速稳定，电磁性能良好高等优点。所以我断言，同步电动机取代异步电动机成为国民生产中主要的动力来源是一种趋势。可见研究同步电动机具有重要的意义。主要有提高电动机的效率、减少能源的使用，减少CO2的排放量，减少电动机所用材料等等，总之，对国民经济的发展具有重要的作用。

二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

电机的发明简历：电机的历史可追溯到1831年迈克尔*法拉第发明的盘式电机，这是一种真正的直流电机。此后，人们对电机的兴趣一直停留在实验室阶段和好奇的状态。知道19世纪70年代，托马斯*爱迪生为实现真正意义上的电功率分配，以便使电灯进入千家万户，开始了商业目的直流发电机的研究。在此项工作中，爱迪生提出将电能从集中的发电站输出，然后对用户进行分配这个全新概念。他作为领路人，倡导广泛地运用电动机，并引用电网的基本框架这一概念。

电机历史上主要的里程碑是，1888年尼古拉*特斯拉发明了三相感应电动机兵申请了专利。特斯拉的交流电的理论领先于查理斯*施泰因梅茨十来年，1900年可靠地卷铁芯式变压器问世，从而开创了长距离输电的新纪元。当时，美国为完成电气化的进程又花了30年的时间，而且直至20世纪30年代，美国的农村配电系统还没有完成。但是无论如何，在此期间美国的电气化进程进展还是相当顺利的。电机的推广应用，仅仅跟随着电网扩张的脚步。

尽管今天应用的电机学的理论课追溯到100年以前，但是其更新和提高的脚步从来没有停止过。更好的铁磁和绝缘材料的不断研制，使功率密度比早起电机的功率密度高出一个数量级。大容量电机的制造技术，降低了电机的制造成本，因而为其更广泛的应用打开了大门。可靠地高功率等级的开关装置，以及近几十年来由于“固态革命”

产生的微处理机，使电气拖动领域的控制水平大大提高。所有这一切，都是能量的利用与控制能力的提高从而不断地促进人类生活方式的进步。

变频调速技术：

变频调速技术的发展回顾：

随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。从20世纪60年代后期开始，电力电子器件经历了从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、H VIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的转变过程。与此同时，变频调速控制技术也发生了由VVVF变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。

20世纪70年代，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。欧、美、日等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VV VF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态

转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此，人们又研究出矢量控制变频调速。

矢量控制变频调速的实现方法为：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1。其中Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制方法的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的

许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

变频调速基本原理：

三相异步电动机的转速公式为:

n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1)

式中:

n —电机的转速，r/min

n1 —同步转速，r/min

p —磁极对数

s —转差率，%

f —频率，Hz

由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损

耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。

实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：

U∝E=C1fΦ （2）

式（2）中，C1为常数，因此有：

Φ∝E/f≈U/f （3）

若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。

从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机

的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。特别是近二十多年来,静态电力变频调速器突飞猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。

变频器的构成：

异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(M CU/DSP)等部分组成。

变频调速技术在家电中的应用

通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻分相。电机在工作时常处于短时重复状态(开/停)，如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。变频技术的发展促进了家用电器的变频化，变频家用电器具有省电节能、舒适、寿命长、安全可靠、静音化等优点。20世纪70年代，在欧美等发达国家率先将变频技术应用到空调、微波炉、电冰箱、洗衣机等家电产品中，从而给家电产业带来了一场新的革命。

首先是空调，空调器应用变频技术后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、

暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果相对于异步电动机变频又提高了约10%-15%。为进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWM控制时有较大幅度的提高。

其次是电冰箱，由于它处于全天工作，功耗及噪声问题严重。采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。目前，日本中高档冰箱中95%以上采用了变频技术，欧美等发达国家也在大力推广普及变频冰箱。但在国内市场，由于技术和成本原因使变频冰箱迟迟无法大批量生产和在市场推广。海尔在1998年开发出国内第一台变频冰箱后，经过几年的不懈努力，依靠整合全球化资源，与日本三洋株式会社合作，在中国投产建立了最新一代的三相直流变频压缩机工厂，由此改写了国内企业进口变频压缩机

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