交流电动机调速系统设计开题报告
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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 电子工程与光电技术系 毕业设计(论文)开题报告
学 生 姓 名： 郑宏文 学 号： ********* 专 业： 电气工程及其自动化 设计(论文)题目： 交流电动机调速系统设计
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2011年 12月 31日 开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—2005《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述：
交流电动机调速系统设计
一．交流调速发展的概况与趋势 1、直流电机与交流电机的比较 在过去相当长的时期内，直流调速一直因性能优良而领先于交流调速。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐渐显示出来。由于换向器的存在，使直流电机的维护工作量大，单机容量、最高转速已经使用环境都受到限制。人们将目光转向了异步交流电机，它的优点是：结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉[1]。 在相当长的时期内，直流调速一直因性能优良而领先于交流调速。20世纪60年代之后，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使交流调速性能可用与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代[2]。
2、电力电子器件的发展 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，它取代了变频机组，实现了变频调速。然而晶闸管属于半空型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速时必须附加强迫换相电路。20世纪70年代以后，功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管(GTO)、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等先后问世，这些器件是全控型器件。它们不再需要强迫换相电路，使得逆变器构造简单、结构紧凑。IGBT由于兼有MOSFET 和GTR的优点，成为目前最为流行的中小功率器件[3]。 电力电子器件正朝着大功率化、高频化、模块化、智能化发展。20世纪80年代以后出现的功率集成电路集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块（IPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号故障处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既渐少了体积、减轻了重量，有提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。 3、交流调速系统的发展 近10年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度计算，以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时满足实时控制要求[4]。 微处理器引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字系统控制系统的转化。数字化技术使复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自诊断功能和自调速功能的实现又进一步提高了系统可靠性，节约了大量的人力和时间，操作、维修都更加方便。微机运算速度的提高、存储量的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向[5]。 随着现代化控制理论的发展，交流电动机控制技术方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。
二．三相异步电动机 1、异步电动机概况 异步电动机又称感应电机是交流电机的一种。与其他旋转电机相比，它 具有结构简单，制造、使用的维护方便，运行可靠，效率较高，价格较低等优 点，但是它的调速和起动性能不佳，功率因数较低，增加了电力系统的无功负 担。异步电动机主要是电动机使用，是当今应用最广，需要最大的一种电机[6]。 异步电机和其他旋转电机的基本结构一样，有一个固定部分，叫定子；有 个旋转的部分，叫转子。定、转子之间有一个很小的空气隙。此外，还有端盖、 轴承和机座等部件。 异步电动机的定子主要包括电子绕组、 铁芯和机座三部分。 异步电机转子主要包括转子绕组、铁芯和转抽三部分。特别提到的是转子绕组 的龙型绕组， 转子铁芯的每一个槽中有一根导体， 这些导条两端各有一个圆环， 将它们短接起来，如去掉铁芯，该绕组的外形好像一只“鼠笼”，由此得名。 定、转子之间的空气隙称为气隙，它对电机的性能有重大的影响。中小型异步 电机的气隙一般为 0.2-2.0mm。气隙太小，虽然提高电机的公路因数，但会使 电机装配困难，运行不可靠和增加附加损耗，银次 1 为减小励磁电流，应为机 械条件所容许达到的较小值。 2、异步电机的运行状态 当一对称三相电流流入异步电机三相定子绕组时， 在气隙中便产生一旋转 磁场，以同步速 n1 旋转。转子绕组与其有相对运行，则在闭合的转子绕组产生 感应电动势和感应电流，旋转磁场与转子导体中的电流互相作用产生电磁转 矩。由此可见，正常情况下，异步电机的转子转速 n 总是略低或略高于旋转磁 场转速你，它们之间的差称为转差速度。Wimbledon 定义转差速度与同步转速 的比值为转差率是, 即 s=(n1—n)/n1 转差率是决定异步电机运行状态的重要变量， 异步电机的负载情况发生变化，转子导体中的电动势、电流和电磁转矩相应 变化，则转子转速和转差率随之变化。按照转差率的大小与正负，异步电动 可分为电动机运行 、发电机运行和电磁制动三种状态[7]。
三．变频器 1、变频器简介 变频器按装置形式分为交-交变频器和交-直-交变频器。 交-交变频器又叫直 接变频器。 它是把某一定压、 定频的交流电变换成电压和频率都可调的交流机。 根据输出波形的不同，交-交变频器可分为方波型和正弦型；根据主电路中是否 接入滤波电感，交-交变频器可分为电流型和电压型。交-直-交变频器又叫间接 变频器。它是把某一定压、定频的交流机先经变流器整流成直流电，然后再经 逆变器将此直流变换成电压和频率都可调的交流电。在频率调速中变频器的负 载通常是异步电动机，起电流滞后于电压，负载需向电源汲取无功功率，这样 在直流环节和负载之间将有无功功传输，为了缓冲无功能量，在直流环节和负 载之间须设置贮能元件。根据主回路缓冲无功能量的贮能元件类型不同，交直-交变频器分为[8]： 1）交-直-交电压型变频器，它在直流侧并联一个大电容 C， 有恒压源的特点。 2）交-直-交电流型变频器，他在直流回路串一个大电感 L。 类似于恒流源。 交直交电压型变频器主要由整流单元（交流变直流）、滤波单元、逆变单 元（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分组成的[9]。
2、变频器的基本结构 整流器 电网侧的变流器 1 是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流 逆变器 负载侧的变流器 2 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半 导体主开关器件组成的三相桥式逆变器电路。有规律地控制逆变器中主开关器 件的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电机，属于感性负载。无论电 动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1。因此，在中间直流环节 和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能 元件来缓冲。所以有常称中间直流环节为中间直流储能环节。 控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出 电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的 电压控制以及完成各种保护佛那个能等，控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数值控制方式靠可以完成模拟控制方式难以完成的功能[10]。
四．交流异步电动机调速方法 异步电动机的转速可表示为： n=n1(1-s)=60f1(1-s)/pN （1-1） 式中，n1——同步转速，r/min; f1——定子电源频率，Hz; pN——极对数； s ——转差率。 式（1-1）表明：异步电动机调速可以通过三条途径进行，即改变电源频率、改变极对数、改变转差率。 （1）变频调速 改变供电电源频率f1，同步转速n1随之变化，从而改变电动机转速。变频调速调速范围宽、平滑性好、效率最高，具有优良的静态及动态特性，是应用最广的一种高性能交流调速方法。 （2）变极调速 由式（1-1）可知，改变异步电动机的极对数，同步转速随之变化，因而改变了电动机转速。这种方法适用于笼型异步电动机，因为笼型转子的极对数能随定子极对数的变化而变化，自动适应定子极对数，只需改变定子极对数绕组即可实现调整。 （3）变转差率调速 由式（1-1），保持同步转速n1不变，改变转差率s可以改变电动机转速。
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