40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计 毕业论文.doc
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1、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
2、, 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、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
9、 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
10、 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
11、 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 )、 HVIGBT (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
12、 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 。 VVVF 变 频 器 的 控 制 相 对 简 单 , 机 械 特 性
13、 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
14、 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
15、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
16、 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
17、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
18、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
19、 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
20、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=C1f ( 2) 式 ( 2) 中 , C1 为 常
21、数 , 因 此 有 : E/fU/f ( 3) 若 外 加 电 压 不 变 , 则 磁 通 随 频 率 而 改 变 , 如 频 率 f 下 降 , 磁 通 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
22、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
23、 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 (MCU/ 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
24、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
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