论文总字数：26722字

摘 要

异步电机串级调速相比其它调速方法在风机、泵类负载系统等工业应用场合有极大的优势。本文首先分析了电气串级调速系统的基本原理，发展历程和研究现状，接着分析了斩波式串级调速系统的原理以及机械特性，并建立了各个模块的数学模型，对基于SVPWM控制逆变器的斩波串级调速系统进行了仿真。

介绍了SVPWM的原理，研究其算法，并在MATLAB/Simulink中进行了基于SVPWM控制策略的逆变电路仿真，证明了该控制算法能减小电流谐波。

建立了晶闸管PWM逆变器的斩波串级调速系统的仿真模型，在MATLAB/Simulink上进行仿真。通过仿真发现改变直流升压电路中的占空比能够实现电机转速的平滑调节，原因是改变了转子回路中的附加电势和电流。获得调速过程中，定转子相电流和电磁转矩等电磁特性，分析了定子电流谐波。获得不同转速下系统的功率流向情况，由此分析了系统的效率和功率因数。之后又对基于IGBT的SVPWM控制逆变器的斩波串级调速系统的仿真，将两个系统仿真结果分析比较，表明SVPWM控制逆变器在一定程度上改善系统动态性能和提高系统功率因数。

关键词：异步电机，串级调速，升压斩波器，SVPWM，仿真分析

ABSTRACT

Cascade speed control driver has great advantages over other speed control methods in applications where fans and pumps are used. First, the basic principle, development history and research status of the electric cascade speed regulation system are introduced. Then the principle and mechanical characteristics of the chopper-type cascade speed control system are analyzed. The mathematical model of each module is established, the chopper cascade speed control system based on SVPWM control inverter is simulated.

The principle of SVPWM is introduced and the control strategy is studied. The simulation of the inverter circuit based on SVPWM control strategy is carried out by MATLAB/Simulink. It is proved that the control algorithm can reduce the current harmonics.

The chopper cascade speed governing system simulation of thyristor inverter is performed by MATLAB/Simulink. The stator and rotor phase currents, electromagnetic torque and other electromagnetic characteristics are obtained during the speed regulation process, and stator current harmonics are analyzed. The power flow direction of the system at different speeds is obtained, and the efficiency and power factor of the system are analyzed. After the SVPWM control inverter chopper cascade speed control system simulation, the simulation results of the two systems are analyzed and compared. It is concluded that the SVPWM control inverter to some extent can improve the dynamic performance of the system.

Key Words: Induction machine, cascade speed control, chopper-type, SVPWM, simulation analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景 1

1.2 串级调速系统的发展和国内外研究现状 1

1.2.1 串级调速系统的基本原理 2

1.2.2 串级调速系统的发展 2

1.2.3 串级调速系统国内外的研究现状 5

1.3 斩波式串级调速系统 7

1.3.1 斩波式串级调速系统的工作原理 7

1.3.2 斩波串级调速系统的机械特性 8

1.4 本课题的主要工作 10

第二章 斩波式串级调速系统的数学模型 11

2.1 绕线转子异步电机的数学模型 11

2.2 系统直流回路数学模型 14

2.3 三相逆变器的拓扑结构及数学模型 16

2.3.1 三相逆变器的拓扑结构 16

2.3.2 三相逆变器的数学模型 17

2.4 系统结构框图 18

2.5 本章小结 18

第三章 逆变器侧的SVPWM控制分析及仿真 19

3.1 SVPWM控制技术的原理 19

3.2 SVPWM控制技术的算法与仿真 21

3.2.1 SVPWM控制技术的算法 21

3.2.2 SVPWM逆变器仿真结果 23

3.3 本章小结 30

第四章 斩波式串级调速系统仿真结果分析 31

4.1 晶闸管逆变器的斩波式串级调速系统仿真 31

4.1.1 电机模块的仿真结果 32

4.1.2 斩波模块仿真结果 34

4.1.3 系统效率与功率因数的仿真结果 34

4.2 SVPWM控制逆变器的斩波式串级调速系统仿真 36

4.3 本章小结 41

第五章 结论与展望 42

5.1 结论 42

5.2 工作展望 42

参考文献 43

致 谢 45

绪 论

选题背景

电动机作为一种重要动力设备，广泛应用于工农业、社会生活等各个领域。数据显示，2016年，全国的电动机容量有2TW·h，电机用电量约占我国总用电量的60%。其中耗电量最大的是风机、水泵等负载。近年来，我国电机的平均能效有所提高，节约了800TW·h左右的电能，节省了标准煤约2.7亿吨，为整个社会的节能减排作了很大贡献。但是，与发达国家相比，我国电机的节能空间依旧是很大的。特别是我国的风机和水泵等包含大功率异步电机的设备，系统的运行效率比国外水平低10%~20%^[1]。

传统的风机和水泵系统通过调节阀门或者挡板开度，来满足负荷的变化要求，但在改变阀门、挡板产生的管网压降上消耗了大量的电能。如果采用控制电动机转速变化来满足负荷变化要求，可产生明显的节能的效果^[2-3]。因此，研究大容量交流异步电机的调速技术具有重要的意义。

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