一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1.本课题国内外研究动态

三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于石油、化工、起重、运输、机械加工、造纸、纺织和冶金等行业领域。

变频调速系统利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现交流异步电动的变速运行。

交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。

控制理论和控制策略是交流变频技术的核心技术,他们的完善为变频技术提升了发展空间。

基于稳态数学模型的U/F控制以其稳定性好、控制简单、成本较低、机械特性硬度好等优点，在风机和泵类机械调速中得到了广泛应用。

德国Darmstadt技术大学的K.Hasse博士于1969年在他的博士论文中提出了矢量控制的基本思想，后又于1971年由德国西门子公司的F.Blaschke工程师将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制（Field Orientation Control）的名称发表。

在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后又发展起来了一种高性能异步电动机变频调速系统——直接转矩控制。

与矢量控制技术相比，直接转矩控制的实现更为简单，对电动机转子参数的变化不敏感，因此是异步电动机高性能调速的又一种走向实用化的方法。

1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，

1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功。

接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。

1992年美国人T.G.Habetler基于离散化直接转矩控制系统提出了直接转矩无差拍控制方法[1]。

随着各种新型调速控制法的出现，对变频系统的控制处理器也提出了更高的要求。为了实现高性能的交流调速，变频系统中开始大量采用数字处理（DSP）技术。变频调速技术的发展在很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。变频器中的电力半导体器件主要有：

（1）门极可关断晶闸管(GTO)：通过电流大、管压降低、导通损耗小，dv/dt耐量高。

（2）电力晶体管（GTR）：耐压高、流过电流大。

（3）电力场效应管（Power MOSFET）：输入阻抗高、开关速度快。

（3）绝缘栅双极晶体管(IGBT) ：将MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点

（4）集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT) ：有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的兆瓦级、高（中）压开关器件[2]。

随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还比较大[3]。

综合国内外对于三相交流电动机变频调速系统的研究情况,当代三相交流电动机变频调速系统的研究主要集中于以下几个方面：主电路及驱动技术、半导体开关器、DSP使用技术、散热技术、可靠性技术和大规模制造技术等。

2.选题的依据和意义

2011年，我国电机的保有量大约为17亿千瓦时，总耗电量为3万亿千瓦时，占全社会总用电量的64%。可见，电机的用电量在所有电能转换设备中占据首位。同时，在电机消耗的3万亿千瓦时的用电量中，有2.6万亿千瓦时的电量被用于工业领域，占比达到了87%。也就是说，全社量的用电量中，有一半以上被工业领域的电机所消耗。因此，工业领域电机的能效水平不仅直接关系到工业的能效水平，而且会影响到全社会的用电效率，甚至全社会的能源效率。电机消耗了如此之多的电能，但长期以来，我国的在用电机能效却远远低于国外先进水平。因此，如何提高电机的能效水平，一直是业内关注的焦点[4]。而其中90的电动机是交流电动机，采用交流调节技术实现变速运行，节能效果明显。

为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达500 亿元左右[5]。

使用合理的电动机变频调速系统可以提高在生产加工领域的加工精度、工艺水平及工作效率等，从而提高品质量。提高产品竞争力。

由此可见，在我国，异步电机变频调速系统有巨大的市场潜能，本课题的研究也具有很强的现实意义。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

1、研究的基本内容

（1）了解选定所研究交流电机、控制方法、所用器件等，并确定具体方案。

（2）学习研究并建立三相交流电机的数学模型。

（3）建立变频系统三相交流整流滤波电路、IPM 驱动和保护电路、相电流检测电路、转速检测电路等模块的数学模型。

（4）依据数学模型在Matlab中建立仿真模型。

（5）给定参数，在MATLAB上分析研究，制定最优控制系统。

2、设计中需解决的主要问题

（1）三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量（多输入，多输出）系统，需对此仔细分析研究与论述，正确建立相关电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。

（2）三相异步电动机调速时存在一定静态误差需要消除三相异步电机调速系统的静态误差。

（3）由于控制在低频时，由于电压较小，定子阻抗压降的分量比较显著，不能再忽略，需要在低频时对电压进行相应补偿以提高调速系统在低频运行时三相异步电动机的稳定性。

（4）提升的整个调速系统的响应速度。

三、研究步骤、方法及措施：

（1）对课题进行深入研究，并通过各种途径查阅资料，明晰自己的总体构思。

（2）对三相异步电动机控制调速原理进行分析，为一个完整的控制变频调速系统建立原理图。

（3）利用Matlab/Simulink 这个功能强大的仿真软件中的电力系统工具箱（Power System Block）对就变频调速系统的主电路和驱动技术分模块并进行建模仿真。

（4）设定三相异步电机参数、IGBT选型和参数确定，设定SPWM载波频率，设定负载大小等参数。

（5）选择合适的仿真算法，在Simulink 的仿真过程中选择合适的算法是很重要的，仿真算法是求常微分方程、传递函数、状态方程解的数值计算方法，这些方法主要有欧拉法(Euler)、阿达姆斯法(Adams)、龙格·库塔法(Rung-Kutta)，这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上[6]。Simulink 汇集了各种求解常微分方程数值解的方法，需要从中选择合适的算法进行仿真计算。

（6）就仿真结果对定子三相电流和转子两相电流波形图、定子相电压波形图、转速和转矩波形图、定子电流图等进行分析以对整个系统的响应速度、超调量大小，稳态精度大小，负载发生突变时，系统的抗干扰能力进行分析和最优化调整。

四、研究工作进度：

五、主要参考文献：

[1]T.G.Habetler. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation. IEEE Trans. on Industry Applications 1992, 28 (5)：10451-1053毕业作品网站http://www.biyezuopin.vip

[2] 钱照明,盛况.大功率半导体器件的发展与展望[J].大功率变流技术,High Power Converter Technology, 2010年,01期，1-9

[3]电器工业,China Electrical Equipment Industry, 2007年,04期

[4]武德俊,电机提效迎来云开雾散时,节能与环保,Energy Conservation & Environmental Protection,2013年,04期:46-47

[5]赵相宾等.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动,2002,（2）：3-6

[6]吴晓燕,张双选.MATLAB在自动控制中的应用[M].西安电子科技大学出版社,2006.9

[7]陈怀琛,吴大正,高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用（第三版)[M].电子工业出版社,2006.3

[8]陈国呈.新型电力电子变换技术[M].中国电力出版社,2004:1-15

[9]孙文凯,严运兵,刘 旺.异步电动机动态模型的仿真研究[J].电机技术,2007,1:18-21

[10]张洪宝,三相异步电动机的MATLAB仿真研究[J].电机技术,2009年,(4)

六、指导教师审核意见：

指导教师签字：

年　　月　　日

七、教研室评议意见：

教研室主任签字：

年　　月　　日

八、开题小组评审意见：

开题小组负责人签字：

年　　月　　日

九、系领导审核意见：

1．通过；           2．完善后通过；　　　　　３．未通过

系领导签字：

年　　月　　日