三相异步电动机的处理系统

　　由于电力的产生和应用以及人们生产和劳动的机械化和自动化，电动机得到了广泛的应用。电动机是一种将电能转化为机械能的通用产品。电机可分为两类:交流电机和DC电机。直流电机按励磁方式可分为串联、并联和复合励磁，交流电机可分为异步电机和同步电机。从电源来看，它可以分为三相异步交流电机和单相交流电机。三相异步交流电机一般称为三相异步电机，三相异步电机是定子旋转磁场和转子旋转速度之差，称为三相异步电机。

　　工业生产和制造中使用的三相异步电动机经常需要拖动许多负载，例如风扇、泵和其他负载，并且经常需要根据不同的需要调节速度。针对三相异步电动机的调速，对变极调速、变频调速和变滑差比调速等调速方法进行了简单的研究。

　　电机经济运行是指当电机满足拖动机械的运行要求时，根据节能和提高综合经济效益的原则，合理选择电机类型、运行方式和功率匹配，使电机能够高效、低成本、良好的经济效益运行。经济运行的前提是满足被拖动机械的要求，即满足主机的要求。例如，电动机的起动性能、工作系统、工作环境、噪声和振动、制动、减速或调速等。应与主机(设备)相适应，以更好地节约电能。

　　能源是经济发展的基本资源。随着能源短缺问题日益严重，世界各国都将人口、资源和环境列为当今全球发展战略的三大主题。如何节约能源和有效利用能源已经成为世界关注的最重要的问题。随着科学技术的发展，电能已经成为人类生产和生活的重要能源。在当今世界，电能转化为机械能基本上是由电动机实现的。电器产品在风机、水泵、鼓风机、压缩机、输送机械、各种机械设备、铁路运输、社会生活等领域的广泛应用极大地推动了人类社会和经济发展的进步。

　　然而，与此同时，它也消耗大量的能源，并产生污染环境的负面影响。据国外消息来源，X、日本、法国和俄罗斯的电动机消耗的电能分别占工业总能耗的……和四川。根据相关文献，全年英国整个工业的总能耗为，其中仅电动机的能耗就占了约。很明显，如果能提高电动机的效率，一年内就能节约电能。如果按消耗电能的吨排放量计算，一年内可减少一万吨向大气的排放，有助于抑制温室效应，改善生态环境，同时节约能源。近年来，中国每年都在快速发展，能源消耗急剧增加，对环境和生态的影响日益严重。鉴于中国人均资源短缺、供给压力和单位能耗是日本的两倍左右，节能已成为中国的基本国策。在我国，电动机也是电能消耗最大的用户和节能潜力最大的用户。我国电动机总装机容量超过1亿台，年耗电量约1亿台，约占当年发电量的1亿台。应该指出，我国电动机的平均效率低于X和加拿大，电动机系统的效率甚至更低。

　　显然，提高电机效率等新技术可以大大节约能源和降低消耗。因此，面对我国建设社会主义现代化国家的前景，国家制定了《节能中长期专项规划》。为实现规划目标，国家发展改革委启动了“十一五”十大重点节能项目，电机系统节能项目在浙江大学博士论文第一章引言中列出。众所周知，在众多电机系列产品中，异步电机以其结构简单、坚固耐用、制造成本低、易于维护、使用寿命长等优点，已经在上述行业、交通运输和社会生活领域广泛应用了100多年。

　　日本工业部1998年提供的调查数据显示，就电动机的输出值而言，异步电动机占电动机总输出值的百分比。因此，可以确定，以节能环保为导向的全球可持续发展的主题，从电动机的技术进步出发，与异步电动机的广泛应用过程同步，具有技术更新和运行效率不断提高的特殊课题的研发一直是全球学术界和工程界的目标。

　　20世纪80年代初，X国务卿公司发明了节能电机，它不同于传统的异步电动机系列。通过结构设计的改变，据说四川电机可以减少损耗，功率因数可以通过适当选择电容器来实现。

　　然而，通过对其工作原理的分析，可以看出三相难电机不能有效提高电机的性能。20世纪90年代初，一些学者提出了改进电机设计的想法。其中，杨钟兵教授持有的发明专利“三相电容电机”是这一时期提出的自主创新成果。杨钟兵教授的发明是与浙江大学合作开发的，初步实现了一种新型三相电容式异步电动机的产品工程试验。本文系统深入的专项研究证明，三相电容式异步电动机具有几乎相同的功率因数，可以有效削弱相带的谐波动态电位，提高电动机效率，并可以通过改变起动电容值有效提高电动机的起动转矩。同时，有效地克服了两组绕组相移角选择不当导致电机杂散损耗增加的缺陷。

　　因此，新型三相电容电动机无疑是异步电动机技术进步的创新，也是一种具有广阔应用前景的新型节能电机。

　　基于新型三相电容式异步电动机的发明专利在其初始样机小容量样机研究中显示出的高效节能的独特优势及其在工程领域的广阔应用前景，本文的研究课题致力于在理论分析和工程实测研究相结合的基础上分析其运行机理，充分揭示和证实其优异性能，并研究其优异的技术经济指标。本研究旨在揭示新型异步电机领域单向系统的数值分析新方法，满足优化设计的要求，展示基于全局优化算法的新型异步电机优化设计的应用原理。从而为中等容量样机的设计和制造，特别是与抽油机配套的新型异步电动机的生产，提供相应的电气设计程序、技术标准和有价值的工程结论。

　　同时也针对新型异步电动机其他应用领域的研究与开发，为理论与仿真相结合的工程分析奠定基础。全文主要包括以下几个方面的工作。通过对三相电容式异步电机气隙动态电位特性的分析，在与电机气隙动态电位特性对比分析的基础上，探讨了三相电容式异步电机在降低附加损耗和提高电机效率方面的优异性能。进一步研究了三相电容式异步电动机在实际工程条件下的气隙动态电位特性，从而给出了选择关键特性参数——工作电容的技术准则，可应用于工程设计。为了掌握三相电容式异步电动机的动态运行性能，深入探讨了非线性动态电动机系统场路系统故障的数值分析方法。

　　以三相电容式异步电动机为典型实例，分别采用直接灾害法和间接灾害法对场对场系统灾害进行瞬态和稳态有限元分析，并在间接灾害法的基础上进一步对先导样机进行深入的有限元仿真分析。将动态计算结果与试验结果进行了比较。基于三相电机对称绕组旋转动势的基本理论，分析了三相电容式异步电动机特有的电气关系，如动势、电动势平衡、功率、转矩平衡、起动转矩等。参考传统三相异步电动机的电气设计方案，构建了新型异步电动机的电气设计方案。以电动机的第一类三相电容式异步电动机和先导样机的第一类三相电容式异步电动机为典型实例，进行了理论分析和实际测量的对比研究，建立了三相电容式异步电动机优化设计的数学模型，提出了一种有效解决高复杂度电场逆问题的新的数值计算方法。利用改进的新粒子群优化算法，对典型样机进行了优化设计，并对三相电容式异步电动机进行了一系列实验测试。这包括三相电容式异步电动机与常规三相异步电动机工作特性的对比试验、三相电容式异步电动机与常规三相异步电动机调速特性的对比试验、三相电容式异步电动机的型式试验、三相电容式异步电动机应用于抽油机的高效节能性能指标的对比试验研究。

　　本章以运行机理分析为重点，分别对电机和三相双值电容式异步电机的气隙磁动势进行了分析和研究。通过对比分析，论述了三相双值电容式异步电动机与电动机相比在降低附加损耗和提高电动机效率方面的优异性能，并进一步研究了样机和产品工程实际条件下三相双值电容式异步电动机的气隙磁动势特性。因此，本文总结并提出了适用于工程设计的工作电容选择技术标准。

　　基于创新技术的四川电机定子内嵌两套三相对称绕组，其中一套称为“控制绕组”(control winding)，直接连接到三相电源，表示另一套绕组的每一相在与电容串联后连接到三相电源，称为“主绕组”。两组绕组在空间中的位移相差60度。角度。。当电机对称运行时，两组绕组中的电流相等，相位差为60度。

　　为了合理简化工程分析的需要，本文对电机气隙磁动势的分析是基于对伪绕组中定子和转子电流正弦变化的以下理想化等效处理。假设集中在槽中心的均匀气隙铁芯不饱和，铁芯中的磁压降可以忽略不计。

　　整个控制系统由控制板、驱动板、PC²机三相异步电动机(带光电编码器)、调压器和220伏(50赫兹)交流电源组成。驱动板，调压器的电源电压为220伏，调压器的输出电压在驱动板上整流，为IPM模块逆变提供DC电压。连接电机和驱动板的三根以上导线上的电流为交流电流。因此，连接顺序不是必需的，可以任意连接。只有三根电线U、V和W的连接顺序是改变电机的旋转方向，并且不影响电机的正常旋转。对于上述连接，建议用杜邦线连接2.5毫米见方以上的线路逻辑控制接口和电流反馈接口。串口与标准连接线硬件测试平台的连线相连，如图所示。

　　异步电动机一是在一型三相异步电机基础上,按其定子绕组特殊设计加工制造的,其有关结构、设计数据如下：

　　试验一：

　　额定功率=800W极对数P=3

　　额定电压=240V额定电流IN=2.00A

　　定子槽数Q1=20转子槽数Q2=20

　　定子外径D1=120mm定子内径Di1=75mm

　　气隙g=0.25mm转子内径Di2=20mm

　　铁心l=80mm

　　定子主相绕组位于槽的底部，辅助相绕组靠近槽。主相绕组和辅助相绕组是链式绕组，每相每极槽数q=2。

　　根据异步电机理论，采用变频方法，转差率为的旋转转子可以等效于转子导杆电阻率变为实际值的静止转子。在这种情况下，转子侧的参数被转换成定子频率工厂，并且转子侧的感生电动势、电阻和电抗都被放大到旋转时间的倍数，使得由转子电流建立的磁动势不变。基于上述原理，二维时间谐波场分析方法中的有限元建模及其实现过程大大简化，该方法通过转换转子频率使转子静止，场路间接重合。因此，本文对新型异步电动机负载下的场路耦合系统进行了时间谐波分析，并对有限元计算得到的相关工作特性和试验结果进行了全面系统的对比研究。绘制的曲线如图所示。显然，数值分析的模拟计算值和实测值相互验证，具有令人满意的工程分析精度。

　　同理设计试验二：

　　额定功率=30W极对数P=3

　　额定电压=240V额定电流IN=2.00A

　　定子槽数Q1=20转子槽数Q2=20

　　定子外径D1=120mm定子内径Di1=75mm

　　气隙g=0.25mm转子内径Di2=20mm

　　铁心l=80mm

　　功率为80W时的试验数据，起动电容对三相双值电容式异步电动机起动电流和起

　　动转矩的关系曲线；

　　从测试结果可以看出，随着启动电容的增大，主绕组的电流不断减小，而辅助绕组的电流不断增大，但是线路电流开始减小，呈现最小值，然后上升的启动转矩总是不断增大。有趣的是，当启动电容为工作电容的倍时，启动电流最小，启动电流倍数为，主绕组和辅助绕组对应的启动电流分别为额定电流的倍和倍，启动转矩倍数明显，这是新型高启动转矩异步电动机的优异性能，从而为工程分析提供了相应的技术标准。

　　本文通过对三相双值电容式异步电动机独特的基本电磁关系，即其磁动势方程、电动势平衡方程、功率和转矩平衡方程的深入分析和研究，参照三相异步电动机常规电磁设计计算方案，编制了分析计算新型异步电动机运行性能电磁设计程序，进而设计制造符合工程要求的系列产品。以初始样品800W和中试样机80W为典型实例，基于本文构建的电磁设计程序，在轻载至双额定载荷的大范围运行工况下，对理论计算值和严格实验研究得到的实测值进行了系统深入的对比研究。结果表明，本文编制的电磁设计程序具有令人满意的工程分析和计算精度，可应用于工程实践。同时，也证实了基于本发明专利的新型异步电动机具有优异的运行性能，如高功率因数、高效率和高起动转矩。

　　三相异步电动机变频调速是通过改变电动机定子的供电频率来改变同步转速来实现交流电动机速度控制的一种方法。变频调速调速调速范围广，平滑性好，静态和动态特性好。是一种高效、高性能的理想调速技术。它是目前数控机床换刀机构中广泛使用的交流调速方法。它不仅有助于车床自动化，而且提高了加工精度，从而发展成为数控系统。

　　变频调速是一种改变电机定子电源频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力电子技术的快速发展，变频调速三相交流异步电动机得到越来越广泛的应用。它已经取代了其他各种调速电机。然而，变频调速三相异步电动机因其结构简单、制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点，在工业领域得到了广泛应用。

　　三相交流异步电动机的转速公式为:

　　在公式中，n是电动机的转速，f是电源频率，f=50Hz，p是磁极数，s是我国的滑差比。从电机速度公式可以看出，要改变电机速度，可以改变电源频率。改变磁极的数量；从三个方面改变滑移率。改变调速磁极的数量，即变极调速，具有结构简单、运行可靠、易于实现、成本低但调速范围不平滑的特点，因此速度变化非常大。改变了转差率调速、变压调速、转子串联电阻调速和串级调速的方法，其中变压调速具有速度范围小、效率低的特点。转子串联电阻调速方法具有结构简单、价格低廉、电阻上的滑差功率损耗大、效率随滑差比的增大而降低的特点，因此一般不采用。串级调速具有调速范围大、损坏小、调速效率高、起动性能好，但可靠性低的特点。变频调速是调速性能最好、调速范围最广、效率高、稳定性最好的三种方法之一。本文的速度控制系统采用变频调速。

　　如前所述，三相双值电容式异步电动机是一种新型高效、高功率因数的异步电动机，具有特殊的绕组结构。虽然目前我国对此类电机的结构和工作原理进行了深入分析，但一般采用的分析方法仍然沿用传统的异步电机分析计算方法，没有充分考虑这种新型异步电机的结构和性能特点。此外，由于研究才刚刚开始，与其他类型的电机相比，学术界和工程界都没有丰富的研究成果可供借鉴，无论是在工作原理的分析上还是在工程设计经验的积累上，当然也没有新型异步电机结构优化设计的研究成果。有鉴于此，基于新型异步电动机生产的长期规划需求，本章重点研究了三相双值电容式异步电动机的优化设计理论、优化设计方法和初步优化设计实现。首先，建立了三相双值电容式异步电动机优化设计的数学模型。然后，提出了求解逆电磁场问题的数值计算理论和方法。最后，完成了典型样机的优化设计。

　　三相双值电容式异步电动机的优化设计是一个多目标、全性能的优化设计问题，属于反电磁场问题的研究范畴。显然，电机系统结构和电磁性能的复杂性决定了其优化设计是计算电磁学的前沿研究课题之一。

　　如上所述，一般工程设计问题的目标函数大多是具有多个极值点的非凸数学规划问题。因此，传统的确定性类搜索算法，如各种梯度类方法、模式搜索方法、单纯形方法和方向加速方法，很难找到这些问题的全局最优解。因此，在反电磁场问题的分析和计算中，模拟退火算法、遗传算法、进化算法、禁忌搜索算法、粒子群算法、蚂蚁算法和神经网络等全局优化算法的构建已经取得了一系列的研究成果。

　　然而，与确定性类优化算法相比，这些新的随机类全局优化算法的致命弱点是收敛速度太慢。因此，如何提高这些算法的收敛速度是电磁逆问题优化算法研究的主要方面。目前，虽然国内外学者已经提出了各种改进措施或混合算法，但总的来说，现有算法的收敛速度仍然难以满足工程电磁场逆问题数值计算的需要。另一方面，为了提高优化设计精度，在求解反电磁场问题的过程中，通常采用数值计算方法来计算电磁装置的性能指标和相关参数。但是需要指出的是，由于三相双值电容式异步电动机的结构极其复杂，采用数值计算方法进行反问题计算过程中所必需的动、稳态性能分析和参数计算完全需要大量的计算资源，从而给数值计算方法的应用带来了很大的困难。

　　电机运行参考数据

　　异步电动机的实际安装过程中有许多环节，这些环节之间需要一定的连接操作。螺栓、螺母等。是异步电动机安装过程中必须广泛使用的附件，也是最基本的组件。根据以往的安装经验，一旦两者安装过紧，不符合标准要求，在电磁力等相关作用下，很容易出现金属疲劳等问题。直接结果是螺纹滑线，在一定程度上降低了连接质量。特别是，如果关键部件连接异常，很容易导致异步电机在正常运行过程中出现故障。如果一个部件出现这种情况，其他部件也会随着实际运行时间的延长而受到影响，并且会逐渐出现松动现象，容易造成安全事故。在异步电动机的安装过程中，有些螺母和螺栓具有一定的导电效果。必须小心安装该零件。电热效益和机械效益必须放在核心位置。在实际操作中，如果接触面被氧化，在操作过程中将产生大量热量。随着热量的增加，设备容易发生大面积氧化，结果明显，即连接位置周围温度容易超过正常状态，连接位置或相关部件容易烧毁，发生短路故障或相关断开故障等。，这会影响异步电机的性能。

　　异步电动机安装是一项非常复杂的技术任务，涉及到许多环节、许多过程和复杂的内容。如果你不注意，很容易埋下安全隐患。因此，在实际安装和施工前，必须根据异步电动机的安装要求制定完善的安装计划，并规定安装人员和注意事项。同时，应向相关技术人员进行技术交底，确保他们具有相关的设备安装经验。对于有安装事故等问题的技术人员，在实际使用中必须小心处理。同时，为了提高实际安装水平，也有必要组织安装人员或后续施工操作人员进行相关培训和学习，确保他们对异步电机安装过程以及实际使用过程中常见的问题和不足有全面的了解。只有这样，问题和故障的发生才能最小化。在安装计划中，确保评级是首要考虑因素。只有保证额定值，才能保证设备的稳定运行。如果电源频率改变后电压没有改变，电机将会失效，如果情况严重，电机将会烧坏。因此，技术人员在设计改造方案时，应充分考虑工频变化时的电压变化。

　　另外，为了保证额定值，在电机启动过程中，变频控制器产生的输出电流、启动转矩和最大转矩不能高于工频电源的输出电流、启动转矩和最大转矩，应参考电机的原始设计值。如果确定了总电压，中间不能改变电源的频率，否则会损坏高压电源，严重时会直接烧毁电机。因此，如果在运行过程中需要改变频率，电压应同步调整。为了保证额定值，启动电机时，必须保证变频控制的各种参数不能高于工频电源驱动的参数，芯片参数引脚图；

　　变频调速通常采用软启动技术，可以消除工频启动时产生的大电流和冲击转矩的影响。同时，能有效保护电机，降低电机故障率。间接影响是保护电网。在高压变频器的设计中，它有自己完善的配套保护装置。如果变频器出现过流、过压、过热等异常情况，或者电路中存在短路、欠压等故障，高压变频器可以自动检测到这些问题，并结合检测结果发出报警并采取保护措施，确保设备的安全。安装过程中的许多常见问题都是细节问题。为了防止安装细节出现问题，有必要结合安装要求进一步制定完善的规章制度，确保专业技术人员严格按照规章制度操作，避免人为操作的发生。同时，还需要落实安装监督机制，安排有经验的人员负责现场安装监督，以有效区分安装过程中的主次现象，这对最终安装验收的通过也有很大帮助。

　　异步电动机的运行特性决定了它的广泛应用，但异步电动机调速的方法和手段仍在探索之中。为了实现异步电动机精确的速度控制和所需的功率输出，本文对异步电动机调速的研究范围主要集中在从硬件方面实现恒频恒速。虽然已经对异步电动机调速的动态运行进行了一些尝试分析，并对不同的运行模式进行了仿真研究，但是为了提高异步电动机的恒定频率和恒定速度，还有许多工作需要进一步深化和改进。具体研究内容分别从以下几个方面进行:

　　(1)目前，对异步电动机调速动态运行的研究还不够完善和深入。充分考虑了各种运行模式，建立了一个完整的变频调速异步电动机模型，以实现所需的速度，满足现场要求。

　　(2)由于模拟实验是在理想环境下进行的，实际使用会受到系统频率、电压、运行环境和线路质量的影响，导致模型计算结果与电机实际运行存在差距，在一些高速、高功率要求的工业生产活动中会造成不利影响，因此在实际使用中需要根据上述影响因素对计算模型进行修正，以确保计算结果准确。这需要长期运行总结和不同环境下的大量基础数据来进行有针对性的计算，这是本研究中未涉及的一个领域。因此，接下来的研究工作需要在理论成果的基础上进一步提高系统的抗干扰能力。

　　(3)随着变频调速技术的发展，动态调速运行的研究是一个新的方向。通过引入更多的方法，如无传感器控制和人工智能控制，可以大大提高系统的快速响应能力和运动精度。这使得变频调速技术具有更广阔的发展前景。

　　三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速。转子绕组由于转子绕组和磁场之间的相对运动而产生感生电动势和电流，并与磁场相互作用以产生电磁转矩来实现能量转换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能更好，可以节省各种材料。根据转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼型和绕组型。笼型转子异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，已得到广泛应用。它的主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子上还设有三相绕组，三相绕组通过滑环和电刷与外部变阻器相连。调节变阻器的电阻可以提高电机的起动性能，调节电机的转速。

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　　大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。

　　首先诚挚的感谢我的论文指导老师。感谢老师在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

　　在本次论文设计过程中，我的指导老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

　　最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。

　　感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活。