摘 要

交流电机是现代社会正常运转、前进发展的必不可少电气设备。其应用于人类社会的方方面面。但是由于其工作原理、起动特性，交流电机在起动过程中的功率因数偏低。这就会造成了能源的浪费和损害电力网等后果。因此研究交流电机起动过程中功率因数与无功补偿方案是非常必要的。

本次毕业设计的目的是研究分析交流电机起动过程的功率因数问题及无功补偿方案设计，再用Matlab/Simulink仿真工具对无功补偿方案进行验证。

首先，通过对交流电机起动过程的功率因数和无功补偿的研究发展及现状，找到论文研究的难点及关键点，确定研究内容。

其次，通过研究分析交流电机的数学模型、坐标变换、等效电路等对交流电机的工作原理、起动特性等问题有更深的认识和理解。

其三，通过Matlab/Simulink仿真工具对交流电机进行仿真并以此研究交流电机起动过程中功率因数与转速、转矩等参数之间的关系。

其四，根据分析结果设计交流电机起动过程中的无功补偿方法包括电容量的计算和投切方案的确定。

最后，对交流电机起动过程的无功设计方案用Matlab/Simulink进行仿真验证。验证方案的正确性和可行性。

本次毕业设计中，通过相关理论结合Matlab/Simulink仿真工具研究分析并验证了交流电机在起动过程中的功率因数和无功补偿问题。为实际解决电机起动过程中功率因数偏低等问题提供了依据。

关键词：交流电机；起动过程；功率因数；无功补偿；Matlab/Simulink

Abstract

Unquestionable,AC motor is an essential electrical equipment for the normal operation and development of modern society.But because of its working principle and starting characteristic, the power factor of the AC motor in the starting process is low.This would result in the waste of energy and the damage to the power grid and other consequences. Therefore, it is necessary to study the power factor and reactive power compensation in the starting process of AC motor.

The purpose of this graduation project is to study and analyze the power factor problem of the AC motor in it’s starting process and design the reactive power compensation scheme. Then, the Matlab/Simulink simulation tool will be used to verify the reactive power compensation method.

First of all, through the research and development of the power factor and reactive power compensation in the starting process of AC motor, finding out the difficulties and the key points of this paper, then ,determine the content of the research.

Secondly, we will study and analyze the mathematical model, coordinate transformation, equivalent circuit of AC motor .obviously,it will be useful to understand the working principle and the starting characteristics or other issues.

Thirdly, the Matlab/Simulink simulation tool is used to simulate the AC motor, so as to study the relationship between the power factor and parameters such as speed and torque during the starting process of the AC motor.

Fourthly, according to the analysis result, the reactive power compensation method in the starting process of AC motor can be designed, including the calculation of capacitance and the switching scheme.

Finally, the scheme designed in the starting process of AC motor is simulated and verified by Matlab/Simulink. Verify the correctness and feasibility of the proposal.

In this graduation project, the power factor and reactive power compensation of AC motor in starting process are studied, analyzed and validated,through the related theory and Matlab/Simulink simulation tool. It provides a basis for solving the practical problem of low power factor in the process of motor starting.

Key words: AC motor; starting process; power factor; reactive power compensation; Matlab/Simulink

目录

第1章 概述 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 交流电机功率因数研究现状 2

1.2.2交流电机无功补偿技术研究现状 3

1.3论文研究的关键问题 5

1.4论文研究内容及章节安排 5

1.4.1交流电机起动功率因数分析 5

1.4.2交流电机起动数学模型构建 5

1.4.3交流电机起动无功补偿 6

1.4.4 论文章节安排 6

第2章 交流电机数学模型与等效电路的研究 8

2.1交流电机的动态数学模型 8

2.1.1 电机的数学模型 8

2.1.2坐标变换 10

2.2 交流电机的等效电路及起动过程的简单分析 12

2.2.1交流电机起动过程转速与功率因数理论分析 13

2.2.2交流电机起动电流与转矩分析 14

2.4本章小结 15

第3章 交流电机起动过程中功率因数与转速、转矩之间的关系 16

3.2交流电机MATLAB建模与仿真分析 16

3.2.1 MATLAB仿真工具简介 16

3.2.2交流电机直接起动建模与仿真 16

3.2.3交流电机软起动建模与仿真 19

3.2.4仿真结果分析 21

3.3本章小结 21

第4章 交流电机起动过程无功补偿方法研究 22

4.1交流电机无功补偿原理 22

4.2交流电机无功补偿方案设计 23

4.2.1交流电机无功补偿方法分析 23

4.2.2无功补偿容量的计算 24

4.2.3电容投切方法设计 25

4.2.4设计无功补偿方案 26

4.4本章小结 26

第5章 无功补偿方案的MATLAB仿真验证 28

5.1交流电机无功补偿方案仿真模型的构建及仿真 28

5.2仿真结果分析 30

5.3本章小结 30

第6章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2展望 31

参考文献 33

附录A 交流电机直接起动仿真模型 35

附录B 交流电机软起动仿真模型 36

附录C 交流电机软起动无功补偿一体化装置仿真模型 37

致谢 38

第1章 概述

随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电气化与自动化水平不断提高，电动机作为重要的动力装置已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。毫无疑问，交流电动机已经现代社会发展中必不可少的“齿轮”。交流电机属于高耗能产品,在工业领域电机的总用电量约占工业总用电量的75%。而功率因数的高低是衡量电机能耗的重要参数。因此，研究交流电机的功率因数和无功补偿是节能减排、能源高效利用的一个重大课题。

通过文献查阅了解交流电机起动过程中功率因数研究和无功补偿方法设计的目的及意义，以及国内外交流电机起动过程中功率因数和无功补偿的现状及发展前景，找到本课题研究的关键点和难点。

1.1课题研究目的及意义

交流电动机在实际应用中，它的功率因数大小并不是一成不变的。当电机经常处在轻载或空载运行状态时，功率因数普遍不高。而电机的功率因数愈低，无功功率相对于有功功率的百分比就会更为显著地浪费电能，这就降低了电能的利用率、降低了电机的效率，不符合节能减排的方针政策。