在能源危机和环境污染日益严重、节能减排意识逐渐深入民心的今天,异步电机变频调速系统的优化和推广是电机系统节能工作的重要内容。为了使异步电机变频调速系统尽快得到普及,必须对它的性能进行优化。在节能减排的背景下,异步电机变频调速系统的主要优化目标为提高异步电机的效率和功率密度以及简化变频器的拓扑结构、降低其生产成本。为了实现这些目标,各国学者和相关行业的工程师经过不懈努力,分别就异步电机和变频器各自的优化提出了很多的措施,并取得了不错的成果。然而,异步电机的气隙磁场分布以及供电电压波形必须是正弦的传统观念却阻碍了异步电机变频调速系统性能的进一步提高。本论文彻底突破了异步电机气隙磁场分布以及供电电压波形必须是正弦的限制,将异步电机和变频器作为一个整体,从提高异步电机功率密度的角度入手,探讨了异步电机气隙磁场的最优分布波形,得出了准方波分布的气隙磁场不仅可以提高异步电机的功率密度和效率,同时还能使变频器的拓扑结构得以简化的结论,并最终提出了准方波变频调速系统的概念,为异步电机变频调速系统性能的进一步优化提供了一条切实可行的新途径。首先,本论文对异步电机气隙磁场的分布波形进行了深入研究,分析了气隙磁场分布波形对异步电机功率密度的影响,给出了方波气隙磁场的实现方法,分析了气隙磁场中谐波分量的作用,得出了准方波分布的气隙磁场能提高异步电机功率密度和效率的结论;分析了准方波倾斜角与气隙谐波含量、定子励磁电流以及定、转子铁心磁密的关系,给出了倾斜角的合理选择范围;提出了在工程实践中通过施加准方波电压以实现气隙磁场准方波化的方法,实验数据显示:在同等耗材下,准方波异步电机的功率密度和额定效率分别提高了 19%和0.7个百分点,从而验证了所提方法的可行性。其次,本论文对准方波异步电机的气隙磁动势进行了分析,并据此推导出了准方波异步电机在相坐标系下定、转子各电阻、电感矩阵的计算公式,得出了这些矩阵均为实循环对称矩阵的结论;在实数域中给出了可以将实循环对称矩阵对角化的变换矩阵,并基于该变换矩阵建立了一个广义dq坐标系,在该坐标系中实现了定子各相、转子各回路的解耦;随后,推导出了广义dq坐标系下准方波异步电机的方程和参数计算公式,成功建立了准方波异步电机数学模型;与相坐标系下的模型相比,该模型结构简单、各dq平面相互独立,不存在耦合,同时,该模型是一种通用模型,结合傅立叶级数展开和对称分量法,它可以对任意供电方式下异步电机的性能进行分析。然后,本论文对准方波异步电机的设计进行了研究,给出了准方波异步电机的基本设计原则;分析了各类转子槽型的特点,得出了准方波异步电机宜采用圆底槽、梯形槽和梨形槽等平行齿类转子槽型的结论;推导出了准方波分布气隙磁场下齿部和轭部铁耗的计算公式,得出了宜优先采用较薄的硅钢片来制作定、转子铁心的结论;详细分析了集肤效应对定子电阻和定子铜耗的影响,给出了采用矩形绞合漆包线来削弱集肤效应的方法;分析了磁性槽楔对气隙卡式系数和槽漏感的影响,指出了磁性槽楔在准方波异步电机中对降低励磁电流所起到的重要作用;最后根据所述方法,分别设计、制作了规格为660V/90kW和6kV/450kW的异步电机样机。最后,本论文对准方波变频器进行了研究,分别给出了一种并联型和串联型准方波变频器的拓扑结构,并制作了两台与准方波异步电机样机配套的实验样机;并联型样机拓扑结构的逆变部分利用了异步电机定子电流滞后于定子电压的特性,再结合电容器的充放电实现了准方波电压的直接生成;串联型样机拓扑结构的逆变部分采用了 QS-PWM的控制方式,并利用异步电机的定子绕组实现了 IGBT的串联均压;通过实验,验证了所提准方波变频器拓扑结构的有效性;同时,对准方波变频调速系统的控制策略进行了初步探索,给出了恒压频比控制策略的改进方法以及矢量变换控制的实现方法。