PAGE密級：NANCHANG學士學位論文THESISOFBACHELOR

題目：50KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁設(shè)計方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計學院：信息工程學院系：自動化系專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電機電器學號：學生姓名：指導教師：起訖日期：本科生畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書（工科及部分理科專業(yè)適用）題目：50KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁設(shè)計方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計題目來源：□省部級以上□市廳級□橫向√自選題目性質(zhì)：□理論研究√應用與理論研究□實際應用研究學院：信息工程學院系：自動化系專業(yè)班級：電機電器062班學生姓名：張亮學號6101106080起訖日期：2019.3.24~2019.6.3指導教師：黃劭剛職稱：教授指導教師所在單位：電氣與自動化工程系學院審核（簽名）：審核日期：二0一0年制說明畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書由指導教師填寫，并經(jīng)專業(yè)學科組審定，下達到學生。進度表由學生填寫，至少每兩周交指導教師簽署審查意見，并作為畢業(yè)設(shè)計工作檢查的主要依據(jù)。進度表中的周次是指實際的畢業(yè)設(shè)計進程中的周次。學生根據(jù)指導教師下達的任務(wù)書獨立完成開題報告，于3周內(nèi)提交給指導教師批閱。本任務(wù)書在畢業(yè)設(shè)計完成后，與論文一起交指導教師，作為論文評閱和畢業(yè)設(shè)計答辯的主要檔案資料，是學士學位論文成冊的主要內(nèi)容之一。PAGE一、畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容和基本要求（一）主要內(nèi)容分析同步電動機的工作特性闡述同步電動機的設(shè)計理論及其變頻調(diào)速控制理論方法進行50KW-4極同步電動機設(shè)計，給出三套電磁設(shè)計方案三套電磁方案的比較分析設(shè)計電機的定子沖片、轉(zhuǎn)子沖片、定轉(zhuǎn)子繞組，并給出設(shè)計圖紙（二）基本要求1、技術(shù)要求：①額定功率:50KW②額定電壓:400V③相數(shù)：三相④額定功率因數(shù)：0.95（滯后）⑤額定轉(zhuǎn)速：1500r/min⑥額定頻率：50Hz⑦效率：90.6%⑧定子槽滿率：80~85%2、原始數(shù)據(jù)：①定子外徑：38.5cm②定子內(nèi)徑：26.86cm③定子槽數(shù)：36④氣隙長度：0.105cm3、參考數(shù)據(jù)①定子繞組電密：8~9A/mm2②氣隙磁密：0.73~0.88T（4極）0.7~0.75T（6極）4、設(shè)計要求：根據(jù)原始數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)設(shè)計一臺符合技術(shù)要求的同步電動機，并給出三個方案，分析電機的材料利用率與效率的關(guān)系，掌握設(shè)計節(jié)能電機和節(jié)約材料電機的方法。二、畢業(yè)設(shè)計圖紙內(nèi)容及張數(shù)1、定子沖片圖1張2、轉(zhuǎn)子沖片圖1張3、繞組聯(lián)接圖1張三、畢業(yè)設(shè)計應完成的軟硬件的名稱、內(nèi)容及主要技術(shù)指標四、畢業(yè)設(shè)計進度計劃序號各階段工作內(nèi)容起訖日期實施地點1開題報告3.24~4.42周2變頻調(diào)速同步電動機電磁設(shè)計4.7~5.166周3AUTOCAD制圖及外文翻譯5.19~5.231周4撰寫畢業(yè)論文5.26~6.62周5畢業(yè)答辯6.9~6.131周五、主要參考資料《電動機原理與實用技術(shù)》王益全編著科學出版社2014《交流電機動態(tài)分析》湯蘊張奕黃范瑜編著機械工業(yè)出版社2022電機工程手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1996《電路》邱關(guān)源編著華中科技大學大學出版社2015《電機學》李發(fā)海朱東起編著科學出版社2001《電機設(shè)計》陳世坤編機械工業(yè)出版社《AUTOCAD2022入門與提高》張躍峰等編清華大學出版社六、畢業(yè)設(shè)計進度表（本表至少每兩周由學生填寫一次，交指導教師簽署審查意見）第一、二周（3月24日至4月4日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日第三、四周（4月7日至4月18日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日第五、六周（4月21日至5月2日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日第七、八周（5月5日至5月16日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日第九、十周（5月19日至5月30日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日第十一周至畢業(yè)設(shè)計工作結(jié)束（6月2日至6月13日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名：年月日七、其他（學生提交）1．開題報告1份2．外文資料譯文1份（2000字以上，并附資料原文）3．論文1份（8000字以上）指導教師：學科組負責人：學生開始執(zhí)行任務(wù)書日期：學生姓名：送交畢業(yè)設(shè)計日期：本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目：50KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁設(shè)計方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計學院：信息工程學院系電氣工程及其自動化專業(yè)：電機電器班級：電機電器06級2班學號：6101106080姓名：張亮指導教師：黃劭剛填表日期：2010年3月選題的依據(jù)及意義\o"電動機"電動機運行的\o"同步電機"同步電機，由于同步電機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流使它在超前功率因數(shù)下運行，有利于改善電網(wǎng)的\o"功率因數(shù)"功率因數(shù)，因此，大型設(shè)備，如大型鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機等，常用同步電動機驅(qū)動。低速的大型設(shè)備采用同步電動機時，這一優(yōu)點尤為突出。此外，同步電動機的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負載而變。這一特點在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機的運行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機一般是在過勵狀態(tài)下運行，其過載能力比相應的\o"異步電動機"異步電動機大。異步電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩決定于\o"電壓"電壓和電機勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80％左右時，異步電動機轉(zhuǎn)矩往往下降為64％左右，并因帶不動負載而停止運轉(zhuǎn)；而同步電動機的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩(wěn)定運行。同步電動機變頻調(diào)速是交流電機調(diào)速控制的一個重要方面，它的應用領(lǐng)域十分廣泛，其功率覆蓋面非常廣闊，從瓦級的永磁直流電動機到萬千瓦級的大型軋機、窯爐傳動電機、鼓風機電機等。大型同步電動機和超大型抽水蓄能電動發(fā)電機的變頻起動亦屬于同步電動機變頻調(diào)速之列。近期來永磁同步電動機的迅速發(fā)展，使同步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的應用愈來愈多。在調(diào)速系統(tǒng)中采用同步電動機有以下優(yōu)點：1、同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源的基波頻率之間保持著嚴格的同步關(guān)系，只要精確的控制變頻電源的頻率就能準確的控制電機的速度，調(diào)速系統(tǒng)無需反饋控制。這樣，可以用同一個變頻電源方便的實現(xiàn)對多臺同步電動機的集中控制，使其能夠達到到調(diào)速的目的，而且同步協(xié)同。2、同步電動機有異步電動機所不具有的優(yōu)點，它對轉(zhuǎn)矩擾動具有較強的抗干擾能力，做出的反應較快。這是由于只要同步電動機的功角做適當變化就能改變負載轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)速始終維持在原同步速不發(fā)生變化，因此轉(zhuǎn)動部分的慣性不會影響同步電動機對轉(zhuǎn)矩響應的快速。相反，異步電動機負載轉(zhuǎn)矩變化時，必須要求轉(zhuǎn)差率變化才能改變電磁轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速也要相應的改變，而轉(zhuǎn)動部分的慣性阻礙了響應的快速性。這樣，同步電動機比較適合于要求對負載轉(zhuǎn)矩變化做出快速反應的交流調(diào)速系統(tǒng)當中。3、因為同步電動機能從轉(zhuǎn)子側(cè)進行勵磁，即使極低的頻率下也能運行，因此它的調(diào)速范圍比較寬。異步電動機轉(zhuǎn)子電流靠電磁感應產(chǎn)生，在很低的頻率情況下轉(zhuǎn)子中很難產(chǎn)生必需的電流，所以它的工作頻率受到限制，調(diào)速范圍比較窄。4、同步電動機可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁來調(diào)節(jié)電機的功率因數(shù)，因此有可能使之運行在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下。此時的電樞銅耗最小，由此也可減少變頻器容量。5、異步電機須從電源側(cè)吸收滯后的無功電流，即電機電流在相位上滯后于逆變器的輸出電壓。此時如采用晶閘管逆變器，必須采用強迫換流措施，要求有復雜的換流回路、昂貴的換流電容器和具有快速關(guān)斷能力的快速晶閘管，還伴隨有不小的換流損耗。而在同步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，由于同步電動機能運行在超前功率因數(shù)下，有可能利用電動機的反電動勢實現(xiàn)負載換流，克服了強迫換流的弊病。由此可以得出，同步電動機雖然本身結(jié)構(gòu)稍微復雜，但采用變頻調(diào)速技術(shù)后具有自己獨特之處，在交流傳動領(lǐng)域內(nèi)和異步電動機一樣有著重要的作用。二、同步電動機簡介同步電動機的轉(zhuǎn)子機構(gòu)有隱極式和凸極式之分，按勵磁方式分有直流勵磁、永久磁鐵、反應式等形式。同步電機多用于發(fā)電機，作為電動機使用較少。同步電動機的啟動性能較差，在用普通商用電源供電時，常利用啟動繞組異步啟動再牽入同步運行。同步電動機作為工業(yè)驅(qū)動的優(yōu)點是運行功率可調(diào)，在電動機穩(wěn)態(tài)運行時速度恒定（同步轉(zhuǎn)速）。隨著電力半導體變流技術(shù)的發(fā)展，同步電動機的應用日益廣泛，尤其是在小容量的伺服系統(tǒng)和大容量的場合，控制性能明顯優(yōu)于異步電動機。同步電動機的定子為對稱的多相繞組，轉(zhuǎn)子上有直流勵磁繞組。亦可以采用反裝式，即勵磁繞組安裝在定子上，轉(zhuǎn)子上安裝三相電樞繞組，三相繞組通過滑環(huán)和外部電路連接。當勵磁是由永久磁鐵提供，即為永磁同步電動機。它沒有滑環(huán)和電刷。反應式同步電動機是一種無刷電動機，利用電動機的氣隙磁阻不對稱產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。無論是有勵磁繞組的同步電動機還是永磁同步電動機，均可在功率因素為1的狀態(tài)下運行，從而使電動機的電流值為最小，在同樣的軸功率下變頻器的容量為最小。同步電動機也可以在領(lǐng)先的功率因數(shù)下運行，使用晶閘管變流裝置時可實現(xiàn)變頻器的負載換流。另一方面，反應式同步電動機總是在落后功率因數(shù)下運行。永磁同步電動機和反應式同步電動機主要用于小功率驅(qū)動。隱極式同步電動機隱極式同步電動機的轉(zhuǎn)子為圓柱形，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙均勻，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別嵌入在定子轉(zhuǎn)子鐵心上。定子鐵心用硅鋼片疊制而成，轉(zhuǎn)子為實心結(jié)構(gòu)。定子繞組通常為三相分布、短距繞組，以改進氣隙磁場的分布和電勢波形。轉(zhuǎn)子繞組為單相同心式繞組，通以直流電產(chǎn)生磁場。當定子中通過對稱三相交流電時，在氣隙中產(chǎn)生空間上正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子亦以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子、轉(zhuǎn)子的磁場是相對靜止的。但是，如果定子、轉(zhuǎn)子的磁場軸線不在一條直線上，則要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩企圖使兩個磁場的軸線重合。隱極式同步電動機沒有啟動轉(zhuǎn)矩，主要用于蒸汽發(fā)電機。作為電動機使用時，在轉(zhuǎn)子上安裝啟動繞組，使得啟動時電機工作在異步電動機方式，當轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時牽入同步運行。凸極式同步電動機凸極式同步電動機的轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組為集中式繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中通以直流電產(chǎn)生磁場。凸極式同步電動機的定子和隱極式同步電動機相同，為普通三相分布式繞組。當定子中通以三相對稱電流時，定子、轉(zhuǎn)子繞組磁場的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。凸極式同步電動機的定子、轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙是不均勻的，在磁極中心線處氣隙的長度最短，在兩個磁極之間的氣隙長度最長。由于氣隙長度的變化，定子磁動勢在d軸產(chǎn)生的氣隙磁通密度大于q軸的氣隙磁通密度。直流勵磁電流通過滑環(huán)和電刷饋入勵磁繞組，也可以采用無刷勵磁機進行勵磁。在轉(zhuǎn)子磁極表面安裝有阻尼繞組，阻尼繞組在啟動時作為異步電動機的籠型轉(zhuǎn)子產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，在動態(tài)過程可以抑制振蕩。永磁同步電動機永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁由永久磁鐵提供。永磁同步電動機的氣隙長度在物理上是均勻的，但是由于永磁材料的磁阻和鐵磁材料的磁阻不一樣，氣隙磁阻的分布并不均勻。通常d軸即磁極軸線的磁阻q軸相鄰兩個磁極的中性線的磁阻大。而普通凸極同步電動機的情況相反。反應式同步電動機反應式同步電動機的轉(zhuǎn)子即沒有勵磁繞組，也沒有永久磁鐵，而是一個凸極式轉(zhuǎn)子。它的定子是普通的三相對稱繞組，當定子通以三相對稱電流時，將在電動機中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子的凸極效應企圖保持轉(zhuǎn)子的軸線在相對定子磁場最小磁阻的位置，于是轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。這種電動機沒有啟動轉(zhuǎn)矩，需要籠式繞組提供異步啟動轉(zhuǎn)矩，當轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時牽入同步，牽入同步以后轉(zhuǎn)子上籠式繞組在穩(wěn)態(tài)運行時不再起作用。牽入轉(zhuǎn)矩是反應式同步電動機的一項總要指標。對于使用變頻電源的反應式同步電動機，從靜止狀態(tài)開始即可以按照同步運行方式加速，直接啟動性能已不重要。從優(yōu)化設(shè)計角度考慮，已沒有必要照顧啟動特性和牽入同步轉(zhuǎn)矩的要求。三、同步電動機變頻調(diào)速控制方式簡介同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)分為它控式變頻器供電和自控式變頻器供電兩種不同方式。它控式變頻器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)和異步電機變頻調(diào)速控制方式相似，其運行頻率由外界獨立調(diào)節(jié)，利用同步電機轉(zhuǎn)速與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場嚴格同步關(guān)系，通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)對同步電機的調(diào)速，但受負載影響容易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。自控式變頻器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)其輸出頻率不由外界調(diào)節(jié)而是直接受同步電動機自身轉(zhuǎn)速的控制。每當電機轉(zhuǎn)過一對磁極，控制變頻器的輸出電流正好變化一周期，電流周期與轉(zhuǎn)子速度始終保持同步，不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。由于這種自控式同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)電機輸入電壓進行調(diào)速的，其特性類似與直流電動機，但無電刷及換向器，所以習慣上被稱之為無換向器電動機。如果電機又是由永磁同步電機構(gòu)成并由直流電源通過由關(guān)斷器件構(gòu)成的功率電子開關(guān)（逆變器）供電，則稱為永磁無刷直流電動機。四、本課題研究內(nèi)容本課題主要是研究設(shè)計50kw4極同步電動機及其變頻調(diào)速。首先根據(jù)給定的功率，功率因數(shù)，相數(shù)，頻率及額定相電壓確定同步電動機的主要規(guī)格，即：容量，額定相電壓，額定相電流，同步轉(zhuǎn)速。其次，進行電樞繞組的選擇：1、根據(jù)線負荷的范圍,確定繞組的每相串聯(lián)導體數(shù)，即:.2、根據(jù)公式確定每槽導體數(shù)，即：3、根據(jù)槽滿率，確定電樞繞組的線規(guī)，即，。再次，確定電機鐵心的長度：1、先確定硅鋼片磁密，使硅鋼片充分的利用。2、根據(jù)第二步確定的繞組可以確定每極磁通。3、根據(jù)每極磁通及氣隙磁密，可確定鐵心的長度.最后,根據(jù)前兩步確定的數(shù)據(jù)，進行電機參數(shù)的計算。最后，根據(jù)所設(shè)計的電動機選擇合適的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并對其進行優(yōu)化設(shè)計以使其達到最佳的效果。同步電動機的電磁功率的公式：1．電壓方程：隱極機：凸極機：2．電磁功率：凸極機：隱極機：3.功率平衡：四、同步電動機的V形曲線和功率因數(shù)調(diào)整;1.三種激磁狀態(tài)：①正常激磁狀態(tài)：與同相，，吸有功P，Q=0；②過激運行狀態(tài)：超前，吸有功P，吸容性Q（發(fā)感性Q）；③欠激運行狀態(tài)：滯后，吸有功P，吸感性Q（發(fā)容性Q）；五、研究目標、主要特色及工作進度：研究目標：根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格，技術(shù)要求，設(shè)計出滿足用戶要求的性能好，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠的同步電動機。盡量減少材料的使用，主要是鐵和銅的耗用量，使之更加經(jīng)濟。主要研究通過增加材料的耗用來達到提高效率和以犧牲效率來達到節(jié)省材料的目的。2.主要特色：進行電動機的電磁設(shè)計時，既釆用手算的方法，又釆用計算機編程的方法進行計算。本課題研究了三個方案，方案一為折中方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上設(shè)計的方案。方案二，為效率最高方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機的效率的達到最高。方案三，為材料最省方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機的所用材料最省。方案齊全便于用戶選用，且對三個方案進行了詳細的研究，并做出了分析比較。本課題的另一重要特色，是指在定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片尺寸給定的情況下，設(shè)計出用戶所要求功率的電動機，這有利于產(chǎn)品的標準化生產(chǎn)。同時還可以避免由于不同功率的電機使用不同的定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片尺寸所造成重新設(shè)計模具的浪費，可以提高所生產(chǎn)的電機的經(jīng)濟性。3.工作進度：起訖日期工作內(nèi)容備注第一周—第三周論文的開題報告第四周—第五周畢業(yè)實習第六周—第九周復算電機的各種參數(shù)第十周—第十二周上機設(shè)計三個優(yōu)化方案第十二周—第十三周用Autocad制圖第十四周—第十五周寫畢業(yè)論文第十五周—第十六周論文答辯六、參考文獻：《電機設(shè)計》陳世坤編機械工業(yè)出版社《AUTOCAD2022入門與提高》李躍峰等編著清華大學出版社《電機學》辜承林陳橋夫熊永前華中科技大學出版社《電機學》李發(fā)海等合編科學出版社南昌大學學士學位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名：日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本學位論文屬于不保密√。（請在以上相應方框內(nèi)打“√”）作者簽名：日期：年月日導師簽名：日期：密級：NANCHANG學士學位論文THESISOFBACHELOR（2015—2019年）題目50KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁設(shè)計方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計學院：信息工程系自動化系專業(yè)班級：電機電器062班學生姓名：張亮學號：6101106080指導教師：黃劭剛職稱：教授起訖日期：2019.3.24~20010.6.13摘要PAGEI50KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁設(shè)計方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計專業(yè)：電氣工程及其自動化學號：6101106080學生姓名：張亮指導老師：黃劭剛摘要本文開始于同步電機及電機設(shè)計的基本理論，簡單介紹了同步電機的基本特性、類型、用途、主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標、工作特性、變頻調(diào)速等。這些都是為同步電機電磁設(shè)計做準備的。電機設(shè)計是個復雜的過程，需要考慮的因素、確定的尺寸和數(shù)據(jù)很多。因此，必須全面地、綜合地看問題，并能因地制宜，針對具體情況采取不同的解決方法。在本次設(shè)計的三個方案中，在滿足效率的前提下,根據(jù)不同的設(shè)計目標分別設(shè)計出一臺重量輕和最省材料的同步電動機以及一臺節(jié)省能源效率最高的同步電動機。經(jīng)過設(shè)計發(fā)現(xiàn):一臺最省材料的電機往往不是效率最高而效率最高的電機所用的材料卻是最多的。因此，在實際的電機設(shè)計中必須全面照顧，綜合考慮,最后得到一個既省材料效率又高的最優(yōu)方案。此外，對于用AUTOCAD軟件繪制圖形與計算機編程輔助設(shè)計也作了介紹和概述。關(guān)鍵詞：同步電機原理、設(shè)計、變頻調(diào)速、CAD.、AbstractPAGEIIElectromagneticdesignandcontrolsystemofthe50KW-4porefrequencycontrolsynchronousmotorAbstractThisarticlebeginsfromthebasictheoryofthesynchronousmotorandmotordesign,simplyintroducesthebasiccharacteristicsofsynchronousmotor,type,usage,mainstructure,technicalindicators,workingcharacteristics,frequencycontrolandsono.Theseallarethepreparationofelectromagneticdesignofsynchronousmotor.Electricalmotordesignisacomplexprocesswhichneedstoconsidersize,dataandmanyotherfactors.Therefore,weshouldhaveacomprehensivelookingoftheissueandaccordingtoconditions,makedifferentsituation-specificsolutions.Inthisthreeoptionsofthedesign,undertheconditionofefficiency,dependingonthedesignobjectivesdesignsamostlight-weightlestmaterialssynchronousgeneratorandasavingenergymostsynchronousgeneratorwithmaximumefficiency.AfterthedesignIhavefoundthatthemostprovincialmotormostlydosenothvaethemaximumefficientandthemaximumefficientmotorusethemostmaterials.Therefore,intheactualdesignthemotormusthavecomprehensiveconsiderationsothetheoptimalprogrammenotonlyusefewermaterialbutalsohavearelativelyhighefficiency.Inaddition,thisarticlemakesapresentationandoverview.usingofrenderinggraphicssoftwareAUTOCADandcomputerprogramming-aideddesign.keywords:thetheoryofSynchronousmotor,frequencycontrol,thedesign,CAD.目錄PAGEIII目錄摘要 IAbstract II緒論 IV第一章同步電機概述 11.1同步電機主要類型和用途 11.2同步電動機的基本結(jié)構(gòu) 11.3同步電機設(shè)計時的基本技術(shù)要求 2第二章同步電動機的運行原理及特性 52.1同步電動機的工作原理 52.2同步電動機的勵磁方式 52.3電樞反應 52.4同步電動機的運行特性 72.5同步電動機的基本電磁關(guān)系與電壓方程式（凸極式為例） 10第三章同步電動機變頻調(diào)速控制 123.1同步電機坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 123.2自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及硬件控制電路 153.3同步電動機矢量變換控制及硬件控制電路 20第四章電機設(shè)計的基本理論 254.1電機設(shè)計過程和內(nèi)容 254.2電機參數(shù)對電機的影響 254.3電機氣隙大小對電機的設(shè)計的影響 254.4槽滿率對電機的影響 26第五章同步電動機電磁設(shè)計的計算過程 27第六章畢業(yè)設(shè)計結(jié)果分析 466.1關(guān)于材料用量的對比 466.2關(guān)于損耗與效率的對比 466.3關(guān)于電磁負荷的對比 466.4關(guān)于電機參數(shù)的對比 476.5電磁設(shè)計結(jié)果分析 47第七章AUTOCAD繪圖 497.1定、轉(zhuǎn)子沖片圖的繪制 497.2繞組連接圖的繪制 50第八章設(shè)計總結(jié) 52參考文獻 53致謝 54外文翻譯 55第一章同步電機概述PAGE3緒論PAGEIV緒論\o"電動機"電動機運行的\o"同步電機"同步電機，由于同步電機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流使它在超前功率因數(shù)下運行，有利于改善電網(wǎng)的\o"功率因數(shù)"功率因數(shù)，因此，大型設(shè)備，如大型鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機等，常用同步電動機驅(qū)動。低速的大型設(shè)備采用同步電動機時，這一優(yōu)點尤為突出。此外，同步電動機的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負載而變。這一特點在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機的運行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機一般是在過勵狀態(tài)下運行，其過載能力比相應的\o"異步電動機"異步電動機大。異步電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩決定于\o"電壓"電壓和電機勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80％左右時，異步電動機轉(zhuǎn)矩往往下降為64％左右，并因帶不動負載而停止運轉(zhuǎn)；而同步電動機的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩(wěn)定運行。同步電動機變頻調(diào)速是交流電機調(diào)速控制的一個重要方面，它的應用領(lǐng)域十分廣泛，其功率覆蓋面非常廣闊，從瓦級的永磁直流電動機到萬千瓦級的大型軋機、窯爐傳動電機、鼓風機電機等。大型同步電動機和超大型抽水蓄能電動發(fā)電機的變頻起動亦屬于同步電動機變頻調(diào)速之列。近期來永磁同步電動機的迅速發(fā)展，使同步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的應用愈來愈多。第一章同步電機概述1第一章同步電機概述1.1同步電機主要類型和用途同步電機按用途可分為發(fā)電機、電動機和補償機；按結(jié)構(gòu)特點可分為凸極式的和隱極式的，立式的和臥式的；按通風方式可分為開啟式、防護式、封閉式的；按冷卻方式可分為空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻和混合冷卻式的；按放電機的原動機來分可分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和其他原動機帶動的發(fā)電機；按電動機帶動的負載來分可分為均勻負載、交變負載或沖擊負載的電動機。近些年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，將變頻器和同步電機聯(lián)系起來，組成了無換向器電動機，它沒有直流電機的機械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機同樣的性能，而且可以做到比直流電機容量更大、電壓和轉(zhuǎn)速更高，在工業(yè)上開辟了新的用途。在現(xiàn)代社會機里，械制造工業(yè)、冶金工業(yè)、煤炭工業(yè)、石油工業(yè)、輕紡工業(yè)、化學工業(yè)及其他各工礦企業(yè)中，廣泛地應用各種同步電機，除了工業(yè)，在農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)以及國防、文教、醫(yī)療等等中也都廣泛地應用著各種同步電機。1.2同步電動機的基本結(jié)構(gòu)同步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子以及滑環(huán)、電刷裝置等部件構(gòu)成。其繞組結(jié)構(gòu)和定子鐵心與感應電動機的一致，當同步電動機的轉(zhuǎn)速比較低時，級數(shù)也相應較多，此時由于定子圓周所能開的槽數(shù)是有限定的，定子繞組通常采用分數(shù)槽繞組。同步電動機與感應電動機的最大不同在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的不同。同步電動機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組和轉(zhuǎn)軸、滑環(huán)等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵心和勵磁繞組一起構(gòu)成了主磁極，勵磁繞組中通入直流勵磁電流就產(chǎn)生了主極磁場。像這樣主磁極旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)稱為旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。按照主磁極形狀的不同同步電動機又可分為凸極式和隱極式兩種形式。因為主磁極有明顯凸出所以稱之為凸極式轉(zhuǎn)子。這種情況下氣隙是不均勻的，磁極下面的氣隙小，兩磁極之間的氣隙打。為了改善氣隙磁場的波形磁極圓弧的圓心常與定子內(nèi)圓圓心偏心，一般取極尖處的氣隙長度為主磁極軸線處氣隙長度的1.5倍。勵磁繞組為集中式的繞組，套裝再主磁極的極身上。為了能夠得到啟動轉(zhuǎn)矩以及提高動態(tài)性能，需要在凸極式轉(zhuǎn)子主磁極的極靴表面開槽，以便裝設(shè)啟動繞組。此種轉(zhuǎn)子的機械強度比較差，適合圓周速度較低、離心力比較小的低速電動機。由于同步電動機大多轉(zhuǎn)速比較低，因此基本上均為凸極式結(jié)構(gòu)。隱極式轉(zhuǎn)子為圓柱形，氣隙均勻。勵磁繞組為同心式繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，在大齒部分形成磁極。隱極式轉(zhuǎn)子的機械強度比較好，適合于高速運行的電動機。為了給轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流，需要設(shè)置電刷和滑環(huán)，以便勵磁繞組和外部直流勵磁電源相連接。1.3同步電機設(shè)計時的基本技術(shù)要求（1）給定數(shù)據(jù)：①額定功率②額定電壓③相數(shù)及相間連接方式④額定頻率⑤額定轉(zhuǎn)速⑥額定功率因數(shù)（2）銘牌：①電機的型號②額定功率③額定電壓④額定電流⑤額定轉(zhuǎn)速⑥額定功率因數(shù)⑦額定勵磁電壓和額定勵磁電流⑧額定溫升（3）電磁設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過計算和方案比較，來確定與所設(shè)計電機電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。電磁設(shè)計過程主要包括同步電動機的主要尺寸、磁場波形、電樞鐵心、電樞繞組、磁路、穩(wěn)態(tài)電抗、短路比、勵磁繞組、短路電流、過載能力、暫態(tài)電抗、諧波繞組、負載時的損耗及效率。第二章同步電動機的運行原理及特征4第二章同步電動機的運行原理及特性3第二章同步電動機的運行原理及特性2.1同步電動機的工作原理同步電動機的工作原理是依靠轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁力而工作的。同步電動機定子三相繞組接通三相電源后，定子繞組中就會產(chǎn)生三相電流，從而在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢和旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子籠形啟動繞組從而會產(chǎn)生異步啟動轉(zhuǎn)矩使電動機啟動。當轉(zhuǎn)速升高至95%同步轉(zhuǎn)速時投入勵磁，產(chǎn)生主極磁場，在主極磁場與氣隙合成磁場之間產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩的作用下，使電動機自動牽入同步。牽入同步后，電動機轉(zhuǎn)入正常運行。實際上，只有在轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，同步電動機才能產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。可以把這種N極和S極之間的磁拉力看成轉(zhuǎn)子主磁場B0與氣隙合成磁場B之間由一組彈簧聯(lián)系在一起。當電動機空載運行時，彈簧處于自由狀態(tài)，這時B0與B的軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零；當電動機負載運行時，彈簧被拉伸，B0與B的軸線之間被拉開一個角度從而會產(chǎn)生一定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。負載越大B0與B的軸線之間被拉開的角度也會越大，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，就像彈簧越拉伸彈力越大一樣。B0與B的軸線之間的電角度稱為功率角。顯然，同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的增大是有一定限度的，超過了這個限度，同步電動機就會因為失去同步而不能正常工作，甚至是停轉(zhuǎn)。因同步電動機的轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁拉力而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為同步轉(zhuǎn)矩。在同步電動機正常穩(wěn)定運行時，它的轉(zhuǎn)速與負載的大小無關(guān)，始終保持同步速。負載越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大，功率角越大，電動機輸出功率越大，同時，電動機從電網(wǎng)輸入的電功率也就越大。當電動機的負載轉(zhuǎn)矩保持不變時，從電網(wǎng)輸入的電樞電流中，有功電流分量基本上是不變的，而無功電流分量的大小以及電動機的功率因數(shù)則與勵磁電流的大小有關(guān)。當功率因數(shù)等于1時，無功電流分量為0，電樞電流最小，這時的勵磁電流稱為正常勵磁；當功率因數(shù)小于1時，無功電流分量大于0電樞電流大于正常勵磁時電樞電流。這時的勵磁電流可能大于正常勵磁電流，稱之為過勵；也可能小于正常勵磁電流，稱之為欠勵。因此，調(diào)節(jié)勵磁電流便可以調(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)，過勵時功率因數(shù)超前，欠勵時功率因數(shù)滯后，這時一個優(yōu)點。2.2同步電動機的勵磁方式獲得勵磁電流的方法不同就構(gòu)成了不同的勵磁方式。提供同步電動機勵磁的電源裝置被成為勵磁系統(tǒng)。為了確保同步電動機的可靠運行，勵磁系統(tǒng)要符合一定的要求。同步電機目前采用的勵磁方式大致分為兩大類：直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)靜止整流器勵磁系統(tǒng)一種勵磁方式是直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，此時稱直流發(fā)電機為直流勵磁機。調(diào)節(jié)它的勵磁電流，就可以改變同步電動機的勵磁電壓，從而可以調(diào)節(jié)它的勵磁電流。此系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器的作用是為了對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，保證它能夠穩(wěn)定在給定的一定值上。改變勵磁給定值，也就改變了勵磁電流的大小。但是這種勵磁系統(tǒng)有一定的缺陷，它的維護工作量比較大，工作時的可靠性也不好，故目前很少使用。另一種是目前被廣泛使用的靜止整流器勵磁系統(tǒng)。它的主電路通常使用三相全控橋式整流電路，給同步電動機的勵磁繞組供電。電動機在正常運行時，使用的控制方式是恒流勵磁，從而電網(wǎng)電壓的波動和繞組溫度等因素不會影響到勵磁電流，恒流勵磁還可以從零值到額定值任意給定，方便的對電動機的功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)適用于重載或輕載、全壓或降壓啟動。在轉(zhuǎn)差率為0.5時自動投勵，而且還設(shè)有按時間后備投勵環(huán)節(jié)。投勵時該系統(tǒng)會輸出最大整流電壓強迫勵磁，使電動機快速牽入同步。停機時，三相全控橋式整流電路會以最大逆變電壓快速滅磁，從而確保系統(tǒng)的安全。旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)PAGE5Bδ對于大型同步電動機或在特定環(huán)境中工作的同步電動機，有刷勵磁結(jié)構(gòu)的缺點是減低了電動機運行的可靠性。通常采用無刷勵磁系統(tǒng)解決這一問題。無刷勵磁系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成主電路，勵磁機的旋轉(zhuǎn)電樞和同步電動機同軸連在一起，旋轉(zhuǎn)電樞發(fā)出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)硅整流器整流后直接提供勵磁電流給同步電動機的勵磁繞組。因為同步電動機的勵磁繞組、交流勵磁機的電樞還有硅整流器都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，故不再需要滑環(huán)和電刷。勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流。因為沒有了滑環(huán)和電刷，旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)大大提高了工作的可靠性，非常適用于防爆等有特殊要求的場所。不過這種系統(tǒng)也有缺點，由于它的響應速度比較慢，電動機勵磁回路的時間常數(shù)比較大，因此它在停機時對快速滅磁有不利的影響。2.3電樞反應空載運行時同步電動機電樞繞組中有很小的電流，相對應的電樞磁場很小，此時電動機的氣隙磁場基本上就是勵磁磁動勢產(chǎn)生的主磁場。但是當同步電動機加入負載以后，電樞繞組中將會有對稱的三相負載電流，從而會有與轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)的電樞磁動勢及相應的電樞磁場產(chǎn)生。這時，勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立電動機的氣隙磁場，而且主磁場將會受到電樞磁動勢的影響，電樞反應就是電樞磁動勢的基波對主磁場的影響。FfFfB0NBδBaIaFaE0圖2.3.1PAGE156FfFfφ0IqFaqE0Id圖2.3.2FaqFaqFaFad圖2.3.3電樞反應將會對同步電動機的運行性能產(chǎn)生影響，因為電樞反應會使氣隙磁場的波形發(fā)生畸變，氣隙磁場不再關(guān)于主磁極軸線對稱，同時還會有增磁或者去磁的現(xiàn)象發(fā)生。交（直）軸電樞反應是指電樞磁動勢恰好作用在交q（直d）軸上。一般而言，電樞反應不會單獨作用在某一個軸上，而是兩者都有。此時電樞磁動勢Fa可以分解為交軸分量Faq和直軸分量Fad?；兊臍庀洞艌霾ㄐ沃饕且驗榻惠S電樞反應，直軸電樞反應的作用是使氣隙磁場產(chǎn)生去增磁。電樞反應的性質(zhì)（去磁、增磁、交磁）由電樞磁動勢與主磁場B0的空間相對位置決定，這個相對位置與勵磁磁動勢E0和電樞電流Ia的相位差角ψ0有關(guān)。當勵磁電動勢和電樞電流同相位即ψ0=0時，電樞磁動勢的軸線與轉(zhuǎn)子交軸重合，故此時電樞磁動勢為交軸磁動勢，這時的交軸電樞反應是純交磁性質(zhì)的。正是因為交軸電樞反應，主磁場與氣隙合成磁場之間由一個空間相位角θ。在ψ0≠0的情況下，分解得到的交軸電樞反應同前面所述。而直軸分量Fad產(chǎn)生的直軸電樞反應的性質(zhì)將視角ψ0的正、負而定。在電動機慣例下，當勵磁電動勢E0滯后于電樞電流Ia時，此時的直軸電樞反應的性質(zhì)時去磁；當勵磁電動勢超前電樞電流Ia時，此時的直軸電樞反應性質(zhì)是增磁。和電動機的機電能量轉(zhuǎn)換以及電磁轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)的是交軸電樞磁動勢。轉(zhuǎn)子主磁場和氣隙合成磁場之間的相角差就是交軸電樞磁動勢產(chǎn)生的交軸電樞反應造成的，從而有電磁轉(zhuǎn)矩。電樞反應會由于負載增大而變得強烈,從而B與B0之間的相角變大，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出的機械功率也就越大，定子繞組從電網(wǎng)輸入的電功率也越大。但是電動機的負載能力是有限度的，超過了這個限度便會造成電動機過熱或者由于運行不穩(wěn)定而失去同步。2.4同步電動機的運行特性同步電動機的運行特性主要包括功角特性、工作特性、V形曲線。同步電動機的一個重要的特性便是功角特性，因為它表示出了電機的電磁功率Pe與功率角θ之間的相互關(guān)系：從上式可以看出凸極同步電動機的電磁功率由兩部分構(gòu)成，一部分稱為基本電磁功率（構(gòu)成了電磁功率的大部分）;另一部分稱為磁阻功率，它的大小與勵磁大小無關(guān)，它是由于凸極同步電動機的直軸與交軸的磁阻不相等而引起的轉(zhuǎn)矩造成的。功角特性曲線如圖所示，從中可以看出隨著機械負載的增大，功率角也相應增大，從而導致電磁功率隨著增大直到平衡增大的負載功率。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角之間的關(guān)系稱為矩角特性：電磁轉(zhuǎn)矩的最大值極為Temax，勵磁電流的增大會使勵磁電動勢增大，故電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩也會得到提高。Temax與額定轉(zhuǎn)矩TN的比值稱為電動機的過載能力，Km=Temax/Tn。電動機會因為負載轉(zhuǎn)矩大于最大電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不穩(wěn)定而失步，故電動機要有足夠大的過載能力。通常情況下，軋機用電動機要達到Km=2.5—3.0，大中型同步電動機的過載能力要在1.5到2之間。同步電動機的一個顯著優(yōu)點就是增加勵磁電流可以提高過載能力。θθPe，Te圖2.4.1功角特性曲線當電動機的電源電壓、勵磁電流保持常數(shù)時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、功率因數(shù)、效率等與輸出功率P2的變化關(guān)系稱為電動機的工作特性。功率因數(shù)功率因數(shù)ηIaTeP2圖2.4.2滯后滯后P23圖2.4.3電磁轉(zhuǎn)矩Te與輸出功率P2關(guān)系式為同步機械角速度Ω1是一個常值，故電磁轉(zhuǎn)矩隨著P2按正比例變化，即相互關(guān)系曲線是一條直線。當P2為0時電樞電流是很小的空載電流I0，電樞電流Ia隨著輸出功率P2的增加而增加，曲線也近似為直線。同步電動機的功率因數(shù)隨著負載的增加總是下降的，圖中示出了三種不同勵磁電流時同步電動機的功率因數(shù)特性。曲線一的情況是勵磁電流比較小、空載時功率因數(shù)為1的特性，電樞反應的去磁作用隨著負載的增加而增大，為了維持氣隙合成磁場的每極磁通量近似不變，同步電動機需要從電網(wǎng)中吸收感性無功電流，這樣就使的電動機的功率因數(shù)總是滯后的（欠勵）。曲線二是增大了勵磁電流，電動機半載時功率因數(shù)等于1時的特性，大于半載時的功率因數(shù)滯后，小于半載時的功率因數(shù)超前。曲線三為勵磁電流較大，電動機滿載時功率因數(shù)等于1時，此時達到滿載時的功率因數(shù)總是滯后的。由此可見調(diào)節(jié)勵磁電流可以使同步電動機的功率因數(shù)為1，甚至具有超前的功率因數(shù)，可以利用這一優(yōu)點來進行補償電網(wǎng)功率因數(shù)等。同步電動機的效率特性曲線與其它電動機的大體上相似，輸出功率為0是效率為0，隨著輸出功率的增加效率增加，在達到最大值（一般在P2=0.75—0.8Pn處）后開始逐漸下降。V形曲線是指電磁功率Pe與電源電壓為常值時，電樞電流Ia隨勵磁電流If變化的關(guān)系。如圖所示，電機的功率因數(shù)等于1時各曲線處在最低點，此時對應的勵磁電流稱為正常勵磁，這時電樞電流全部為有功電流，電機的輸入功率全部用來做功。勵磁電流小于正常勵磁電流時稱為欠勵，大于正常勵磁電流時稱為過勵。但是不論在欠勵還是過勵狀態(tài)下電樞電流都會大于正常勵磁時的值。功率因數(shù)在欠勵時是滯后的，就是說電機在吸收電網(wǎng)中有功功率的同時還要吸收感性的無功功率，這就會使電網(wǎng)的功率因數(shù)進一步變壞。相反，過勵時電動機的功率因數(shù)是超前的，即電機從電網(wǎng)吸收有功功率的同時也從電網(wǎng)吸收容性的無功功率（也可以說是向電網(wǎng)發(fā)出感性的無功功率），這樣就可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但是當勵磁電流減小到一定值時，就會因為E0的顯著減小，同步電動機的過載能力下降，電動機會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。電動機的功率因數(shù)一般設(shè)計為超前的，這樣電動機便工作在過勵狀態(tài)，電網(wǎng)的功率因數(shù)和過載能力可以得到提高。但是這樣做的缺點是此時電樞電流和勵磁電流均比正常勵磁時的大，電機的效率會因為電樞銅耗和勵磁損耗的增加而降低。IfIf過勵I(lǐng)aCos=1圖2.4.4V形曲線2.5同步電動機的基本電磁關(guān)系與電壓方程式（凸極式為例）由于凸極同步電動機直軸下的氣隙比交軸下的要小，故直軸磁導將大于交軸磁導，同樣大小的電樞磁動勢在交軸和直軸上所產(chǎn)生的磁場將會有明顯的不同，這就使得對凸極電機的分析比較困難。為了分析凸極同步電動機，我們需要引入雙反應理論。就是把電樞電流和電樞磁動勢分解為直軸和交軸兩個分量，把直軸和交軸磁動勢產(chǎn)生的電樞反應用向量疊加得到總的效果。從實踐中可以看出，采用雙反應理論分析方法在不計磁飽和時的效果是比較準確的。采用這種方法，在不計磁飽和時凸極同步電動機的電磁關(guān)系為：從中得出，勵磁電流If產(chǎn)生勵磁磁動勢Ff并且建立主極磁場，其中每極磁通量用φ0表示，電樞繞組中的勵磁電動勢E0便是由主極磁場產(chǎn)生的。電樞電流分解成了兩個分量Id和Iq，它們分別產(chǎn)生直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢從而建立了直軸電樞磁場和交軸電樞磁場，又在電樞繞組中分別感應直軸電樞反應電動勢和交軸電樞反應電動勢。與此同時電樞電流還會產(chǎn)生電樞漏磁φ0，它將會感應出電樞漏磁電動勢。考慮到電樞電阻壓降便得到電壓方程式：式中Xad和Xaq分別是直軸和交軸電樞反應電抗；Xσ是電樞反應漏電抗；Xd和Xq分別表示直軸和交軸同步電抗，Xd=Xad+Xσ，Xq=Xaq+Xσ；Ra是電樞電阻。d軸d軸IdIaUIqE0圖2.5.1向量圖圖中E0總是滯后于U一個功率角，表示同步電機處于電動機運行狀態(tài)；電樞電流超前電源電壓表示電動機處于過勵狀態(tài)，這時電網(wǎng)的功率因數(shù)由于電動機輸出感性無功電流而得到改善。電樞電流超前于勵磁電動勢表明電樞反應的性質(zhì)為去磁。直軸同步電抗和交軸同步電抗時凸極同步電動機的重要參數(shù)，是凸極同步電動機對稱穩(wěn)態(tài)運行時，表征電樞漏磁效應和交直軸電樞反應的兩個綜合參數(shù)。在磁路不飽和的情況下Xd和Xq均為常數(shù)。由于凸極同步電動機的直軸氣隙比交軸氣隙小，故直軸磁導總是大于交軸磁導，因而直軸同步電抗總是大于交軸同步電抗。還有就是飽和效應一般只是在直軸磁路出現(xiàn)，使的Xd變小。第三章同步電動機變頻調(diào)速控制第三章同步電動機變頻調(diào)速控制PAGE12第三章同步電動機變頻調(diào)速控制3.1同步電機坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換在研究同步機的許多問題時，特別是當電機定子方面對稱時，利用d、q、0坐標系統(tǒng)分析問題可以獲得不少方便之處。但在研究另外一些問題，如研究同步電機的不對稱運行方式時，這種坐標系統(tǒng)就不如其他一些坐標系統(tǒng)方便。隨著研究的不斷深入，從坐標轉(zhuǎn)換或變量置換的角度來看，現(xiàn)在已經(jīng)得到應用的坐標系統(tǒng)有以下幾種：坐標軸放在定子上的靜止坐標系統(tǒng)，即a、b、c與α、β、0及1、2、0坐標系統(tǒng)；坐標軸放在轉(zhuǎn)子上的隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標系統(tǒng)，即d、q、0及F、B、0坐標系統(tǒng)；坐標軸在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的同步恒速坐標系統(tǒng)，即坐標系統(tǒng)；坐標軸以任意給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的縱軸及橫軸（d、q）系統(tǒng)等，但應用不多。這些坐標系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，如何選擇要看以下條件：所需結(jié)果的準確程度及計算方法的簡便等；被研究問題的條件是穩(wěn)定的還是瞬變的，對稱的還是不對稱的，恒速的還是變速的，加速的還是震蕩的。解決問題時利用的工具是數(shù)值計算分析還是實驗模型設(shè)備，是數(shù)字計算機、模擬計算機還是物理模擬設(shè)備或系統(tǒng)。為了便于進一步利用其中的一些坐標系統(tǒng)來研究同步電機的某些實際運行問題，本節(jié)將對各種坐標系統(tǒng)以及它們之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系進行一些必要的討論，坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換就是變量的置換，經(jīng)過變量置換后同步電機的基本方程將變?yōu)樾伦兞勘硎镜木哂胁煌问降男碌年P(guān)系式。α、β、0坐標系統(tǒng)這種系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩矩陣為：以電流為例可以得出：其反變換為α、β分量與d、q分量之間的關(guān)系式為：2、1、2、0坐標系統(tǒng)在這種坐標系統(tǒng)中它的轉(zhuǎn)換矩陣為：其中為復數(shù)算子。以電流為例可得：其反變換為由于存在復數(shù)這種分量有時稱為復數(shù)變量，其坐標軸線與定子沒有相對運動。1、2分量與α、β分量及d、q分量間的關(guān)系式為：3、坐標系統(tǒng)在此坐標系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：同樣的以電流為例可得：其反變換為：分量與d、q分量間的關(guān)系為：4、F、B、0坐標系統(tǒng)此系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：以電流為例得到：它的反變換為：F、B分量與d、q分量間的關(guān)系式為：5、坐標系統(tǒng)此坐標系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：以電流為例得到：這也是一種復數(shù)變量，但其坐標軸線則是以同步恒速旋轉(zhuǎn)的。其反變換為：分量與分量間的關(guān)系式為：3.2自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及硬件控制電路自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)也稱為無換向器電機，它是一種新型的機電一體化無極變速電機，它由一臺帶轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器PS的同步電動機M和一套功率半導體逆變器INV所組成，如圖1和2所示。RECREC圖3.2.1圖3.2.2無換向器電機有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：一種是直流無換向器電機，即自控式同步電機交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，它是由電網(wǎng)交流電經(jīng)可控整流器REC變成大小可調(diào)直流，然后再由晶閘管逆變器INV轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流，供給同步電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速。另一種是交流無換向器電機即自控式同步電機交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。它是利用交-交晶閘管變頻器直接把電網(wǎng)50HZ交流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流供給同步電動機。所謂無換向器電機實際上就是一種通過半導體變流器把電網(wǎng)頻率電功率變成可變頻率電功率供給同步電動機進行變頻調(diào)速的系統(tǒng)。它有別于一般的異步電機變頻調(diào)速或它控式同步電動機變頻調(diào)速其變流器輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)而是受與電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測器的控制。每當電動機轉(zhuǎn)過一對磁極式，變流器輸出交流電相應的變化一個周期，故是一種所謂的自控式變頻器，其特點是能保證變頻器的輸出頻率和同步電動機轉(zhuǎn)速始終保持同步而不會發(fā)生失步。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生無換向器電機的電樞繞組一般為三相，晶閘管逆變器通常采用三相橋式接法，在小容量機組中也可用零式接法。三相半波接法的情況下，假設(shè)轉(zhuǎn)子勵磁所產(chǎn)生的磁場B在電機氣隙中按正弦分布，如果定子一相繞組中通以持續(xù)的直流電流I，則此電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同按正弦規(guī)律變化。圖3.2.3三相半波與橋式逆變電路的轉(zhuǎn)矩但在無換向器電機中，實際上每相繞組中通過的不是持續(xù)的直流而是只有1/3周期的方波電流，這樣每相電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦曲線上相當于1/3周期長的一段，這段轉(zhuǎn)矩曲線的具體形狀與繞組開始通電時刻的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)，從中可知轉(zhuǎn)子磁極軸線從某相繞組軸線轉(zhuǎn)過30度的位置處觸發(fā)導通該相晶閘管，從產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的角度看最為有利。因為在此位置下開始繞組通電的1/3周期里，載流導體正好處于比較強的磁場中，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動較小。從時間相位上看，晶閘管觸發(fā)瞬間正好是該相感應電勢交變過零之后的30度相位處，習慣上將此點選作晶閘管觸發(fā)相位的基準點，定為。稱為空載換流超前角。當采用三相橋式逆變器時，由于任何瞬間在三相繞組中總有一相通過正向電流而另一相通過反向電流，這兩個電流分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況和上述三相半波接法時相同，只不過每一相正、負電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在時間上順序要相差180度，而電動機的合成轉(zhuǎn)矩是這兩個轉(zhuǎn)矩之和。綜上所述，從電機轉(zhuǎn)矩來看，以采用三相橋式接法、比較有利，此時電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大、脈動最小。但無換向器電機的逆變器晶閘管是利用電機反電勢自然換流，因此如果等于零則不能實現(xiàn)換流，目前使用最廣泛的是超前60度運行方式。無換向器電機的工作特性無換向器電機的研究可以采用分析直流電機的方法，下面分析它的調(diào)速特性：在考慮到換流重疊角的情況時，三相橋式整流電路的輸出直流電壓為：式中為電源相電壓有效值；為整流觸發(fā)角；為整流橋換流重疊角。對于電動機側(cè)的逆變橋，其直流側(cè)電壓與電機相電壓Em之間的關(guān)系為：式中表示逆變超前角；表示逆變橋換流重疊角。設(shè)φ為電動機的氣隙合成磁通，K為電機結(jié)構(gòu)常數(shù)，P為電機極對數(shù)，電動機轉(zhuǎn)速為ω（rad/s）或n（r/min），則電動機相電壓可以寫成：整流橋輸出電壓與逆變橋輸入電壓之間的電壓關(guān)系式為：式中是包括平波電抗器電阻和晶閘管通態(tài)壓降在內(nèi)的直流回路等效電阻。由以上三式可知無換向器電機的轉(zhuǎn)速公式為：此公式和直流電動機轉(zhuǎn)速公式十分相似，由此可知兩者有相似的調(diào)速方法。對于無換向器電機而言可有的調(diào)速方法有：改變直流電壓?？赏ㄟ^可控整流橋觸發(fā)角α的改變來實現(xiàn)。改變換流超前角。改變勵磁磁通Φ或勵磁電流If。通常采用的方法是改變直流電壓來達到調(diào)速的目的。圖中給出的是在勵磁及換流超前角保持不變的情況下改變直流電壓時的機械特性曲線。2400240012003Ed=250v150v50v20v圖3.2.4無換向器電機空載時換流超前角整定為，電機負載后由于同步電機功角θ的影響，電機端電壓的相位將會前移θ角，這樣會使負載換流超前角減小為。另一方面由于負載電流的增大，換流重疊角μ也將增大。由于θ和μ角都隨負載的增大而增加，在恒定的情況下?lián)Q流剩余角將隨負載增加而減小。δ角表示的是關(guān)斷晶閘管后它所承受反向電壓的時間，為了保證可靠換流，有δ折算出的換流剩余時間必須要大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。當負載達到一定大小，接近tq時，無換向器電機將要達到換流極限，也就是它的最大負載能力。無換向器電機過載能力的提高可以一方面減小換流重疊角，另一方面盡量減小功角的影響。具體的措施有：把阻尼繞組裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上或者采用整鑄磁極，利用它的阻尼作用減少換流電抗，從而減小換流重疊角。在磁極上裝設(shè)交軸補償繞組，使其中通過的電流和Iq稱正比，由它產(chǎn)生的磁勢完全補償交軸電樞反應，使等效交軸電抗為零，換流超前角γ將步隨負載變化，從而提高了過載能力。采用勵磁電流隨負載比例變化的控制方法，此時空載電勢相應增大，整個矢量圖按比例放大，θ角將保持不變，從而電機過載能力得到顯著提高。減小交軸同步電抗Xq。因為出現(xiàn)功角θ的主要原因是存在交軸電樞反應，在一定電流下，若Xq越小，功角也越小，γ隨負載減小的趨勢變?nèi)酰虼穗姍C的過載能力得到提高。無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路圖圖3.2.5圖中包括電源側(cè)的調(diào)速控制和電動機側(cè)的四象限運行控制兩部分。調(diào)速控制部分和直流電機調(diào)速系統(tǒng)基本相同，是一個由電流環(huán)和速度環(huán)組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中還包括有邏輯控制和零電流檢測單元。邏輯控制單元用來控制電動機側(cè)的觸發(fā)脈沖分配，實現(xiàn)四象限運行；零電流檢測單元用來檢測低速電流斷續(xù)法換流時電流是否為零。電機側(cè)的控制系統(tǒng)包括一個轉(zhuǎn)子位置檢測器和一個r脈沖分配器，它受低速部分邏輯單元控制，根據(jù)四象限運行需要，把相應脈沖分配輸送到逆變器的各晶閘管中。3.3同步電動機矢量變換控制及硬件控制電路同步電動機矢量變換控制的基本思想在異步電機的矢量變換控制中，我們選擇轉(zhuǎn)子全磁通矢量作為同步速旋轉(zhuǎn)的磁場定向坐標系（M-T坐標系）的M軸。通過坐標變換，將三相定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁通同方向的等效勵磁電流及與轉(zhuǎn)子磁通方向垂直的等效轉(zhuǎn)矩電流。由于此兩者相互正交，解除了彼此間的耦合關(guān)系；在同步速的M-T坐標系中它們是一組直流標量，故完全可以像直流電動機那樣實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的分別控制，獲得良好的調(diào)速特性。這樣一種控制思想完全可以應用到同步電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時控制中。圖所示為轉(zhuǎn)場式隱極式同步電動機的空間矢量圖。MMTi1It1φmωmωΦf圖3.3.1其中電流矢量應看做為與相應磁勢等效的空間矢量。圖中轉(zhuǎn)子磁場電流矢量建立了轉(zhuǎn)子磁場磁通矢量，電樞電流矢量建立了電樞反應磁通矢量。磁化電流矢量則為電樞電流矢量和磁場電流矢量的合成矢量，而氣隙有效磁通矢量則為電樞反應磁通矢量與磁場磁通矢量的合成矢量。與之間也有著相應的關(guān)系。在同步電機的矢量變換控制中，選擇氣隙有效磁通矢量作為磁場定向坐標系M軸的方向，逆時針領(lǐng)先90度電角度的方向為T軸方向，因此電樞電流矢量可以分解出相應的等效勵磁電流分量和等效轉(zhuǎn)矩電流分量。如果控制合成的磁化電流使有效磁通保持恒定，那么同步電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就直接和電樞電流中的等效轉(zhuǎn)矩分量成正比。由于與相互垂直，調(diào)節(jié)中相互不影響，在同步速旋轉(zhuǎn)的M-T坐標系中又都是些直流量，因此可以和直流電機一樣靈活的進行轉(zhuǎn)矩的控制和調(diào)整，這就是同步電動機矢量變換控制的基本思想。同步電動機矢量變換控制系統(tǒng)硬件圖整個控制系統(tǒng)的主控制指令來自速度給定信號。速度給定值與實測的轉(zhuǎn)子速度相比較，其誤差信號控制速度調(diào)節(jié)器ST，使其輸出為保持速度給定所需的轉(zhuǎn)矩給定值。圖3.3.2系統(tǒng)硬件圖通過除以有效磁通的運算，得到電樞的等效轉(zhuǎn)矩電流給定值。與此同時，根據(jù)實際轉(zhuǎn)速的大小，按基頻一下恒磁通（恒轉(zhuǎn)矩），基頻以上弱磁通（恒功率）的調(diào)節(jié)規(guī)律，由函數(shù)發(fā)生器給出有效磁通給定值。磁通調(diào)節(jié)器根據(jù)有效磁通給定值與由磁通運算器算出的實際有效磁通的誤差信號進行調(diào)節(jié)，輸出保持有效磁通給定值所需的磁化電流給定值。磁極位置運算器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測到的磁極位置，計算并輸出轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的空間位置角度供坐標轉(zhuǎn)換使用。電流給定值運算器如圖所示：圖3.3.3電流給定值運算器產(chǎn)生有效磁通的合成磁化電流、磁場電流以及電樞電流的等效勵磁電流分量之間的關(guān)系為：因而為維持有效磁通恒定，電樞電流的等效勵磁電流分量給定值應為：此外，速度給定通過速度調(diào)節(jié)器ST以及除以有效磁通的運算，可以得到電樞電流的等效轉(zhuǎn)矩電流分量給定值。這樣，通過矢量的旋轉(zhuǎn)變換VR4以及2φ/3φ變換，就可以獲得三相電樞電流的給定值，其運算過程為：以及而供給磁場繞組的電流可以寫成：由于為電樞電流中產(chǎn)生有效磁通的等效勵磁電流分量，故是一個無功電流。如果需要保持同步電動機的功率因數(shù)為1，則應使該項電流為零，此時磁場繞組電流的給定值應為：圖示給出了磁通運算器的運算框圖：圖3.3.4磁通運算器的運算框圖圖中實測的電樞電流經(jīng)過3φ/2φ變換，變換稱α-β坐標系中的二相分量。即再經(jīng)過矢量旋轉(zhuǎn)變換VR1，變換成轉(zhuǎn)子d-q坐標系中的分量和：式中是來自磁極位置運算器的輸出。從d-q坐標系中的電樞電流分量以及磁場電流，可以計算出d-q軸的有效磁通分量。如果不考慮磁路的非線性，則與稱正比，與成正比，即有（圖中I/φ變換器的運算功能）式中分別為與磁路工作點有關(guān)的d、q軸比例系數(shù)。計算出的經(jīng)過坐標旋轉(zhuǎn)變換，可以得到靜止α-β坐標系中的有效磁通分量。故VR2的運算功能為：為了求得有效磁通的大小及相對α軸的空間位置角可采用K/P變換，即為了計算出電樞電流中的等效勵磁電流分量，還需要求出功率角θ，這可以通過矢量旋轉(zhuǎn)變換VR3來實現(xiàn)。因為，則第四章電機設(shè)計的基本理論第四章電機設(shè)計的基本理論PAGE25第四章電機設(shè)計的基本理論4.1電機設(shè)計過程和內(nèi)容1、準備階段：首先是熟悉國家標準，收集相近電機的產(chǎn)品樣本（或樣機）和技術(shù)資料（包括試驗數(shù)據(jù)），并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求；然后在國家標準有關(guān)規(guī)定及分析相應資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)建議書。2、電磁設(shè)計：本階段的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書（技術(shù)建議書）的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過計算和方案比較，來確定與所設(shè)計電機電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是確定電機的機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格及性能要求，包括必要的機械計算及通風和溫升計算。通常，首先根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書（技術(shù)建議書）中規(guī)定的防護型式、安裝方式與冷卻方式，再考慮電磁計算中所選負荷的高低，來選取合適的通風冷卻系統(tǒng)；然后安排產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)，繪制總裝配草圖。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對總裝配草圖進行必要的修改。4.2電機參數(shù)對電機的影響電阻、電抗是電機的重要參數(shù)。其中電阻包括直流電阻和交流電阻，而電抗包括主電抗和