12kw-4極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p>　　題 目 12KW-4極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和基本要求（一）主要內(nèi)容1.了解同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)行特性；2.設(shè)計(jì)64KW-6P同步電動機(jī)，掌握同步電動機(jī)設(shè)計(jì)方法；3.對同步電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對比分析；4.采用CAD制圖，畫出定轉(zhuǎn)子沖片圖和電樞繞線圖。5.了解并設(shè)計(jì)同步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)；（二）基本要求1、技術(shù)要

2、求：①額定功率: 12KW ②額定電壓: 400V③相 數(shù)：三相Y接法 ④額定功率因數(shù)：0.95（滯后）⑤額定轉(zhuǎn)速：1500r/min ⑥額定頻率：50Hz⑦ 效率：86.5% ⑧定子槽滿率：80 - 85% 2、原始數(shù)據(jù)：① 定子外徑 ：26 ②定子內(nèi)徑：18.11③定子槽數(shù) ：36 ④氣隙長度：0.055

3、3、參考數(shù)據(jù)①定子繞組電密：7 ~ 9.5A/mm2 ② 氣隙磁密：0.73 ~ 0.88T（4極） 0.7 ~ 0.75T（6極）4、設(shè)計(jì)要求：根據(jù)原始數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一臺符合技術(shù)要求的同步電動機(jī)，并給出三個(gè)方案，分析電機(jī)的材料利用率與效率的關(guān)系，掌握</p><p>　二、畢業(yè)設(shè)計(jì)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</p><p>　三、

4、畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的軟硬件的名稱、內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo)（例如：軟件、電路板、機(jī)電裝置、新材料、新制劑、結(jié)構(gòu)模型或其他）</p><p>　四、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃</p><p>　序號各階段工作內(nèi)容起訖日期實(shí)施地點(diǎn)</p><p>　1論文開題報(bào)告及譯文3.8~3.21</p><p>　2進(jìn)行同步電動機(jī)電磁計(jì)算，設(shè)計(jì)電機(jī)繞組和沖片，并進(jìn)行CAD制圖

5、3.22~4.6</p><p>　3完成同步電動機(jī)設(shè)計(jì)方案，使各項(xiàng)指標(biāo)符合要求4.15~4.28</p><p>　4完成同步電動機(jī)兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案4.29~5.12</p><p>　5完成同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.13 ~5.26</p><p>　6撰寫畢業(yè)論文5.27 ~6.9</p><p>　7論文答

6、辯6.10</p><p>　五、主要參考資料[1] 孫旭東，王善銘主編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006[2] 戴文進(jìn)，徐龍權(quán)主編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008[3] 王益全編著. 電動機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005[4] 李發(fā)海，王巖編著. 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005[5] 陳世坤主編. 電機(jī)設(shè)計(jì)（第2版）[M].

7、北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000[6] 吳大榕編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：水利電力出版社，1979</p><p>　六、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度表（本表至少每兩周由學(xué)生填寫一次，交指導(dǎo)教師簽署審查意見）</p><p>　第一、二周（3 月8 日至3月21 日）學(xué)生主要工作：查找課題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，完成開題報(bào)告及譯文。指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日

8、</p><p>　第三、四周（ 3 月 22 日至4 月6日）學(xué)生主要工作：進(jìn)行同步電動機(jī)電磁計(jì)算，設(shè)計(jì)電機(jī)繞組和沖片，并進(jìn)行CAD制圖指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日</p><p>　第六、七周（ 4 月15 日至4 月 28 日）學(xué)生主要工作：完成同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)第一個(gè)方案，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。指導(dǎo)教師審查意見：簽名：

9、 年 月 日</p><p>　第八、九周（ 4 月 29 日至5 月12日）學(xué)生主要工作：提出優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)第二、三個(gè)方案。指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日</p><p>　第十、十一周（ 5 月 13日至5 月 26日）學(xué)生主要工作：完成同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。指導(dǎo)教師審查意見

10、：簽名： 年 月 日</p><p>　第十一周至畢業(yè)設(shè)計(jì)工作結(jié)束（ 5月 27 日至6月10日）學(xué)生主要工作：畢業(yè)設(shè)計(jì)論文定稿，并進(jìn)行論文答辯指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日</p><p>　七、其他（學(xué)生提交）1．開題報(bào)告1份

11、 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(dǎo) 教 師： 學(xué)科組負(fù)責(zé)人： 學(xué)生開始執(zhí)行任務(wù)書日期： 學(xué)生姓名： 送交畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： </

12、p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p>　　題 目：12KW—4極變頻調(diào)速同步電動機(jī)電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 電氣工程及其自動化系 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><

13、;p>　　班 級： 電機(jī)電器061 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

14、 </p><p>　　填表日期： 2010 年 4 月 2 日</p><p>　　一、 選題的依據(jù)和意義</p><p>　　電動機(jī)制造是我國機(jī)械工業(yè)中較大的行業(yè)之一，它既是關(guān)系到各行各業(yè)自動化的重要基礎(chǔ)產(chǎn)品，又是與人類生活密切相關(guān)的面廣量大、品種繁多的通用產(chǎn)品。國內(nèi)60-70%的發(fā)電量被電動機(jī)所消耗

15、。電動機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動力矩，作為用電器或小型機(jī)械的動力源,電動機(jī)產(chǎn)品的品種、數(shù)量和質(zhì)量各種性能水平的提高和發(fā)展，都會直接影響國民經(jīng)濟(jì)各部門成套設(shè)備的發(fā)展水平。</p><p>　　電機(jī)已是當(dāng)今生產(chǎn)活動和日常生活中最重要的原動力和驅(qū)動裝置。電機(jī)數(shù)量之多，應(yīng)用范圍之廣，地位之重要，沒有其它設(shè)備所能與之相比。 同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。同步電機(jī)作為電機(jī)的主要類型，其

16、應(yīng)用是十分廣泛的。</p><p>　　同步電機(jī)主要用來作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，現(xiàn)代社會中使用的交流電能，幾乎全由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。同步電機(jī)還可以作為電動機(jī)使用，對不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械，常用同步電動機(jī)來驅(qū)動。以往同步電動機(jī)主要應(yīng)用在一些功率比較大而且不要求調(diào)速的場合，如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電動發(fā)電機(jī)等。大功率同步電動機(jī)比同容量的異步電動機(jī)功率因數(shù)更高，能夠通過調(diào)節(jié)礪磁來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，這是異步電動機(jī)做不到的。而且

17、，對于大功率低轉(zhuǎn)速的電動機(jī)，同步電動機(jī)的體積比異步電動機(jī)要小。此外，同步電機(jī)還可以人微言輕同步補(bǔ)償機(jī)使用，它實(shí)際上是一臺按在交流電網(wǎng)上空轉(zhuǎn)的同步電動機(jī)，專門向電網(wǎng)發(fā)出戌感性或容性的無功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。</p><p>　　近十多年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，將變頻器和同步電動機(jī)聯(lián)合起來，組成了無換向器的電動機(jī)，它沒有直流電機(jī)的機(jī)械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機(jī)同樣的性能，而且可以做到

18、比直流電機(jī)容量更大，電壓和轉(zhuǎn)速更記，在工業(yè)上開辟了新的用途，如艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)、大型軋鋼系統(tǒng)等。</p><p>　　因此,研究同步電機(jī)對我國電機(jī)工業(yè)的發(fā)展與提高有積極意義。</p><p>　　我國從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交交變頻同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但大功率交交變頻調(diào)速裝置直到90年代才得到長足的發(fā)展。國家非常重視大型傳動裝備的國產(chǎn)化，國

19、家“七五”、“八五”、“九五”計(jì)劃均把大型傳動交流調(diào)速國產(chǎn)化列入重大技術(shù)裝備科技攻關(guān)項(xiàng)目。國家科委“火炬計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究“攀登計(jì)劃”等項(xiàng)目都對該技術(shù)的研究給予了支持。</p><p>　　二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）</p><p>　　在交流電網(wǎng)上，人們廣泛使用著交流異步電動機(jī)來拖動工作機(jī)械。交流異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本

20、低，保養(yǎng)維護(hù)簡便。但是，與直流電動機(jī)相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，輕載時(shí)尤甚，這大大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在不要求調(diào)速的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵、普通機(jī)床的驅(qū)動中，異步電動機(jī)占有主導(dǎo)地位，當(dāng)然這類拖動中，無形中損失了大量電能。 </p><p>　　過去的電力拖動中，很少采用同步電動機(jī)，其主要原因是同步電動機(jī)不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，

21、靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。電機(jī)很難啟動。自70年代以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了同步電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。 </p><p>　　隨著電力電子學(xué)、微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，在大功率調(diào)速傳動領(lǐng)域已出現(xiàn)交流傳動取代直流傳動的趨勢。對于大容量生產(chǎn)機(jī)械，如軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、船舶推進(jìn)以及牽引傳動，交流變頻同步電機(jī)調(diào)速傳動不僅具有與直流傳動同樣優(yōu)越的調(diào)速性能，還具有過載能力大、效率高、體積

22、小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、維護(hù)簡單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。同步電機(jī)與異步電機(jī)變頻調(diào)速相比較，又具有功率因數(shù)高、變頻器容量小、弱磁區(qū)轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　由于交流變頻同步電機(jī)調(diào)速傳動具有以上優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外工業(yè)屆在大容量調(diào)速傳動中已陸續(xù)采用并推廣這一技術(shù)。沿金行業(yè)軋機(jī)主傳動已普遍采用交流變頻同步電機(jī)調(diào)速傳動，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。煤炭與有色金屬行業(yè)也將該系統(tǒng)用于礦井提升機(jī)傳動。國家重點(diǎn)發(fā)展的油氣輸送壓縮機(jī)調(diào)

23、速傳動、船舶電力推進(jìn)、高速磁懸浮直線電機(jī)牽引供電等大型調(diào)速傳動裝備也采用交流變頻 同步電機(jī)調(diào)速傳動。</p><p>　　近20年來，我國高等學(xué)校、科研院所、電機(jī)制造廠對大型交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究、裝備制造和工程應(yīng)用也做出了很多努力并取得了突出成果。在理論研究方面，建立并完善了叫交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行理論、交交變頻同步電機(jī)阻尼繞組理論、交交變頻同步電機(jī)設(shè)計(jì)理論、同步電機(jī)磁場定向控制理論、大功率交流

24、電機(jī)與電網(wǎng)一體化控制理論、交流調(diào)速系統(tǒng)仿真理論及平臺、交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工程調(diào)整理論與方法、大型交流調(diào)速傳動機(jī)電振蕩理論與抑制方法等，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界具有重要影響，并為大功率交流調(diào)速裝備制造和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　1993年，我國科研院所把交流調(diào)速的科研成果推向了工程實(shí)踐，研制成功我國第一臺2500kw交交變頻同步電機(jī)軋機(jī)主傳動系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，又連續(xù)突破了5000kw單機(jī)容量、單機(jī)可逆、

25、雙機(jī)傳動等技術(shù)難關(guān)，在大型軋機(jī)主傳動中應(yīng)用成功。特別是近期在國家“九五國家重大技術(shù)裝備攻關(guān)計(jì)劃”的支持下，研制成功由8臺10MV*A大功率交交變頻器組成的我國第一套大型熱連軋機(jī)交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2001年研制成功我國第一臺6MW礦井提升機(jī)交交變頻同步電機(jī)傳動系統(tǒng)。2002年采用新型電力電子器件IGCT研制成功國家863計(jì)劃項(xiàng)目-5MV*A三電平大功率變頻器，打破了我國大型交流傳動裝備長期依賴進(jìn)口的局面，標(biāo)志著我國交流調(diào)速理論研究、裝

26、備制造、工程設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。</p><p><b>　　三、本課題研究內(nèi)容</b></p><p><b>　　A變頻調(diào)速控制系統(tǒng)</b></p><p>　　電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長期以來，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場相互正交，可以分別

27、控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場是復(fù)雜耦合的，不能簡單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。</p><p>　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)

28、用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。并且變頻技術(shù)所應(yīng)用到的行業(yè)越來越廣泛,和能源相關(guān)的行業(yè)都能用到. 舉例:生活中空調(diào),冰箱,洗衣機(jī)等等,工業(yè):起重機(jī)等等 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)化成等效直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。</p><p><b

29、>　　B電磁設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本課題主要是研究設(shè)計(jì)12kw同步電動機(jī)。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(jī)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(jìn)行電樞繞組的選擇：1.根據(jù)線負(fù)荷的范圍,確定繞組的每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù),即:.2.根據(jù)公式確定每槽導(dǎo)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(jī)鐵心的長度。1.先確

30、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(jìn)行電機(jī)參數(shù)的計(jì)算.</p><p>　　本課題的主要計(jì)算過程如下：</p><p><b>　　1.主要規(guī)格的確定</b></p><p><b>　　2.主要尺寸的確定</b&

31、gt;</p><p><b>　　3.磁場波形的確定</b></p><p>　　4.電樞鐵心及電樞繞組的確定</p><p><b>　　5.磁路計(jì)算</b></p><p><b>　　6.穩(wěn)態(tài)電抗計(jì)算</b></p><p><b>　

32、　7.短路比計(jì)算</b></p><p><b>　　8.勵磁繞組計(jì)算</b></p><p>　　9.短路電流，過載能力及暫態(tài)電抗計(jì)算</p><p>　　10.諧波繞組的計(jì)算</p><p>　　11.額定負(fù)載時(shí)的損耗及效率計(jì)算</p><p>　　12．主要材料重的計(jì)算</

33、p><p><b>　　13．溫升計(jì)算</b></p><p><b>　　四、本課題研究方案</b></p><p>　　本課題的研究方案主要有三個(gè)，方案一，是根據(jù)計(jì)算程序，首先選擇電樞繞組的規(guī)格和每槽導(dǎo)體數(shù),然后算出定子鐵心長度,最后計(jì)算出符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求的電機(jī)參數(shù)；方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，通過增加每槽導(dǎo)體數(shù)，

34、減小電機(jī)的鐵心長度，從而達(dá)到在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，節(jié)省材料，主要是節(jié)省硅鋼片的用量的目的。方案三：在方案一的基礎(chǔ)上,通過減小每槽導(dǎo)體數(shù),在保持磁密不變的情況下,相應(yīng)的增加電機(jī)鐵心的長度,從而達(dá)到減小銅耗,最終達(dá)到提高效率的目的. </p><p>　　方案二與方案一主要是通過犧牲效率來達(dá)到節(jié)省材料的目的，方案三與方案一主要是通過增加材料耗用來提高效率的目的。采用的方法主要是手算和計(jì)算機(jī)程序算相結(jié)合的方法。

35、 </p><p>　　五、研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：</p><p><b>　　研究目標(biāo)：</b></p><p>　　根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格，技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的性能好，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠的電動機(jī)。盡量減少材料的使用，主要是鐵和銅的

36、耗用量，使之更加經(jīng)濟(jì)。主要研究通過增加材料的耗用來達(dá)到提高效率和以犧牲效率來達(dá)到節(jié)省材料的目的。</p><p><b>　　2. 主要特色：</b></p><p>　　進(jìn)行同步電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)時(shí)，既釆用手算的方法，又釆用計(jì)算機(jī)編程的方法進(jìn)行計(jì)算。本課題研究了三個(gè)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(jì)的方案。方案二為材料最省方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使

37、電機(jī)的所用材料最省。方案三為效率最高方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機(jī)的效率的達(dá)到最高。方案齊全便于用戶選用，且對三個(gè)方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并做出了分析比較。</p><p>　　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(jì)出用戶所要求功率的發(fā)電機(jī)，這有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。同時(shí)還可以避免由于不同功率的電機(jī)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(jì)模具的浪費(fèi)，可以提高所生產(chǎn)的電機(jī)的經(jīng)濟(jì)

38、性。</p><p><b>　　3. 工作進(jìn)度：</b></p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 孫旭東，王善銘主編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006</p><p>　　[2] 戴文進(jìn)，徐龍權(quán)主編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2

39、008</p><p>　　[3] 王益全編著. 電動機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005</p><p>　　[4] 李發(fā)海，王巖編著. 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[5] 陳世坤主編. 電機(jī)設(shè)計(jì)（第2版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[

40、6] 吳大榕編. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：水利電力出版社，1979</p><p>　　[7] 陳永校等編著. 小功率電動機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992</p><p>　　[8] 顧繩谷等. 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981</p><p><b>　　[9] 王</b></p><p>

41、;　　12KW-4極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案</p><p><b>　　及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)號： </p><p>　　學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師：**</p><p><b>　　摘要</b></p><

42、p>　　本文從同步電動機(jī)的基本理論及工作特性著手，簡單介紹了同步電動機(jī)的工作原理,工作特性、類型、用途、主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)、工作特性和變頻調(diào)速控制等。這是為電機(jī)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備的。電機(jī)設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)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。本文制定出三套設(shè)計(jì)方案來設(shè)計(jì)同步電動機(jī)，第一套方案是選定各項(xiàng)數(shù)據(jù)按照計(jì)算程序來初步設(shè)計(jì)一臺電機(jī)，使其符合同步電動機(jī)的效率

43、、溫升等要求，第二套方案是在方案1的基礎(chǔ)上重新選擇數(shù)據(jù)使同步電動機(jī)的材料消耗最少，最后一套方案是在方案2的基礎(chǔ)上再想辦法使同步電動機(jī)的效率最高.此外，對于用AUTOCAD繪制圖形也作了概述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：同步電動機(jī)原理；設(shè)計(jì)；CAD.</p><p>　　12KW-4 frequency speed synchronous Motor Electromagnetic and

44、 control system Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article begins from synchronous motors elementary theory and the operational factor, introduced synchronous generator

45、9;s principle of work simply, the operational factor, the type, the use, the primary structure, the technical specification, operational factor frequency speed control and so on. This is prepares for the electric machine

46、 design. The electric machine design is a complex process, needs to consider the factor, the determination size and the data are many. Therefore, must look at </p><p>　　keywords: the theory of synchronous mo

47、tor, the design ,CAD.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄III</b></p><p><b&

48、gt;　　緒論1</b></p><p>　　第一章 同步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理2</p><p>　　1.1同步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.2同步電動機(jī)的工作原理2</p><p>　　1.3同步電動機(jī)的勵磁方式3</p><p>　　第二章 同步電動機(jī)的運(yùn)行原理5<

49、/p><p><b>　　2.1電樞反應(yīng)5</b></p><p>　　2.2同步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系7</p><p>　　2.3功角特性及功率調(diào)節(jié)8</p><p>　　2.4同步電動機(jī)的起動10</p><p>　　第三章 同步電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)12</p>&l

50、t;p>　　3.2同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的分類14</p><p>　　3.3同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)15</p><p>　　3.3.1交流同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)學(xué)模型15</p><p>　　3.3.2直接轉(zhuǎn)矩控制的電壓空間矢量17</p><p>　　3.3.3定子磁鏈軌跡18</p><p>　

51、　3.3.4電磁轉(zhuǎn)矩控制19</p><p>　　3.3.5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)21</p><p>　　第四章 電機(jī)設(shè)計(jì)基本理論24</p><p>　　4.1總體設(shè)計(jì)內(nèi)容24</p><p>　　4.2電磁設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.2.1 同步電動機(jī)的主要性能指標(biāo)和額定數(shù)據(jù)24</p>

52、;<p>　　4.2.2 主要性能指標(biāo)的計(jì)算及影響它們的因素25</p><p>　　4.2.3 氣隙對電機(jī)性能的影響26</p><p>　　4.2.4 集膚效應(yīng).及其對轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響27</p><p>　　4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28</p><p>　　第五章 電磁設(shè)計(jì)方案計(jì)算29</p><p&g

53、t;　　5.1數(shù)據(jù)對比46</p><p>　　5.1.1材料用量計(jì)算結(jié)果及分析46</p><p>　　5.1.2電機(jī)損耗和效率計(jì)算結(jié)果及分析47</p><p>　　5.1.3電磁負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及分析47</p><p>　　5.1.4電機(jī)參數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析48</p><p>　　5.2結(jié)果分析48&l

54、t;/p><p>　　第六章 AUTO CAD 2006繪圖50</p><p>　　6.1定子沖片圖50</p><p>　　6.2畫轉(zhuǎn)子軸相圖51</p><p>　　6.3畫繞線圖52</p><p><b>　　第七章 總結(jié)54</b></p><p>　　

55、參考文獻(xiàn)（References）56</p><p><b>　　致 謝57</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　同步電動機(jī)是一種常用的交流電動機(jī)。與感應(yīng)電動機(jī)相比，同步電動機(jī)的特點(diǎn)主要有兩條，一是只要電源頻率f不變，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n就是恒定的，不隨負(fù)載的大小而變化；二是可通過調(diào)節(jié)直流

56、勵磁電流來調(diào)節(jié)電動機(jī)的功率因數(shù)，可使電機(jī)的功率因數(shù)或具有超前的功率因數(shù)，這是同步電動機(jī)的一個(gè)十分可貴的特點(diǎn)。因此，同步電動機(jī)常用于工礦企業(yè)中要求恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的大、中型機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動，以便改善電網(wǎng)的功率因數(shù)同步電動機(jī)與電力電子技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使同步電動機(jī)的應(yīng)用場合更為廣泛，如艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)、大型軋鋼系統(tǒng)等。</p><p>　　第一章 同步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理</p><p

57、>　　同步電動機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等部分組成。按結(jié)構(gòu)不同，可分為隱極同步電機(jī)和凸極同步電機(jī)兩大類。。</p><p>　　1.1同步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　同步電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子以及滑環(huán)、電刷裝置等部件構(gòu)成。其定子鐵心和繞組結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電動機(jī)相同，當(dāng)同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，極數(shù)也將較多，這時(shí)，由于定子圓周所能開出的槽數(shù)有限，定子繞組常采用分?jǐn)?shù)槽繞組。</p

58、><p>　　同步電動機(jī)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)子鐵心和勵磁繞組共同構(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。這種主磁極旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)稱為旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。按照轉(zhuǎn)子主磁極形狀不同，同步電動機(jī)又可分為隱極式和凸極式兩種轉(zhuǎn)子行式。</p><p>　　隱極式轉(zhuǎn)子為圓柱行，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(jī)械強(qiáng)度較好

59、，適合于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電動機(jī)。</p><p>　　凸極式轉(zhuǎn)子因有明顯凸出的主磁極而得名。其氣隙是不均勻的，磁極下面的氣隙小，兩磁極之間的氣隙大。為了改善氣隙磁場波形，磁極圓弧的圓心常與定子內(nèi)圓偏心，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。勵磁繞組為集中式繞組，套裝在主磁極的極身上。為了獲得起動轉(zhuǎn)矩及改善動態(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)籠型阻尼繞組。凸極式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度較差，

60、適合圓周速度較低、離心力較小的低轉(zhuǎn)速電動機(jī)。為了給轉(zhuǎn)子勵磁繞組通以直流勵磁電流，需要裝設(shè)滑環(huán)和電刷，以便勵磁繞組與外部直流勵磁電源相連接。</p><p>　　1.2同步電動機(jī)的工作原理</p><p>　　同步電動機(jī)依靠轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁拉力而工作的。同步電動機(jī)定子三相繞組接通三相電源后，定子繞組中就有三相電流流過，從而產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁動勢和旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子籠型起動

61、繞組，產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩使電動機(jī)起動。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高95%同步轉(zhuǎn)速時(shí)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(jī)自動牽入同步。牽入同步后，電動機(jī)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。實(shí)際上，只有在轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，同步電動機(jī)才能產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩?？梢园堰@種N極和S極之間的磁拉力比喻成轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場B之間由一組彈簧聯(lián)系在一起。當(dāng)電動機(jī)空載時(shí)，彈簧處于自由狀態(tài)，未被拉伸，這時(shí)與B的軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零；當(dāng)電動機(jī)負(fù)載后

62、，彈簧被拉伸，與B的軸線之間被拉開了一個(gè)角度，從而產(chǎn)生一定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。負(fù)載越大，與B的軸線之間被拉開的角度越大，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，就像彈簧被拉伸得越長彈性力越大一樣。與B的軸線之間的空間電角度稱為功率角。顯然，彈簧被拉伸的長度是有一定限度的，同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的增大也同樣要有一定的限度，超過了這個(gè)限度，同步電動機(jī)就會因失去同步而不能正常工作，甚至停轉(zhuǎn)。這種因</p><p>　　同步電動機(jī)正常穩(wěn)定

63、運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)，將始終保持同步轉(zhuǎn)速不變。負(fù)載越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大，功率角越大，電動機(jī)的輸出功率越大，同時(shí)電動機(jī)從電網(wǎng)輸入的電功率也就越大。</p><p>　　當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，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(jī)的功率因數(shù)則與勵磁電流的大小有關(guān)。當(dāng)功率因數(shù)時(shí)，無功電流分量等于0，電樞電流最小，這時(shí)的勵磁電流稱為正常勵磁；當(dāng)功率因數(shù)時(shí)，無功電流分量

64、大于0，電樞電流大于正常勵磁電流，稱為欠勵。因此，調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)，過勵時(shí)功率因數(shù)超前，欠勵時(shí)功率因數(shù)滯后。</p><p>　　1.3同步電動機(jī)的勵磁方式</p><p>　　給同步電動機(jī)提供勵磁的電源裝置稱為同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)。獲得勵磁電流的方法不同，就構(gòu)成了不同的勵磁方式。為保證同步電動機(jī)的安全可靠運(yùn)行，一般對勵磁系統(tǒng)有如下要求：</p><

65、;p>　　1.能穩(wěn)定可靠地為同步電動機(jī)提供從空載到滿載以及過載時(shí)的勵磁電流，并力求簡單、經(jīng)濟(jì)以及維護(hù)方便；</p><p>　　2.為改善電網(wǎng)功率因數(shù)，大中容量同步電動機(jī)應(yīng)按功率因數(shù)恒定或輸出無功功率恒定來進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)</p><p>　　3.為了提高同步電動機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或過載時(shí)，應(yīng)能實(shí)行強(qiáng)行勵磁；</p><p>　　4.當(dāng)同步電動機(jī)正常停

66、機(jī)或事故停機(jī)時(shí)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)快速滅磁。</p><p>　　目前廣泛使用的是靜止整流勵磁系統(tǒng)。其主電路一般采用三相全控橋式整流電路，給同步電動機(jī)的勵磁繞組供電。電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，采用恒流勵磁控制方式，使勵磁電流不受電網(wǎng)電壓波動以及繞組溫度等因數(shù)的影響，恒流勵磁可從零至額定值任意給定，以便對電動機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)適用于重載或輕載、全壓或降壓起動。在轉(zhuǎn)差率為0.05時(shí)自動投勵，并沒有按時(shí)間后備投勵環(huán)節(jié)。投勵時(shí)系

67、統(tǒng)輸出最大整流電壓強(qiáng)迫勵磁，使電動機(jī)快速牽入同步。停機(jī)時(shí)，可控橋以最大逆變電壓快速滅磁，以保證系統(tǒng)安全。靜止整流器勵磁系統(tǒng)的可靠性好，響應(yīng)速度快，適用于額定電壓為3KV、6KV、10KV的高壓電動機(jī)以及380V的低壓電動機(jī)。</p><p>　　對于大型同步電動機(jī)或在特殊環(huán)境中工作的同步電動機(jī)，有刷勵磁結(jié)構(gòu)常常降低了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性。為了解決這一問題，常需要采用無刷勵磁系統(tǒng)。無刷勵磁系統(tǒng)的主電路由一臺旋轉(zhuǎn)電樞式

68、三相同步發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成，勵磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞與同步電動機(jī)同軸連接，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，直接給同步電動機(jī)的勵磁繞組提供勵磁電流。由于交流勵磁機(jī)的電樞、硅整流器和同步電動機(jī)的勵磁繞組均以同步速旋轉(zhuǎn)，因此，不再需要滑環(huán)和電刷裝置。同步電動機(jī)的勵磁電流由勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)。</p><p>　　第二章 同步電動機(jī)的運(yùn)行原理</p><p><b>　　2.

69、1電樞反應(yīng)</b></p><p>　　同步電動機(jī)空載時(shí)，電樞繞組中的電流很小，產(chǎn)生的電樞磁場也很小，這時(shí)電機(jī)的氣隙磁場基本上就是勵磁磁動勢建立的主磁場。同步電動機(jī)負(fù)載后，情況將有所不同。這時(shí)，電樞繞組中將流過三相對稱的負(fù)載電流，因而將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)的電樞磁動勢及相應(yīng)的電樞磁場。負(fù)載時(shí)電機(jī)的氣隙磁場是由電樞磁動勢和勵磁磁動勢共同建立的，同時(shí)，電樞磁動勢將對主磁場產(chǎn)生影響，電樞磁動勢的基波對主磁

70、場的影響就稱為電樞反應(yīng)。</p><p>　　電樞反應(yīng)將使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，同時(shí)，還會產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此電樞反應(yīng)將對同步電動機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。如果電樞磁動勢恰好作用在交軸（q軸）上，所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)；如果電樞磁動勢恰好作用在直軸（d軸）上，所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)稱為直軸電樞反應(yīng)。一般情況下，電樞磁動勢即不作用在交軸上，又不作用在直軸上，這時(shí)，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個(gè)分量（），其

71、中，交軸分量將產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，直軸分量將產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)。氣隙磁場波形發(fā)生的畸變主要是交軸電樞反應(yīng)的結(jié)果，而直軸電樞反應(yīng)則會使氣隙磁場產(chǎn)生去磁或增磁作用。</p><p>　　電樞反應(yīng)的性質(zhì)（交磁、去磁或增磁）取決于電樞磁動勢與主磁場在空間的相對位置，這一相對位置和電樞電流與勵磁電動勢之間的相位差角有關(guān)。</p><p>　　當(dāng)= ，即電樞電流與勵磁電動勢同相位時(shí)，電樞磁動勢的軸線總與轉(zhuǎn)

72、子交軸重合，顯然，此時(shí)的電樞磁動勢是一個(gè)交軸磁動勢，即，產(chǎn)生純交磁性質(zhì)的交軸電樞反應(yīng)，這時(shí)同步電動機(jī)的矢量圖如圖1所示。</p><p>　　由于交軸電樞反應(yīng)的存在，使得氣隙合成磁場（）與主磁場之間有一個(gè)空間相角差。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，如前所述，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個(gè)分量和，他們的幅值、與電樞磁動勢幅值及角的關(guān)系為</p><p>　　電樞交軸

73、磁動勢分量產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)與前面說明的作用相同。直軸分量產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)是去磁性質(zhì)的還是增磁性質(zhì)的，將取決于角的正、負(fù)。對于同步電動機(jī)，當(dāng)>0,即電樞電流超前于勵磁電動勢時(shí),直軸電樞反應(yīng)是去磁性質(zhì)的;當(dāng)<0,即電樞電流滯后與勵磁電動勢時(shí),直軸電樞反應(yīng)是增磁性質(zhì)的.這時(shí),同步電動機(jī)矢量圖如圖2.1所示.</p><p>　　圖2.1 電樞反應(yīng)矢量圖</p><p>　　應(yīng)該指

74、出,由于采用了電動機(jī)慣例,圖2中的電樞直軸磁動勢雖然與勵磁磁動勢方向相同,但為去磁性質(zhì);而圖3中的電樞直軸磁動勢雖然與勵磁磁動勢方向相反,但為增磁性質(zhì),這一點(diǎn)與發(fā)電機(jī)時(shí)的情況正好相反.</p><p>　　直軸電樞反應(yīng)對同步電動機(jī)的運(yùn)行性能影響很大.當(dāng)同步電動機(jī)接電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),為維持氣隙磁場為一定值,若轉(zhuǎn)子勵磁電流較小,則同步電動機(jī)將從電網(wǎng)輸入一個(gè)滯后與勵磁電動勢的感性電流,使直軸電樞反應(yīng)為增磁性質(zhì);若轉(zhuǎn)子勵磁電流

75、較大,則同步電動機(jī)將從電網(wǎng)輸入一個(gè)超前于勵磁電動勢的容性電流,使直軸電樞反應(yīng)為去磁性質(zhì).可見,直軸電樞反應(yīng)將直接影響同步電動機(jī)的功率因數(shù).</p><p>　　應(yīng)該指出,交軸電樞磁動勢與電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)電能來轉(zhuǎn)換直接相關(guān).交軸電樞磁動勢產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)使氣隙合成磁場B與轉(zhuǎn)子主磁場之間形成一個(gè)相角差,從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。負(fù)載越大，電樞反應(yīng)月強(qiáng)烈，B與之間的相角差越大，電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，輸出的機(jī)械功率

76、越大，定子繞組從電網(wǎng)輸入的電功率也越大。當(dāng)然，電動機(jī)的負(fù)載能力是有一定限度的，超過了這個(gè)限度，將會引起電動機(jī)過熱，或者因運(yùn)行不穩(wěn)定而失去同步。</p><p>　　2.2同步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系　　</p><p>　　按電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩的實(shí)際方向規(guī)定轉(zhuǎn)矩的參考方向，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為</p><p><b>　　(1)</b>&

77、lt;/p><p>　　式中，為機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其大小等于電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；為空載轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與發(fā)電機(jī)時(shí)的相反，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩，克服機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　同步電動機(jī)從電源輸入的電功率減去定子繞組的銅耗,為電磁功率，即</p><p>　　將（1）式兩邊各項(xiàng)均乘以機(jī)械角

78、速度，可得</p><p>　　即電磁功率減去同步電動機(jī)的控制損耗,就是電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。同步電動機(jī)的功率流程圖如圖所示</p><p>　　圖2.2 同步電動機(jī)的功率流程圖</p><p>　　2.3功角特性及功率調(diào)節(jié)</p><p><b>　　1、功角特性</b></p><p>　　

79、功角特性指的是電磁功率隨功角d變化的關(guān)系曲線=f(d)的。　　凸極電機(jī) 令可以求出對應(yīng)于最大電磁功率的功角,一般來說凸極電機(jī)的在45～90之間。　　隱極電機(jī) 　　最大功率與額定功率的比值定義為同步發(fā)電機(jī)的過載能力。對隱極電機(jī)來說 </p><p>　　圖2.3 同步電機(jī)功角特性(a.隱極電機(jī) b.凸極電機(jī))</p><p><b>　　2、有功功率的調(diào)節(jié)</b>

80、;</p><p>　　功角特性=f(d)反映了同步電動機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定，恒等于同步轉(zhuǎn)速，即，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 和電磁功率之間成正比關(guān)系： 電磁轉(zhuǎn)矩與原動機(jī)提供的動力轉(zhuǎn)矩相平衡其中為空載轉(zhuǎn)矩因摩擦、風(fēng)阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩）?！?當(dāng)功角處于0到范圍內(nèi)時(shí)，隨著d的增大，亦增大，同步電動機(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 而當(dāng)d >時(shí)，隨著d的增大，反而減小，電

81、磁功率無法與輸入的機(jī)械功率相平衡，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越來越大，電動機(jī)將失去同步，故在這一區(qū)間電動機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。　　同步電動機(jī)失去同步后，必須立即減小原動機(jī)輸入的機(jī)械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。另外，失步后，電動機(jī)的頻率和電網(wǎng)頻率不一致，定子繞組中將出現(xiàn)一個(gè)很大的電流而燒壞定子繞組。因此，保持同步是十分重要的。 　　綜上所述：電動機(jī)所承擔(dān)的有功功率可以通過調(diào)節(jié)原動機(jī)輸入的機(jī)械功率來改變的。而且電機(jī)承擔(dān)的有功功

82、率的極限是。當(dāng)0<d<時(shí)電動機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行； d<電動機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。 </p><p>　　3、無功功率的調(diào)節(jié)-V形曲線特性</p><p>　　與發(fā)電機(jī)時(shí)一樣，V形曲線特性對同步電動機(jī)的值班人員了解和調(diào)節(jié)電動機(jī)是非常重要的。利用電動勢相量圖就可以得到同步電動機(jī)的V形曲線特性。</p><p>　　以隱極同步電動機(jī)為例。保持電動機(jī)的負(fù)載不變，即負(fù)

83、載轉(zhuǎn)矩不變，忽略空載損耗，則電磁轉(zhuǎn)矩T不變，于是，即</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩T不變，電磁功率也不變，當(dāng)忽略電樞繞組電阻時(shí)，輸入電功率也不變，即</p><p>　　由此可畫出電動機(jī)的電動勢相量圖，如圖所示。得到電流I與空載電動勢之間的關(guān)系后，由電動勢查空載特性氣隙線求出勵磁電流，即可畫出電樞電流I與勵磁電流之間的關(guān)系曲線，即V形曲線，如圖所示</p><p>

84、　　圖2.4同步電動機(jī)V形曲線特性</p><p>　　圖2.5負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變勵磁變化時(shí)的電動勢相量圖</p><p>　　在的點(diǎn)，電樞電流I最小；時(shí)，I都增大。勵磁電流小于正常勵磁電流時(shí)，功率因數(shù)為滯后性的；大于正常勵磁電流時(shí)，功率因數(shù)為超前性的。</p><p>　　改變負(fù)載的大小，可以得到一族曲線。如圖 >> >。</p>&l

85、t;p>　　把各條V形曲線上的功率因數(shù)相同的點(diǎn)連接起來，得到等功率因數(shù)線。曲線族上各運(yùn)行點(diǎn)的功率因數(shù)就可以由曲線查出。</p><p>　　同步電動機(jī)比較突出的優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)無功功率，能在超前的功率因數(shù)下運(yùn)行，改善電網(wǎng)功率因數(shù)。由V形曲線特性可以看出，要讓電動機(jī)運(yùn)行在超前功率因數(shù)下，必須增大勵磁電流，使電動機(jī)勵磁處于過勵狀態(tài)。因此要求設(shè)計(jì)電動機(jī)時(shí)，必須保證足夠的勵磁容量。</p>

86、;<p>　　2.4同步電動機(jī)的起動</p><p>　　電動機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的過程，稱為起動。同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流后，轉(zhuǎn)子將形成固定極性的磁極。在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)將定子繞組接入電網(wǎng)，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速相對于靜止的轉(zhuǎn)子運(yùn)動。定子旋轉(zhuǎn)磁場的某一極性磁極，例如N極，一會鄰近且超前于轉(zhuǎn)子的S極，產(chǎn)生吸引力，牽引轉(zhuǎn)子加速；一會鄰近且超前于轉(zhuǎn)子的N極，產(chǎn)生排斥力，使轉(zhuǎn)子減速。

87、在定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)，在轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性作用下，無法產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的平均電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子無法與定子磁場保持同步旋轉(zhuǎn)，從而無法直接起動。</p><p>　　通常，同步電動機(jī)的起動方法有以下幾種。</p><p><b>　　1.輔助動力起動</b></p><p>　　可以采用小型的輔助動力設(shè)備，如直流電動機(jī)、異步電動機(jī)或其他動力機(jī)，

88、將同步電動機(jī)拖到同步轉(zhuǎn)速或者接近同步轉(zhuǎn)速，再通過整步或者自同步法將同步電動機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)上運(yùn)行。這種方法需要設(shè)備多，操作復(fù)雜。由于輔助動力設(shè)備一般容量較小，約為電動機(jī)的5%-15%，所以適合于同步電動機(jī)的空載起動。</p><p><b>　　2.變頻起動</b></p><p>　　采用變頻電源向電動機(jī)供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動機(jī)的額定頻率。頻率的逐漸

89、變化使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止，產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。加速到電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速后，再將電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行。該方法需要專門的變頻電源，會增加設(shè)備投資。</p><p><b>　　3.異步起動</b></p><p>　　現(xiàn)代同步電動機(jī)一般都是做成凸極式的，大多在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)阻尼繞組，可利用異步電動機(jī)的啟動方法來起動同步電動機(jī)。</p>

90、<p>　　起動時(shí)，勵磁繞組回路里串聯(lián)一個(gè)10倍于勵磁繞組電阻的電阻后再閉合，將定子投入電網(wǎng)，按異步電動機(jī)起動。待轉(zhuǎn)速升至接近與同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再投入勵磁，使電動機(jī)牽入同步。</p><p>　　起動時(shí)勵磁繞組不能開路，因?yàn)槠饎訒r(shí)，轉(zhuǎn)子與定子磁場的相對運(yùn)動速度會很高，勵磁繞組會感應(yīng)很高的電壓，有可能破壞絕緣。</p><p>　　第三章 同步電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)</p>

91、<p>　　3.1同步電動機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn) </p><p>　　3.1.1 交流同步電機(jī)與直流電機(jī)調(diào)速的比較</p><p>　　交流同步電機(jī)與直流電機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　（1）單機(jī)容量不受限制</p><p>　　大家都知道，直流電機(jī)因?yàn)閾Q向器的換向

92、能力限制了電機(jī)的容量和速度，直流電機(jī)的容量上限和速度的乘積約等于。而交流同步電機(jī)單機(jī)容量可以突破這一限制。實(shí)際上交流電機(jī)可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進(jìn)的電機(jī)冷卻方法，變頻調(diào)速同步電機(jī)的單機(jī)容量已可以做到56MW。</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)動慣量小</b></p><p>　　以某鋼廠2050mm熱連軋機(jī)為例，直流主傳動電機(jī)kw（25

93、0/578（r/min）雙電樞傳動，轉(zhuǎn)動慣量為76.8 ；而主傳動交流同步電機(jī)9000kw（250/578（r/min）單電樞傳動，其轉(zhuǎn)動慣量為17.2，減少為直流電機(jī)的1/4.5，使整個(gè)傳動系統(tǒng)的速度響應(yīng)時(shí)間由120ms縮短到70ms，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。</p><p><b>　?。?）動態(tài)響應(yīng)好</b></p><p>　　由于交流電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大大減少，并且

94、交流變頻同步電機(jī)沒有換向火花對過載能力的限制，電機(jī)可以具有更大的動態(tài)加速電流。因此，交流電機(jī)較直流電機(jī)有更好的動態(tài)響應(yīng)特性?，F(xiàn)代熱軋和冷軋機(jī)都采用了軋板精度和板形自動控制，要求軋機(jī)傳動的速度控制系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)達(dá)到60rad/s，而直流電機(jī)由于換向火花限制了電機(jī)電流變化率，使速度響應(yīng)僅僅達(dá)到15rad/s。</p><p><b>　?。?）維護(hù)簡單化</b></p><p&g

95、t;　　由于交流電機(jī)無須換向器，所以維護(hù)量大大減少。某厚板軋機(jī)直流傳動年維修量145h，而采用交流傳動后只需36h，僅僅為直流傳動的1/4.</p><p><b>　?。?）節(jié)約能源</b></p><p>　　交流同步電機(jī)的效率比直流電機(jī)提高2%-3%。</p><p>　　3.1.2 同步電機(jī)與異步電機(jī)調(diào)速比較</p>&l

96、t;p>　　（1）可靠性與維護(hù)量</p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡單，它沒有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對于籠型異步電機(jī)的維護(hù)只限于軸承。而同步電機(jī)則在其滑環(huán)上有少量的維護(hù)量，但與直流電機(jī)換向器相比，它的維護(hù)量要少的多。</p><p><b>　　（2）功率因數(shù)</b></p><p>　　同步電機(jī)由于獨(dú)立的轉(zhuǎn)子激磁調(diào)節(jié)控制，可使

97、其定子功率因數(shù)保持為1，即。而異步電機(jī)則完全不同，電機(jī)的激磁功率必須通過定子側(cè)獲得，因此，定子電流始終是滯后的，其功率因數(shù)一般在0.8左右。為了改善電機(jī)的功率因數(shù)，可以降低電機(jī)的磁通密度，但受到了電機(jī)的材料設(shè)計(jì)限制；另一種提高功率因數(shù)的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，因而又會進(jìn)一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機(jī)功率因數(shù)低是一個(gè)很難克服的缺陷。</p><p><b>　?。?）變頻器容量<

98、/b></p><p>　　由于異步電機(jī)的激磁能量是從定子側(cè)供給的，同時(shí)異步電機(jī)功率因數(shù)低于同步電機(jī)，視在功率高于同步電機(jī)，故異步電機(jī)調(diào)速的變換器容量比同步電機(jī)大30%左右。</p><p>　?。?）電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　由于異步電機(jī)的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步電機(jī)的定子必須具有較大的視在功率。為了提高其功率因數(shù)，異

99、步電機(jī)盡可能將氣隙減少，但減少氣隙要求電機(jī)制造工藝具有更高的加工精度，而細(xì)長結(jié)構(gòu)的橈度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)和制作更加困難。所以，異步電機(jī)常常設(shè)計(jì)成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵心直徑，電機(jī)結(jié)構(gòu)短粗。由于同步電機(jī)激磁從轉(zhuǎn)子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長結(jié)構(gòu)，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造相對容易，同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長結(jié)構(gòu)，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p&

100、gt;<b>　?。?）控制精度</b></p><p>　　在異步電機(jī)的磁場定向控制系統(tǒng)中，磁通控制取決與轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化。為了消除這一影響，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識控制。而同步電機(jī)激磁電流是單獨(dú)控制的，電機(jī)磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。</p><p><b>　　（6）弱磁化</b></p><p>

101、;　　根據(jù)異步電機(jī)原理，異步電機(jī)弱磁恒功率運(yùn)行時(shí)，其最大轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)頻率的增加呈二次方減少，。其中，為額定頻率時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，為額定頻率，為最高頻率。當(dāng)電機(jī)弱磁比達(dá)到3，即最高頻率是額定頻率的3倍時(shí)，異步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為額定頻率最大轉(zhuǎn)矩的1/9，即。由此可見，對于弱磁比超過2.5的卷取機(jī)、冷連軋機(jī)等傳動，異步電機(jī)必須采取增加容量或提高電壓的方法來提高弱磁時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。顯然，在這種場合，同步電機(jī)要優(yōu)越于異步電機(jī)。</p><

102、p>　　3.2同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的分類</p><p>　　當(dāng)前在大功率同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域按電力電子變換器，即晶閘管交交變頻器、晶閘管負(fù)載換流交直交變頻器、IGBT/IGCT交直交變頻器，可以將調(diào)速系統(tǒng)分為以下三大類。</p><p>　　（1）交交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　交交變頻調(diào)速系統(tǒng)由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，具有過載能力強(qiáng)、效率高、輸

103、出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著輸出頻率低、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響大等缺點(diǎn)。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)分為有環(huán)流和無環(huán)流方式。交交變頻調(diào)速適合于低速運(yùn)轉(zhuǎn)、大過載、負(fù)載劇烈變化、四象限可逆運(yùn)轉(zhuǎn)等場合。主要應(yīng)用于軋機(jī)主傳動、礦井提升傳動及水泥球磨機(jī)傳動等。</p><p>　　（2）負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　負(fù)載環(huán)流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種電流型變頻器，由整流器、逆變器、及平波

104、電抗器等組成，運(yùn)用同步電機(jī)轉(zhuǎn)子過激磁的容性無功功率來提供晶閘管換流，故稱為負(fù)載換流。變頻器輸出電流的幅值由整流器控制，輸出頻率由逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器信號加以控制，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。由于這種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式類似于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極檢測器和逆變器代替了直流電機(jī)的換向器和電刷的功能，故這種電機(jī)系統(tǒng)曾被稱為“無換向器電機(jī)”。它具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著低頻轉(zhuǎn)矩脈動大、過載能力低等缺點(diǎn)。負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)主要用于過

105、載能力不大、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場合。</p><p>　?。?）可關(guān)斷器件交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，電力電子變流技術(shù)也在不斷變革。其發(fā)展趨勢為采用自換流來取代外換流。由于采用了自關(guān)斷器件，傳統(tǒng)的晶閘管換流技術(shù)將被逐步取代。功率器件的開關(guān)將不受電網(wǎng)及電勢的約束，具有更大的隨意性。變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，裝置體積縮小。傳統(tǒng)的交交變頻與交直交變頻技術(shù)將面臨變革

106、。理想的變流器是采用自關(guān)斷器件將電網(wǎng)固定頻率和電壓的電能，經(jīng)電力電子變換器一次換能，變換為負(fù)載對象所需的可變頻率和電壓。目前，國內(nèi)外科學(xué)工作者正在積極研究采用自關(guān)斷器件的交交變頻器，也稱為矩陣變換器，期望這一新型變頻器可以突破晶閘管交交變頻的輸出頻率限制和滯后無功損害，同時(shí)避免交直交變頻的兩次換能損失和中間直流電容及電感儲能的問題。</p><p>　　3.3同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)</p>&l

107、t;p>　　電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長期以來，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場是復(fù)雜耦合的，不能簡單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。</p><p>　　現(xiàn)在有兩種普遍適用的方法：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控

108、制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過坐標(biāo)變化，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　1985年，德國魯爾大學(xué)的狄普布洛克教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

109、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。并且變頻技術(shù)所應(yīng)用到的行業(yè)越來越廣泛,和能源相關(guān)的行業(yè)都能用到. 如生活中空調(diào),冰箱,洗衣機(jī)等等,工業(yè):起重機(jī)等等.這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定

110、子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機(jī)化成等效直流電動機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它也不需要模仿直流電動機(jī)的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時(shí)也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成