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

1、<p>　　題 目 12KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　一、畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容和基本要求（一）主要內(nèi)容1.了解同步電動機的結(jié)構(gòu)、原理、運行特性；2.設(shè)計64KW-6P同步電動機，掌握同步電動機設(shè)計方法；3.對同步電動機進行優(yōu)化設(shè)計和對比分析；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)計同步電動機的變頻調(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</p><p>　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</p><p>　三、

4、畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的軟硬件的名稱、內(nèi)容及主要技術(shù)指標（例如：軟件、電路板、機電裝置、新材料、新制劑、結(jié)構(gòu)模型或其他）</p><p>　四、畢業(yè)設(shè)計進度計劃</p><p>　序號各階段工作內(nèi)容起訖日期實施地點</p><p>　1論文開題報告及譯文3.8~3.21</p><p>　2進行同步電動機電磁計算，設(shè)計電機繞組和沖片，并進行CAD制圖

5、3.22~4.6</p><p>　3完成同步電動機設(shè)計方案，使各項指標符合要求4.15~4.28</p><p>　4完成同步電動機兩個優(yōu)化設(shè)計方案4.29~5.12</p><p>　5完成同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計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. 電機學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006[2] 戴文進，徐龍權(quán)主編. 電機學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008[3] 王益全編著. 電動機原理與實用技術(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. 電機設(shè)計（第2版）[M].

7、北京：機械工業(yè)出版社，2000[6] 吳大榕編. 電機學(xué)[M]. 北京：水利電力出版社，1979</p><p>　六、畢業(yè)設(shè)計進度表（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)的文獻資料，完成開題報告及譯文。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：進行同步電動機電磁計算，設(shè)計電機繞組和沖片，并進行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：完成同步電機電磁設(shè)計第一個方案，各項指標符合設(shè)計要求。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)計目標，完成同步電機電磁設(shè)計第二、三個方案。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：完成同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。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)計論文定稿，并進行論文答辯指導(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)計日期： </

12、p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　題 目：12KW—4極變頻調(diào)速同步電動機電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 </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>　　電動機制造是我國機械工業(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)電量被電動機所消耗

15、。電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(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械的動力源,電動機產(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)濟各部門成套設(shè)備的發(fā)展水平。</p><p>　　電機已是當(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。 同步電機和感應(yīng)電機一樣是一種常用的交流電機。同步電機作為電機的主要類型，其

16、應(yīng)用是十分廣泛的。</p><p>　　同步電機主要用來作為發(fā)電機運行，現(xiàn)代社會中使用的交流電能，幾乎全由同步發(fā)電機產(chǎn)生。同步電機還可以作為電動機使用，對不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機械，常用同步電動機來驅(qū)動。以往同步電動機主要應(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、鼓風(fēng)機、電動發(fā)電機等。大功率同步電動機比同容量的異步電動機功率因數(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)，這是異步電動機做不到的。而且

17、，對于大功率低轉(zhuǎn)速的電動機，同步電動機的體積比異步電動機要小。此外，同步電機還可以人微言輕同步補償機使用，它實際上是一臺按在交流電網(wǎng)上空轉(zhuǎn)的同步電動機，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聯(lián)合起來，組成了無換向器的電動機，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

18、比直流電機容量更大，電壓和轉(zhuǎn)速更記，在工業(yè)上開辟了新的用途，如艦船電力推進系統(tǒng)、大型軋鋼系統(tǒng)等。</p><p>　　因此,研究同步電機對我國電機工業(yè)的發(fā)展與提高有積極意義。</p><p>　　我國從20世紀70年代開始進行交流同步電機調(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的實驗樣機，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)項目。國家科委“火炬計劃”、國家自然科學(xué)基金項目、國家重點基礎(chǔ)研究“攀登計劃”等項目都對該技術(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來拖動工作機械。交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本

20、低，保養(yǎng)維護簡便。但是，與直流電動機相比，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、水泵、普通機床的驅(qū)動中，異步電動機占有主導(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，其主要原因是同步電動機不能在電網(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)機械，如軋鋼機、礦井提升機、船舶推進以及牽引傳動，交流變頻同步電機調(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、維護簡單和可靠性高等優(yōu)點。同步電機與異步電機變頻調(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。</p><p>　　由于交流變頻同步電機調(diào)速傳動具有以上優(yōu)點，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)軋機主傳動已普遍采用交流變頻同步電機調(diào)速傳動，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。煤炭與有色金屬行業(yè)也將該系統(tǒng)用于礦井提升機傳動。國家重點發(fā)展的油氣輸送壓縮機調(diào)

23、速傳動、船舶電力推進、高速磁懸浮直線電機牽引供電等大型調(diào)速傳動裝備也采用交流變頻 同步電機調(diào)速傳動。</p><p>　　近20年來，我國高等學(xué)校、科研院所、電機制造廠對大型交流同步電機調(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調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與運行理論、交交變頻同步電機阻尼繞組理論、交交變頻同步電機設(shè)計理論、同步電機磁場定向控制理論、大功率交流

24、電機與電網(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踐，研制成功我國第一臺2500kw交交變頻同步電機軋機主傳動系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，又連續(xù)突破了5000kw單機容量、單機可逆、

25、雙機傳動等技術(shù)難關(guān)，在大型軋機主傳動中應(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交流同步電機調(diào)速系統(tǒng)。2001年研制成功我國第一臺6MW礦井提升機交交變頻同步電機傳動系統(tǒng)。2002年采用新型電力電子器件IGCT研制成功國家863計劃項目-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口的局面，標志著我國交流調(diào)速理論研究、裝

26、備制造、工程設(shè)計與調(diào)試技術(shù)達到世界先進水平。</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>　　電機調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機轉(zhuǎn)矩的控制。長期以來，直流電機廣泛應(yīng)用于電機調(diào)速領(lǐng)域，這是因為直流電機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，不能簡單地實現(xiàn)解耦控制，所以交流電機的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機調(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,洗衣機等等,工業(yè):起重機等等 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。</p><p><b

29、>　　B電磁設(shè)計</b></p><p>　　本課題主要是研究設(shè)計12kw同步電動機。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(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),進行電機參數(shù)的計算.</p><p>　　本課題的主要計算過程如下：</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.磁路計算</b></p><p><b>　　6.穩(wěn)態(tài)電抗計算</b></p><p><b>　

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

33、p><p><b>　　13．溫升計算</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，方案一，是根據(jù)計算程序，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,最后計算出符合國家有關(guān)標準和技術(shù)要求的電機參數(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、減小電機的鐵心長度，從而達到在滿足技術(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)的增加電機鐵心的長度,從而達到減小銅耗,最終達到提高效率的目的. </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算機程序算相結(jié)合的方法。

35、 </p><p>　　五、研究目標、主要特色及工作進度：</p><p><b>　　研究目標：</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，運行可靠的電動機。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。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。</p><p><b>　　2. 主要特色：</b></p><p>　　進行同步電動機的電磁設(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。方案二為材料最省方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使

37、電機的所用材料最省。方案三為效率最高方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機的效率的達到最高。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。</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)計出用戶所要求功率的發(fā)電機，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

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

39、008</p><p>　　[3] 王益全編著. 電動機原理與實用技術(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. 電機設(shè)計（第2版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[

40、6] 吳大榕編. 電機學(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[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1992</p><p>　　[8] 顧繩谷等. 電機與拖動基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1981</p><p><b>　　[9] 王</b></p><p>

41、;　　12KW-4極變頻調(diào)速同步電動機的電磁方案</p><p><b>　　及控制系統(tǒng)的設(shè)計</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>　　本文從同步電動機的基本理論及工作特性著手，簡單介紹了同步電動機的工作原理,工作特性、類型、用途、主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標、工作特性和變頻調(diào)速控制等。這是為電機設(shè)計做準備的。電機設(shè)計是個復(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)計方案來設(shè)計同步電動機，第一套方案是選定各項數(shù)據(jù)按照計算程序來初步設(shè)計一臺電機，使其符合同步電動機的效率

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：同步電動機原理；設(shè)計；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 同步電動機的基本結(jié)構(gòu)與原理2</p><p>　　1.1同步電動機的基本結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.2同步電動機的工作原理2</p><p>　　1.3同步電動機的勵磁方式3</p><p>　　第二章 同步電動機的運行原理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同步電動機的起動10</p><p>　　第三章 同步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)12</p>&l

50、t;p>　　3.2同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的分類14</p><p>　　3.3同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)15</p><p>　　3.3.1交流同步電機直接轉(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 電機設(shè)計基本理論24</p><p>　　4.1總體設(shè)計內(nèi)容24</p><p>　　4.2電磁設(shè)計24</p><p>　　4.2.1 同步電動機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù)24</p>

52、;<p>　　4.2.2 主要性能指標的計算及影響它們的因素25</p><p>　　4.2.3 氣隙對電機性能的影響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28</p><p>　　第五章 電磁設(shè)計方案計算29</p><p&g

53、t;　　5.1數(shù)據(jù)對比46</p><p>　　5.1.1材料用量計算結(jié)果及分析46</p><p>　　5.1.2電機損耗和效率計算結(jié)果及分析47</p><p>　　5.1.3電磁負荷計算結(jié)果及分析47</p><p>　　5.1.4電機參數(shù)計算結(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（References）56</p><p><b>　　致 謝57</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　同步電動機是一種常用的交流電動機。與感應(yīng)電動機相比，同步電動機的特點主要有兩條，一是只要電源頻率f不變，電動機的轉(zhuǎn)速n就是恒定的，不隨負載的大小而變化；二是可通過調(diào)節(jié)直流

56、勵磁電流來調(diào)節(jié)電動機的功率因數(shù)，可使電機的功率因數(shù)或具有超前的功率因數(shù)，這是同步電動機的一個十分可貴的特點。因此，同步電動機常用于工礦企業(yè)中要求恒轉(zhuǎn)速運行的大、中型機械設(shè)備的驅(qū)動，以便改善電網(wǎng)的功率因數(shù)同步電動機與電力電子技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，使同步電動機的應(yīng)用場合更為廣泛，如艦船電力推進系統(tǒng)、大型軋鋼系統(tǒng)等。</p><p>　　第一章 同步電動機的基本結(jié)構(gòu)與原理</p><p

57、>　　同步電動機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和凸極同步電機兩大類。。</p><p>　　1.1同步電動機的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　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。其定子鐵心和繞組結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電動機相同，當(dāng)同步電動機的轉(zhuǎn)速較低時，極數(shù)也將較多，這時，由于定子圓周所能開出的槽數(shù)有限，定子繞組常采用分數(shù)槽繞組。</p

58、><p>　　同步電動機轉(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)子的機械強度較好

59、，適合于高轉(zhuǎn)速運行的電動機。</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)子的機械強度較差，

60、適合圓周速度較低、離心力較小的低轉(zhuǎn)速電動機。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同步電動機的工作原理</p><p>　　同步電動機依靠轉(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)矩使電動機起動。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高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)電動機空載時，彈簧處于自由狀態(tài)，未被拉伸，這時與B的軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零；當(dāng)電動機負載后

62、，彈簧被拉伸，與B的軸線之間被拉開了一個角度，從而產(chǎn)生一定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。負載越大，與B的軸線之間被拉開的角度越大，同步電動機的電磁轉(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，同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的增大也同樣要有一定的限度，超過了這個限度，同步電動機就會因失去同步而不能正常工作，甚至停轉(zhuǎn)。這種因</p><p>　　同步電動機正常穩(wěn)定

63、運行時，其轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)，將始終保持同步轉(zhuǎn)速不變。負載越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大，功率角越大，電動機的輸出功率越大，同時電動機從電網(wǎng)輸入的電功率也就越大。</p><p>　　當(dāng)電動機的負載轉(zhuǎn)矩不變時，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(dāng)功率因數(shù)時，無功電流分量等于0，電樞電流最小，這時的勵磁電流稱為正常勵磁；當(dāng)功率因數(shù)時，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。</p><p>　　1.3同步電動機的勵磁方式</p><p>　　給同步電動機提供勵磁的電源裝置稱為同步電動機勵磁系統(tǒng)。獲得勵磁電流的方法不同，就構(gòu)成了不同的勵磁方式。為保證同步電動機的安全可靠運行，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提供從空載到滿載以及過載時的勵磁電流，并力求簡單、經(jīng)濟以及維護方便；</p><p>　　2.為改善電網(wǎng)功率因數(shù)，大中容量同步電動機應(yīng)按功率因數(shù)恒定或輸出無功功率恒定來進行勵磁調(diào)節(jié)</p><p>　　3.為了提高同步電動機的動態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或過載時，應(yīng)能實行強行勵磁；</p><p>　　4.當(dāng)同步電動機正常停

66、機或事故停機時，應(yīng)能實現(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，給同步電動機的勵磁繞組供電。電動機正常運行時，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，以便對電動機的功率因數(shù)進行調(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時自動投勵，并沒有按時間后備投勵環(huán)節(jié)。投勵時系

67、統(tǒng)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，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的高壓電動機以及380V的低壓電動機。</p><p>　　對于大型同步電動機或在特殊環(huán)境中工作的同步電動機，有刷勵磁結(jié)構(gòu)常常降低了電動機運行的可靠性。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)電機和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成，勵磁機的旋轉(zhuǎn)電樞與同步電動機同軸連接，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，直接給同步電動機的勵磁繞組提供勵磁電流。由于交流勵磁機的電樞、硅整流器和同步電動機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 同步電動機的運行原理</p><p><b>　　2.

69、1電樞反應(yīng)</b></p><p>　　同步電動機空載時，電樞繞組中的電流很小，產(chǎn)生的電樞磁場也很小，這時電機的氣隙磁場基本上就是勵磁磁動勢建立的主磁場。同步電動機負載后，情況將有所不同。這時，電樞繞組中將流過三相對稱的負載電流，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。負載時電機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，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，還會產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此電樞反應(yīng)將對同步電動機的運行性能產(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，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個分量（），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，電樞磁動勢的軸線總與轉(zhuǎn)

72、子交軸重合，顯然，此時的電樞磁動勢是一個交軸磁動勢，即，產(chǎn)生純交磁性質(zhì)的交軸電樞反應(yīng)，這時同步電動機的矢量圖如圖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空間相角差。</p><p>　　當(dāng)時，如前所述，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個分量和，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。對于同步電動機，當(dāng)>0,即電樞電流超前于勵磁電動勢時,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,直軸電樞反應(yīng)是增磁性質(zhì)的.這時,同步電動機矢量圖如圖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),這一點與發(fā)電機時的情況正好相反.</p><p>　　直軸電樞反應(yīng)對同步電動機的運行性能影響很大.當(dāng)同步電動機接電網(wǎng)運行時,為維持氣隙磁場為一定值,若轉(zhuǎn)子勵磁電流較小,則同步電動機將從電網(wǎng)輸入一個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,則同步電動機將從電網(wǎng)輸入一個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的功率因數(shù).</p><p>　　應(yīng)該指出,交軸電樞磁動勢與電動機的電磁轉(zhuǎn)矩及機電能來轉(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相角差,從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。負載越大，電樞反應(yīng)月強烈，B與之間的相角差越大，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，輸出的機械功率

76、越大，定子繞組從電網(wǎng)輸入的電功率也越大。當(dāng)然，電動機的負載能力是有一定限度的，超過了這個限度，將會引起電動機過熱，或者因運行不穩(wěn)定而失去同步。</p><p>　　2.2同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系　　</p><p>　　按電動機運行狀態(tài)時轉(zhuǎn)矩的實際方向規(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，為機械負載轉(zhuǎn)矩，其大小等于電動機輸出轉(zhuǎn)矩；為空載轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與發(fā)電機時的相反，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩，克服機械負載轉(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）式兩邊各項均乘以機械角

78、速度，可得</p><p>　　即電磁功率減去同步電動機的控制損耗,就是電機軸上輸出的機械功率。同步電動機的功率流程圖如圖所示</p><p>　　圖2.2 同步電動機的功率流程圖</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 令可以求出對應(yīng)于最大電磁功率的功角,一般來說凸極電機的在45～90之間?！　‰[極電機 　　最大功率與額定功率的比值定義為同步發(fā)電機的過載能力。對隱極電機來說 </p><p>　　圖2.3 同步電機功角特性(a.隱極電機 b.凸極電機)</p><p><b>　　2、有功功率的調(diào)節(jié)</b>

80、;</p><p>　　功角特性=f(d)反映了同步電動機的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運行時，同步電動機的轉(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，隨著d的增大，亦增大，同步電動機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。 而當(dāng)d >時，隨著d的增大，反而減小，電

81、磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，電動機轉(zhuǎn)速越來越大，電動機將失去同步，故在這一區(qū)間電動機不能穩(wěn)定運行?！　⊥诫妱訖C失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。另外，失步后，電動機的頻率和電網(wǎng)頻率不一致，定子繞組中將出現(xiàn)一個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：電動機所承擔(dān)的有功功率可以通過調(diào)節(jié)原動機輸入的機械功率來改變的。而且電機承擔(dān)的有功功

82、率的極限是。當(dāng)0<d<時電動機可以穩(wěn)定運行； d<電動機不能穩(wěn)定運行。 </p><p>　　3、無功功率的調(diào)節(jié)-V形曲線特性</p><p>　　與發(fā)電機時一樣，V形曲線特性對同步電動機的值班人員了解和調(diào)節(jié)電動機是非常重要的。利用電動勢相量圖就可以得到同步電動機的V形曲線特性。</p><p>　　以隱極同步電動機為例。保持電動機的負載不變，即負

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，輸入電功率也不變，即</p><p>　　由此可畫出電動機的電動勢相量圖，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V形曲線特性</p><p>　　圖2.5負載轉(zhuǎn)矩不變勵磁變化時的電動勢相量圖</p><p>　　在的點，電樞電流I最??；時，I都增大。勵磁電流小于正常勵磁電流時，功率因數(shù)為滯后性的；大于正常勵磁電流時，功率因數(shù)為超前性的。</p><p>　　改變負載的大小，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)相同的點連接起來，得到等功率因數(shù)線。曲線族上各運行點的功率因數(shù)就可以由曲線查出。</p><p>　　同步電動機比較突出的優(yōu)點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，要讓電動機運行在超前功率因數(shù)下，必須增大勵磁電流，使電動機勵磁處于過勵狀態(tài)。因此要求設(shè)計電動機時，必須保證足夠的勵磁容量。</p>

86、;<p>　　2.4同步電動機的起動</p><p>　　電動機轉(zhuǎn)子從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速運行的過程，稱為起動。同步電動機轉(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，在轉(zhuǎn)子機械慣性作用下，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、異步電動機或其他動力機，

88、將同步電動機拖到同步轉(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并聯(lián)到電網(wǎng)上運行。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，約為電動機的5%-15%，所以適合于同步電動機的空載起動。</p><p><b>　　2.變頻起動</b></p><p>　　采用變頻電源向電動機供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動機的額定頻率。頻率的逐漸

89、變化使得電機的轉(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)。加速到電機的同步轉(zhuǎn)速后，再將電機并入電網(wǎng)運行。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，可利用異步電動機的啟動方法來起動同步電動機。</p>

90、<p>　　起動時，勵磁繞組回路里串聯(lián)一個10倍于勵磁繞組電阻的電阻后再閉合，將定子投入電網(wǎng)，按異步電動機起動。待轉(zhuǎn)速升至接近與同步轉(zhuǎn)速時，再投入勵磁，使電動機牽入同步。</p><p>　　起動時勵磁繞組不能開路，因為起動時，轉(zhuǎn)子與定子磁場的相對運動速度會很高，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 同步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)</p>

91、<p>　　3.1同步電動機變頻調(diào)速的特點 </p><p>　　3.1.1 交流同步電機與直流電機調(diào)速的比較</p><p>　　交流同步電機與直流電機相比具有以下特點：</p><p>　?。?）單機容量不受限制</p><p>　　大家都知道，直流電機因為換向器的換向

92、能力限制了電機的容量和速度，直流電機的容量上限和速度的乘積約等于。而交流同步電機單機容量可以突破這一限制。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方法，變頻調(diào)速同步電機的單機容量已可以做到56MW。</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)動慣量小</b></p><p>　　以某鋼廠2050mm熱連軋機為例，直流主傳動電機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，減少為直流電機的1/4.5，使整個傳動系統(tǒng)的速度響應(yīng)時間由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>　　由于交流電機轉(zhuǎn)動慣量大大減少，并且

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

95、t;　　由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減少。某厚板軋機直流傳動年維修量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>　　交流同步電機的效率比直流電機提高2%-3%。</p><p>　　3.1.2 同步電機與異步電機調(diào)速比較</p>&l

96、t;p>　　（1）可靠性與維護量</p><p>　　異步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡單，它沒有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對于籠型異步電機的維護只限于軸承。而同步電機則在其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的維護量要少的多。</p><p><b>　?。?）功率因數(shù)</b></p><p>　　同步電機由于獨立的轉(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。而異步電機則完全不同，電機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。為了改善電機的功率因數(shù)，可以降低電機的磁通密度，但受到了電機的材料設(shè)計限制；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，因而又會進一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機功率因數(shù)低是一個很難克服的缺陷。</p><p><b>　　（3）變頻器容量<

98、/b></p><p>　　由于異步電機的激磁能量是從定子側(cè)供給的，同時異步電機功率因數(shù)低于同步電機，視在功率高于同步電機，故異步電機調(diào)速的變換器容量比同步電機大30%左右。</p><p>　?。?）電機尺寸和轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　由于異步電機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、步電機盡可能將氣隙減少，但減少氣隙要求電機制造工藝具有更高的加工精度，而細長結(jié)構(gòu)的橈度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調(diào)速異步電機的設(shè)計和制作更加困難。所以，異步電機常常設(shè)計成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵心直徑，電機結(jié)構(gòu)短粗。由于同步電機激磁從轉(zhuǎn)子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機可以設(shè)計成細長結(jié)構(gòu)，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計，制造相對容易，同步電機可以設(shè)計成細長結(jié)構(gòu)，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計。</p><p&

100、gt;<b>　?。?）控制精度</b></p><p>　　在異步電機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，必須進行轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識控制。而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。</p><p><b>　?。?）弱磁化</b></p><p>

101、;　　根據(jù)異步電機原理，異步電機弱磁恒功率運行時，其最大轉(zhuǎn)矩隨電機頻率的增加呈二次方減少，。其中，為額定頻率時的最大轉(zhuǎn)矩，為額定頻率，為最高頻率。當(dāng)電機弱磁比達到3，即最高頻率是額定頻率的3倍時，異步電機最大轉(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、冷連軋機等傳動，異步電機必須采取增加容量或提高電壓的方法來提高弱磁時的最大轉(zhuǎn)矩。顯然，在這種場合，同步電機要優(yōu)越于異步電機。</p><

102、p>　　3.2同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的分類</p><p>　　當(dāng)前在大功率同步電機調(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>　?。?）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、效率高、輸

103、出波形好等優(yōu)點，但同時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。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)速適合于低速運轉(zhuǎn)、大過載、負載劇烈變化、四象限可逆運轉(zhuǎn)等場合。主要應(yīng)用于軋機主傳動、礦井提升傳動及水泥球磨機傳動等。</p><p>　?。?）負載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　負載環(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，運用同步電機轉(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，轉(zhuǎn)子磁極檢測器和逆變器代替了直流電機的換向器和電刷的功能，故這種電機系統(tǒng)曾被稱為“無換向器電機”。它具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率高等優(yōu)點，但也存在著低頻轉(zhuǎn)矩脈動大、過載能力低等缺點。負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。變流器拓撲結(jié)構(gòu)進一步簡化，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同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)</p>&l

107、t;p>　　電機調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機轉(zhuǎn)矩的控制。長期以來，直流電機廣泛應(yīng)用于電機調(diào)速領(lǐng)域，這是因為直流電機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，不能簡單地實現(xiàn)解耦控制，所以交流電機的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機調(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)的特點是通過坐標變化，把交流電機在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機調(diào)速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點是考慮到交流電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確地控制電磁轉(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,洗衣機等等,工業(yè):起重機等等.這種方法不需要復(fù)雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(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，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(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