50kw-4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计【南昌大学电机电器本科毕业论文原稿word版】

50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计【南昌大学电机电器本科毕业论文原稿WORD版】密级NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计学院信息工程学院系自动化系专业电气工程及其自动化班级电机电器062班学号6101106080学生姓名张亮指导教师黄劭刚起讫日期本科生毕业设计任务书（工科及部分理科专业适用）题目50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计题目来源省部级以上市厅级横向自选题目性质理论研究应用与理论研究实际应用研究学院信息工程学院系自动化系专业班级电机电器062班学生姓名张亮学号6101106080起讫日期2010324201063指导教师黄劭刚职称教授指导教师所在单位电气与自动化工程系学院审核（签名）审核日期二0一0年制说明1毕业设计任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到学生。2进度表由学生填写，至少每两周交指导教师签署审查意见，并作为毕业设计工作检查的主要依据。进度表中的周次是指实际的毕业设计进程中的周次。3学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，于3周内提交给指导教师批阅。4本任务书在毕业设计完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业设计答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。一、毕业设计的主要内容和基本要求（一）主要内容1、分析同步电动机的工作特性2、阐述同步电动机的设计理论及其变频调速控制理论方法3、进行50KW4极同步电动机设计，给出三套电磁设计方案4、三套电磁方案的比较分析5、设计电机的定子冲片、转子冲片、定转子绕组，并给出设计图纸（二）基本要求1、技术要求额定功率PN50KW额定电压UN400V相数三相额定功率因数095（滞后）额定转速NN1500R/MIN额定频率FN50HZ效率906定子槽满率80852、原始数据定子外径385CM定子内径2686CM定子槽数36气隙长度0105CM3、参考数据定子绕组电密89A/MM2气隙磁密073088T（4极）07075T（6极）4、设计要求根据原始数据和参考数据设计一台符合技术要求的同步电动机，并给出三个方案，分析电机的材料利用率与效率的关系，掌握设计节能电机和节约材料电机的方法。六、毕业设计进度表（本表至少每两周由学生填写一次，交指导教师签署审查意见）第一、二周（3月24日至4月4日）学生主要工作指导教师审查意见年月日签名第三、四周（4月7日至4月18日）第五、六周（4月21日至5月2日）学生主要工作指导教师审查意见年月日学生主要工作签名第七、八周（5月5日至5月16日）指导教师审查意见年月日学生主要工作指导教师审查意见年月日签名签名第九、十周（5月19日至5月30日）第十一周至毕业设计工作结束（6月2日至6月13日）学生主要工作指导教师审查意见年月日学生主要工作签名指导教师审查意见年月签名日本科生毕业设计（论文）开题报告题目50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计学院信息工程学院系电气工程及其自动化专业电机电器班级电机电器06级2班学号6101106080姓名张亮指导教师黄劭刚填表日期2010年3月26日一、选题的依据及意义电动机运行的同步电机，由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80左右时，异步电动机转矩往往下降为64左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。同步电动机变频调速是交流电机调速控制的一个重要方面，它的应用领域十分广泛，其功率覆盖面非常广阔，从瓦级的永磁直流电动机到万千瓦级的大型轧机、窑炉传动电机、鼓风机电机等。大型同步电动机和超大型抽水蓄能电动发电机的变频起动亦属于同步电动机变频调速之列。近期来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动机变频调速技术的应用愈来愈多。在调速系统中采用同步电动机有以下优点1、同步电动机的转速与电源的基波频率之间保持着严格的同步关系，只要精确的控制变频电源的频率就能准确的控制电机的速度，调速系统无需反馈控制。这样，可以用同一个变频电源方便的实现对多台同步电动机的集中控制，使其能够达到到调速的目的，而且同步协同。2、同步电动机有异步电动机所不具有的优点，它对转矩扰动具有较强的抗干扰能力，做出的反应较快。这是由于只要同步电动机的功角做适当变化就能改变负载转矩，而转速始终维持在原同步速不发生变化，因此转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩响应的快速。相反，异步电动机负载转矩变化时，必须要求转差率变化才能改变电磁转矩，电机转速也要相应的改变，而转动部分的惯性阻碍了响应的快速性。这样，同步电动机比较适合于要求对负载转矩变化做出快速反应的交流调速系统当中。3、因为同步电动机能从转子侧进行励磁，即使极低的频率下也能运行，因此它的调速范围比较宽。异步电动机转子电流靠电磁感应产生，在很低的频率情况下转子中很难产生必需的电流，所以它的工作频率受到限制，调速范围比较窄。4、同步电动机可以通过调节转子励磁来调节电机的功率因数，因此有可能使之运行在功率因数为1的状态下。此时的电枢铜耗最小，由此也可减少变频器容量。5、异步电机须从电源侧吸收滞后的无功电流，即电机电流在相位上滞后于逆变器的输出电压。此时如采用晶闸管逆变器，必须采用强迫换流措施，要求有复杂的换流回路、昂贵的换流电容器和具有快速关断能力的快速晶闸管，还伴随有不小的换流损耗。而在同步电动机调速系统中，由于同步电动机能运行在超前功率因数下，有可能利用电动机的反电动势实现负载换流，克服了强迫换流的弊病。由此可以得出，同步电动机虽然本身结构稍微复杂，但采用变频调速技术后具有自己独特之处，在交流传动领域内和异步电动机一样有着重要的作用。二、同步电动机简介同步电动机的转子机构有隐极式和凸极式之分，按励磁方式分有直流励磁、永久磁铁、反应式等形式。同步电机多用于发电机，作为电动机使用较少。同步电动机的启动性能较差，在用普通商用电源供电时，常利用启动绕组异步启动再牵入同步运行。同步电动机作为工业驱动的优点是运行功率可调，在电动机稳态运行时速度恒定（同步转速）。随着电力半导体变流技术的发展，同步电动机的应用日益广泛，尤其是在小容量的伺服系统和大容量的场合，控制性能明显优于异步电动机。同步电动机的定子为对称的多相绕组，转子上有直流励磁绕组。亦可以采用反装式，即励磁绕组安装在定子上，转子上安装三相电枢绕组，三相绕组通过滑环和外部电路连接。当励磁是由永久磁铁提供，即为永磁同步电动机。它没有滑环和电刷。反应式同步电动机是一种无刷电动机，利用电动机的气隙磁阻不对称产生转矩。无论是有励磁绕组的同步电动机还是永磁同步电动机，均可在功率因素为1的状态下运行，从而使电动机的电流值为最小，在同样的轴功率下变频器的容量为最小。同步电动机也可以在领先的功率因数下运行，使用晶闸管变流装置时可实现变频器的负载换流。另一方面，反应式同步电动机总是在落后功率因数下运行。永磁同步电动机和反应式同步电动机主要用于小功率驱动。隐极式同步电动机隐极式同步电动机的转子为圆柱形，定子铁心和转子铁心之间的气隙均匀，定子绕组和转子绕组分别嵌入在定子转子铁心上。定子铁心用硅钢片叠制而成，转子为实心结构。定子绕组通常为三相分布、短距绕组，以改进气隙磁场的分布和电势波形。转子绕组为单相同心式绕组，通以直流电产生磁场。当定子中通过对称三相交流电时，在气隙中产生空间上正弦分布的旋转磁场，并以同步转速旋转。如果转子亦以同步转速旋转，定子、转子的磁场是相对静止的。但是，如果定子、转子的磁场轴线不在一条直线上，则要产生转矩，该转矩企图使两个磁场的轴线重合。隐极式同步电动机没有启动转矩，主要用于蒸汽发电机。作为电动机使用时，在转子上安装启动绕组，使得启动时电机工作在异步电动机方式，当转速接近同步转速时牵入同步运行。凸极式同步电动机凸极式同步电动机的转子为凸极结构，转子绕组为集中式绕组，在转子绕组中通以直流电产生磁场。凸极式同步电动机的定子和隐极式同步电动机相同，为普通三相分布式绕组。当定子中通以三相对称电流时，定子、转子绕组磁场的相互作用产生转矩。凸极式同步电动机的定子、转子铁心之间的气隙是不均匀的，在磁极中心线处气隙的长度最短，在两个磁极之间的气隙长度最长。由于气隙长度的变化，定子磁动势在D轴产生的气隙磁通密度大于Q轴的气隙磁通密度。直流励磁电流通过滑环和电刷馈入励磁绕组，也可以采用无刷励磁机进行励磁。在转子磁极表面安装有阻尼绕组，阻尼绕组在启动时作为异步电动机的笼型转子产生启动转矩，在动态过程可以抑制振荡。永磁同步电动机永磁同步电动机的转子励磁由永久磁铁提供。永磁同步电动机的气隙长度在物理上是均匀的，但是由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻的分布并不均匀。通常D轴即磁极轴线的磁阻Q轴相邻两个磁极的中性线的磁阻大。而普通凸极同步电动机的情况相反。反应式同步电动机反应式同步电动机的转子即没有励磁绕组，也没有永久磁铁，而是一个凸极式转子。它的定子是普通的三相对称绕组，当定子通以三相对称电流时，将在电动机中产生旋转磁场。转子的凸极效应企图保持转子的轴线在相对定子磁场最小磁阻的位置，于是转子以同步转速旋转起来。这种电动机没有启动转矩，需要笼式绕组提供异步启动转矩，当转速接近同步转速时牵入同步，牵入同步以后转子上笼式绕组在稳态运行时不再起作用。牵入转矩是反应式同步电动机的一项总要指标。对于使用变频电源的反应式同步电动机，从静止状态开始即可以按照同步运行方式加速，直接启动性能已不重要。从优化设计角度考虑，已没有必要照顾启动特性和牵入同步转矩的要求。三、同步电动机变频调速控制方式简介同步电动机变频调速系统分为它控式变频器供电和自控式变频器供电两种不同方式。它控式变频器供电的变频调速系统和异步电机变频调速控制方式相似，其运行频率由外界独立调节，利用同步电机转速与气隙旋转磁场严格同步关系，通过改变变频器的输出频率实现对同步电机的调速，但受负载影响容易产生失步现象。自控式变频器供电的变频调速系统其输出频率不由外界调节而是直接受同步电动机自身转速的控制。每当电机转过一对磁极，控制变频器的输出电流正好变化一周期，电流周期与转子速度始终保持同步，不会出现失步现象。由于这种自控式同步电机变频调速系统是通过调节电机输入电压进行调速的，其特性类似与直流电动机，但无电刷及换向器，所以习惯上被称之为无换向器电动机。如果电机又是由永磁同步电机构成并由直流电源通过由关断器件构成的功率电子开关（逆变器）供电，则称为永磁无刷直流电动机。四、本课题研究内容本课题主要是研究设计50KW4极同步电动机及其变频调速。首先根据给定的功率，功率因数，相数，频率及额定相电压确定同步电动机的主要规格，即容量，额定相电压，额定相电流，同步转速。其次，进行电枢绕组的选择1、根据线负荷的范围,确定绕组的每相串联导体数，即Z定每槽导体数SND，即SNDAD2、根据公式确MINAZM3、根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即，ND2AD。再次，确定电机铁心的长度1、先确定硅钢片磁密，使硅钢片充SND分的利用。2、根据第二步确定的绕组可以确定每极磁通P。3、根据每极磁通及气隙磁密，可确定铁心的长度最后,根据前两步确定的数据，进行电机参数的计算。最后，根据所设计的电动机选择合适的变频调速控制系统，并对其进行优化设计以使其达到最佳的效果。同步电动机的电磁功率的公式1电压方程隐极机UE0RAIMJIMXT凸极机UE0RAIMJIDMXDJIQMXQ2电磁功率凸极机PEMME0UXDSINMU2M211SIN2MXQXD隐极机PEMME0USINMXT3功率平衡P1PCU1PEMPEMPFEPMECPADPFP2四、同步电动机的V形曲线和功率因数调整PEMMUE0SIN常数E0SIN常数XTIMCOSM常数1三种激磁状态正常激磁状态I与U同相，吸有功P，Q0；0,COS1，过激运行状态I超前U，吸有功P，吸容性Q（发感性Q）；欠激运行状态I滞后U，吸有功P，吸感性Q（发容性Q）；五、研究目标、主要特色及工作进度1研究目标根据用户提出的产品规格，技术要求，设计出满足用户要求的性能好，体积小，结构简单，运行可靠的同步电动机。尽量减少材料的使用，主要是铁和铜的耗用量，使之更加经济。主要研究通过增加材料的耗用来达到提高效率和以牺牲效率来达到节省材料的目的。2主要特色进行电动机的电磁设计时，既釆用手算的方法，又釆用计算机编程的方法进行计算。本课题研究了三个方案，方案一为折中方案，在满足技术要求的基础上设计的方案。方案二，为效率最高方案，在满足技术要求的基础上使电机的效率的达到最高。方案三，为材料最省方案，在满足技术要求的基础上使电机的所用材料最省。方案齐全便于用户选用，且对三个方案进行了详细的研究，并做出了分析比较。本课题的另一重要特色，是指在定子冲片和转子冲片尺寸给定的情况下，设计出用户所要求功率的电动机，这有利于产品的标准化生产。同时还可以避免由于不同功率的电机使用不同的定子冲片和转子冲片尺寸所造成重新设计模具的浪费，可以提高所生产的电机的经济性。3工作进度六、参考文献1电机设计陈世坤编机械工业出版社2AUTOCAD2004入门与提高李跃峰等编著清华大学出版社3电机学辜承林陈桥夫熊永前华中科技大学出版社4电机学李发海等合编科学出版社南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名日期年月日导师签名日期密级NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计学院信息工程系自动化系专业班级电机电器062班学生姓名张亮学号6101106080指导教师黄劭刚职称教授起讫日期201032420010613摘要50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案及控制系统的设计专业电气工程及其自动化学号6101106080学生姓名张亮指导老师黄劭刚摘要本文开始于同步电机及电机设计的基本理论，简单介绍了同步电机的基本特性、类型、用途、主要结构、技术指标、工作特性、变频调速等。这些都是为同步电机电磁设计做准备的。电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。因此，必须全面地、综合地看问题，并能因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法。在本次设计的三个方案中，在满足效率的前提下,根据不同的设计目标分别设计出一台重量轻和最省材料的同步电动机以及一台节省能源效率最高的同步电动机。经过设计发现一台最省材料的电机往往不是效率最高而效率最高的电机所用的材料却是最多的。因此，在实际的电机设计中必须全面照顾，综合考虑,最后得到一个既省材料效率又高的最优方案。此外，对于用AUTOCAD软件绘制图形与计算机编程辅助设计也作了介绍和概述。关键词同步电机原理、设计、变频调速、CAD、IABSTRACTELECTROMAGNETICDESIGNANDCONTROLSYSTEMOFTHE50KW4POREFREQUENCYCONTROLSYNCHRONOUSMOTORABSTRACTTHISARTICLEBEGINSFROMTHEBASICTHEORYOFTHESYNCHRONOUSMOTORANDMOTORDESIGN,SIMPLYINTRODUCESTHEBASICCHARACTERISTICSOFSYNCHRONOUSMOTOR,TYPE,USAGE,MAINSTRUCTURE,TECHNICALINDICATORS,WORKINGCHARACTERISTICS,FREQUENCYCONTROLANDSONOTHESEALLARETHEPREPARATIONOFELECTROMAGNETICDESIGNOFSYNCHRONOUSMOTORELECTRICALMOTORDESIGNISACOMPLEXPROCESSWHICHNEEDSTOCONSIDERSIZE,DATAANDMANYOTHERFACTORSTHEREFORE,WESHOULDHAVEACOMPREHENSIVELOOKINGOFTHEISSUEANDACCORDINGTOCONDITIONS,MAKEDIFFERENTSITUATIONSPECIFICSOLUTIONSINTHISTHREEOPTIONSOFTHEDESIGN,UNDERTHECONDITIONOFEFFICIENCY,DEPENDINGONTHEDESIGNOBJECTIVESDESIGNSAMOSTLIGHTWEIGHTLESTMATERIALSSYNCHRONOUSGENERATORANDASAVINGENERGYMOSTSYNCHRONOUSGENERATORWITHMAXIMUMEFFICIENCYAFTERTHEDESIGNIHAVEFOUNDTHATTHEMOSTPROVINCIALMOTORMOSTLYDOSENOTHVAETHEMAXIMUMEFFICIENTANDTHEMAXIMUMEFFICIENTMOTORUSETHEMOSTMATERIALSTHEREFORE,INTHEACTUALDESIGNTHEMOTORMUSTHAVECOMPREHENSIVECONSIDERATIONSOTHETHEOPTIMALPROGRAMMENOTONLYUSEFEWERMATERIALBUTALSOHAVEARELATIVELYHIGHEFFICIENCYINADDITION,THISARTICLEMAKESAPRESENTATIONANDOVERVIEWUSINGOFRENDERINGGRAPHICSSOFTWAREAUTOCADANDCOMPUTERPROGRAMMINGAIDEDDESIGNKEYWORDSTHETHEORYOFSYNCHRONOUSMOTOR,FREQUENCYCONTROL,THEDESIGN,CADII目录目录摘要IABSTRACTII绪论IV第一章同步电机概述111同步电机主要类型和用途112同步电动机的基本结构113同步电机设计时的基本技术要求2第二章同步电动机的运行原理及特性521同步电动机的工作原理522同步电动机的励磁方式523电枢反应524同步电动机的运行特性725同步电动机的基本电磁关系与电压方程式（凸极式为例）10第三章同步电动机变频调速控制1231同步电机坐标系统的转换1232自控式同步电动机变频调速系统及硬件控制电路1533同步电动机矢量变换控制及硬件控制电路20第四章电机设计的基本理论2541电机设计过程和内容2542电机参数对电机的影响2543电机气隙大小对电机的设计的影响2544槽满率对电机的影响26第五章同步电动机电磁设计的计算过程27第六章毕业设计结果分析4661关于材料用量的对比4662关于损耗与效率的对比4663关于电磁负荷的对比4664关于电机参数的对比4765电磁设计结果分析47第七章AUTOCAD绘图4971定、转子冲片图的绘制4972绕组连接图的绘制50第八章设计总结52参考文献53致谢54外文翻译55III绪论绪论电动机运行的同步电机，由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80左右时，异步电动机转矩往往下降为64左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。同步电动机变频调速是交流电机调速控制的一个重要方面，它的应用领域十分广泛，其功率覆盖面非常广阔，从瓦级的永磁直流电动机到万千瓦级的大型轧机、窑炉传动电机、鼓风机电机等。大型同步电动机和超大型抽水蓄能电动发电机的变频起动亦属于同步电动机变频调速之列。近期来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动机变频调速技术的应用愈来愈多。IV第一章同步电机概述第一章同步电机概述11同步电机主要类型和用途同步电机按用途可分为发电机、电动机和补偿机；按结构特点可分为凸极式的和隐极式的，立式的和卧式的；按通风方式可分为开启式、防护式、封闭式的；按冷却方式可分为空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却式的；按放电机的原动机来分可分为汽轮发电机、水轮发电机和其他原动机带动的发电机；按电动机带动的负载来分可分为均匀负载、交变负载或冲击负载的电动机。近些年来，由于电力电子技术的发展，将变频器和同步电机联系起来，组成了无换向器电动机，它没有直流电机的机械换向器，用电子换向来代替，可以得到与直流电机同样的性能，而且可以做到比直流电机容量更大、电压和转速更高，在工业上开辟了新的用途。在现代社会机里，械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、化学工业及其他各工矿企业中，广泛地应用各种同步电机，除了工业，在农业、交通运输业以及国防、文教、医疗等等中也都广泛地应用着各种同步电机。12同步电动机的基本结构同步电动机主要由定子、转子以及滑环、电刷装置等部件构成。其绕组结构和定子铁心与感应电动机的一致，当同步电动机的转速比较低时，级数也相应较多，此时由于定子圆周所能开的槽数是有限定的，定子绕组通常采用分数槽绕组。同步电动机与感应电动机的最大不同在于转子结构上的不同。同步电动机的转子由转子铁心、励磁绕组和转轴、滑环等构成。转子铁心和励磁绕组一起构成了主磁极，励磁绕组中通入直流励磁电流就产生了主极磁场。像这样主磁极旋转的结构称为旋转磁极式结构。按照主磁极形状的不同同步电动机又可分为凸极式和隐极式两种形式。因为主磁极有明显凸出所以称之为凸极式转子。这种情况下气隙是不均匀的，磁极下面的气隙小，两磁极之间的气隙打。为了改善气隙磁场的波形磁极圆1第一章同步电机概述弧的圆心常与定子内圆圆心偏心，一般取极尖处的气隙长度为主磁极轴线处气隙长度的15倍。励磁绕组为集中式的绕组，套装再主磁极的极身上。为了能够得到启动转矩以及提高动态性能，需要在凸极式转子主磁极的极靴表面开槽，以便装设启动绕组。此种转子的机械强度比较差，适合圆周速度较低、离心力比较小的低速电动机。由于同步电动机大多转速比较低，因此基本上均为凸极式结构。隐极式转子为圆柱形，气隙均匀。励磁绕组为同心式绕组，嵌放在转子铁心槽内，在大齿部分形成磁极。隐极式转子的机械强度比较好，适合于高速运行的电动机。为了给转子励磁绕组通入直流励磁电流，需要设置电刷和滑环，以便励磁绕组和外部直流励磁电源相连接。13同步电机设计时的基本技术要求（1）给定数据额定功率额定电压相数及相间连接方式额定频率额定转速额定功率因数（2）铭牌电机的型号额定功率额定电压额定电流额定转速额定功率因数额定励磁电压和额定励磁电流额定温升（3）电磁设计的任务是根据技术条件或技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。电磁设计过程主要包括同步电动机的主要尺寸、磁场波形、电枢铁心、电枢绕组、磁路、稳态电抗、短路比、励磁绕组、短路电流、过载能力、暂态电抗、谐波绕组、负载时的损耗及效率。2第二章同步电动机的运行原理及特性第二章同步电动机的运行原理及特性21同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理是依靠转子主磁场与气隙合成磁场之间的磁力而工作的。同步电动机定子三相绕组接通三相电源后，定子绕组中就会产生三相电流，从而在定子中产生旋转磁动势和旋转磁场。旋转磁场切割转子笼形启动绕组从而会产生异步启动转矩使电动机启动。当转速升高至95同步转速时投入励磁，产生主极磁场，在主极磁场与气隙合成磁场之间产生的同步转矩的作用下，使电动机自动牵入同步。牵入同步后，电动机转入正常运行。实际上，只有在转子以同步速旋转时，同步电动机才能产生平均电磁转矩。可以把这种N极和S极之间的磁拉力看成转子主磁场B0与气隙合成磁场B之间由一组弹簧联系在一起。当电动机空载运行时，弹簧处于自由状态，这时B0与B的轴线重合，电磁转矩为零；当电动机负载运行时，弹簧被拉伸，B0与B的轴线之间被拉开一个角度从而会产生一定的同步电磁转矩。负载越大B0与B的轴线之间被拉开的角度也会越大，同步电动机的电磁转矩也就越大，就像弹簧越拉伸弹力越大一样。B0与B的轴线之间的电角度称为功率角。显然，同步电动机电磁转矩的增大是有一定限度的，超过了这个限度，同步电动机就会因为失去同步而不能正常工作，甚至是停转。因同步电动机的转子主磁场与气隙合成磁场之间的磁拉力而产生的电磁转矩称为同步转矩。在同步电动机正常稳定运行时，它的转速与负载的大小无关，始终保持同步速。负载越大，电磁转矩越大，功率角越大，电动机输出功率越大，同时，电动机从电网输入的电功率也就越大。当电动机的负载转矩保持不变时，从电网输入的电枢电流中，有功电流分量基本上是不变的，而无功电流分量的大小以及电动机的功率因数则与励磁电流的大小有关。当功率因数等于1时，无功电流分量为0，电枢电流最小，这时的励磁电流称为正常励磁；当功率因数小于1时，无功电流分量大于0电枢电流大于正常励磁时电枢电流。这时的励磁电流可能大于正常励磁电流，称之为过励；也可能小于正常励磁电流，称之为欠励。因此，调节励磁电流便可以调节同步电动机的功率因数，过励时功率因数超前，欠励时功率因数滞后，这时一个优点。22同步电动机的励磁方式获得励磁电流的方法不同就构成了不同的励磁方式。提供同步电动机励磁的电源装置被成为励磁系统。为了确保同步电动机的可靠运行，励磁系统要符合一定的要求。同步电机目前采用的励磁方式大致分为两大类3第二章同步电动机的运行原理及特征直流发电机励磁系统静止整流器励磁系统一种励磁方式是直流发电机励磁系统，此时称直流发电机为直流励磁机。调节它的励磁电流，就可以改变同步电动机的励磁电压，从而可以调节它的励磁电流。此系统中励磁调节器的作用是为了对励磁电流进行调节，保证它能够稳定在给定的一定值上。改变励磁给定值，也就改变了励磁电流的大小。但是这种励磁系统有一定的缺陷，它的维护工作量比较大，工作时的可靠性也不好，故目前很少使用。另一种是目前被广泛使用的静止整流器励磁系统。它的主电路通常使用三相全控桥式整流电路，给同步电动机的励磁绕组供电。电动机在正常运行时，使用的控制方式是恒流励磁，从而电网电压的波动和绕组温度等因素不会影响到励磁电流，恒流励磁还可以从零值到额定值任意给定，方便的对电动机的功率因数进行调节。这种系统适用于重载或轻载、全压或降压启动。在转差率为05时自动投励，而且还设有按时间后备投励环节。投励时该系统会输出最大整流电压强迫励磁，使电动机快速牵入同步。停机时，三相全控桥式整流电路会以最大逆变电压快速灭磁，从而确保系统的安全。旋转整流器励磁系统4第二章同步电动机的运行原理及特性对于大型同步电动机或在特定环境中工作的同步电动机，有刷励磁结构的缺B点是减低了电动机运行的可靠性。通常采用无刷励磁系统解决这一问题。无刷励磁系统由旋转电枢式三相同步发电机和旋转整流器构成主电路，励磁机的旋转电枢和同步电动机同轴连在一起，旋转电枢发出的三相交流电经旋转硅整流器整流后直接提供励磁电流给同步电动机的励磁绕组。因为同步电动机的励磁绕组、交流励磁机的电枢还有硅整流器都以同步转速旋转，故不再需要滑环和电刷。励磁调节器自动调节同步电动机的励磁电流。因为没有了滑环和电刷，旋转整流器励磁系统大大提高了工作的可靠性，非常适用于防爆等有特殊要求的场所。不过这种系统也有缺点，由于它的响应速度比较慢，电动机励磁回路的时间常数比较大，因此它在停机时对快速灭磁有不利的影响。23电枢反应空载运行时同步电动机电枢绕组中有很小的电流，相对应的电枢磁场很小，此时电动机的气隙磁场基本上就是励磁磁动势产生的主磁场。但是当同步电动机加入负载以后，电枢绕组中将会有对称的三相负载电流，从而会有与转子磁极同步旋转的电枢磁动势及相应的电枢磁场产生。这时，励磁磁动势和电枢磁动势共同建立电动机的气隙磁场，而且主磁场将会受到电枢磁动势的影响，电枢反应就是电枢磁动势的基波对主磁场的影响。图2315第二章同步电动机的运行原理及特性图232图233电枢反应将会对同步电动机的运行性能产生影响，因为电枢反应会使气隙磁场的波形发生畸变，气隙磁场不再关于主磁极轴线对称，同时还会有增磁或者去磁的现象发生。交（直）轴电枢反应是指电枢磁动势恰好作用在交Q（直D）轴上。一般而言，电枢反应不会单独作用在某一个轴上，而是两者都有。此时电枢磁动势FA可以分解为交轴分量FAQ和直轴分量FAD。畸变的气隙磁场波形主要是因为交轴电枢反应，直轴电枢反应的作用是使气隙磁场产生去增磁。电枢反应的性质（去磁、增磁、交磁）由电枢磁动势与主磁场B0的空间相对位置决定，这个相对位置与励磁磁动势E0和电枢电流IA的相位差角0有关。当励磁电动势和电枢电流同相位即00时，电枢磁动势的轴线与转子交轴6第二章同步电动机的运行原理及特征重合，故此时电枢磁动势为交轴磁动势，这时的交轴电枢反应是纯交磁性质的。正是因为交轴电枢反应，主磁场与气隙合成磁场之间由一个空间相位角。在00的情况下，分解得到的交轴电枢反应同前面所述。而直轴分量FAD产生的直轴电枢反应的性质将视角0的正、负而定。在电动机惯例下，当励磁电动势E0滞后于电枢电流IA时，此时的直轴电枢反应的性质时去磁；当励磁电动势超前电枢电流IA时，此时的直轴电枢反应性质是增磁。和电动机的机电能量转换以及电磁转矩直接相关的是交轴电枢磁动势。转子主磁场和气隙合成磁场之间的相角差就是交轴电枢磁动势产生的交轴电枢反应造成的，从而有电磁转矩。电枢反应会由于负载增大而变得强烈,从而B与B0之间的相角变大，电动机产生的电磁转矩和输出的机械功率也就越大，定子绕组从电网输入的电功率也越大。但是电动机的负载能力是有限度的，超过了这个限度便会造成电动机过热或者由于运行不稳定而失去同步。24同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性主要包括功角特性、工作特性、V形曲线。同步电动机的一个重要的特性便是功角特性，因为它表示出了电机的电磁功率PE与功率角之间的相互关系ME0UMU211PESINSIN2XD2XQXD从上式可以看出凸极同步电动机的电磁功率由两部分构成，一部分称为基本电磁功率（构成了电磁功率的大部分）另一部分称为磁阻功率，它的大小与励磁大小无关，它是由于凸极同步电动机的直轴与交轴的磁阻不相等而引起的转矩造成的。功角特性曲线如图所示，从中可以看出随着机械负载的增大，功率角也相应增大，从而导致电磁功率随着增大直到平衡增大的负载功率。电动机的电磁转矩与功率角之间的关系称为矩角特性ME0UMU211TESINSIN2XD121XQXD电磁转矩的最大值极为TEMAX，励磁电流的增大会使励磁电动势增大，故电动机的最大电磁转矩也会得到提高。TEMAX与额定转矩TN的比值称为电动机的过载能力，KMTEMAX/TN。电动机会因为负载转矩大于最大电磁转矩产生不稳定而失步，故电动机要有足够大的过载能力。通常情况下，轧机用电动机要达到KM2530，大中型同步电动机的过载能力要在15到2之间。同步电动机的一个显著优点就是增加励磁电流可以提高过载能力。7第二章同步电动机的运行原理及特征图241功角特性曲线当电动机的电源电压、励磁电流保持常数时，电动机的电磁转矩、电枢电流、功率因数、效率等与输出功率P2的变化关系称为电动机的工作特性。图242滞后图2438第二章同步电动机的运行原理及特征电磁转矩TE与输出功率P2关系式为TET2T0P2T0同步机械角速度11是一个常值，故电磁转矩随着P2按正比例变化，即相互关系曲线是一条直线。当P2为0时电枢电流是很小的空载电流I0，电枢电流IA随着输出功率P2的增加而增加，曲线也近似为直线。同步电动机的功率因数随着负载的增加总是下降的，图中示出了三种不同励磁电流时同步电动机的功率因数特性。曲线一的情况是励磁电流比较小、空载时功率因数为1的特性，电枢反应的去磁作用随着负载的增加而增大，为了维持气隙合成磁场的每极磁通量近似不变，同步电动机需要从电网中吸收感性无功电流，这样就使的电动机的功率因数总是滞后的（欠励）。曲线二是增大了励磁电流，电动机半载时功率因数等于1时的特性，大于半载时的功率因数滞后，小于半载时的功率因数超前。曲线三为励磁电流较大，电动机满载时功率因数等于1时，此时达到满载时的功率因数总是滞后的。由此可见调节励磁电流可以使同步电动机的功率因数为1，甚至具有超前的功率因数，可以利用这一优点来进行补偿电网功率因数等。同步电动机的效率特性曲线与其它电动机的大体上相似，输出功率为0是效率为0，随着输出功率的增加效率增加，在达到最大值（一般在P207508PN处）后开始逐渐下降。V形曲线是指电磁功率PE与电源电压为常值时，电枢电流IA随励磁电流IF变化的关系。如图所示，电机的功率因数等于1时各曲线处在最低点，此时对应的励磁电流称为正常励磁，这时电枢电流全部为有功电流，电机的输入功率全部用来做功。励磁电流小于正常励磁电流时称为欠励，大于正常励磁电流时称为过励。但是不论在欠励还是过励状态下电枢电流都会大于正常励磁时的值。功率因数在欠励时是滞后的，就是说电机在吸收电网中有功功率的同时还要吸收感性的无功功率，这就会使电网的功率因数进一步变坏。相反，过励时电动机的功率因数是超前的，即电机从电网吸收有功功率的同时也从电网吸收容性的无功功率（也可以说是向电网发出感性的无功功率），这样就可以改善电网的功率因数。但是当励磁电流减小到一定值时，就会因为E0的显著减小，同步电动机的过载能力下降，电动机会出现不稳定的现象。电动机的功率因数一般设计为超前的，这样电动机便工作在过励状态，电网的功率因数和过载能力可以得到提高。但是这样做的缺点是此时电枢电流和励磁电流均比正常励磁时的大，电机的效率会因为电枢铜耗和励磁损耗的增加而降低。9第二章同步电动机的运行原理及特征图244V形曲线25同步电动机的基本电磁关系与电压方程式（凸极式为例）由于凸极同步电动机直轴下的气隙比交轴下的要小，故直轴磁导将大于交轴磁导，同样大小的电枢磁动势在交轴和直轴上所产生的磁场将会有明显的不同，这就使得对凸极电机的分析比较困难。为了分析凸极同步电动机，我们需要引入双反应理论。就是把电枢电流和电枢磁动势分解为直轴和交轴两个分量，把直轴和交轴磁动势产生的电枢反应用向量叠加得到总的效果。从实践中可以看出，采用双反应理论分析方法在不计磁饱和时的效果是比较准确的。采用这种方法，在不计磁饱和时凸极同步电动机的电磁关系为IFFF0E0IAIDFADADEADJIDXADI