50KW4极变频调速同步电动机的电磁设计方案和控制系统的设计毕业论文.doc

密级： 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（ 20062010年 ）题 目： 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.、Electromagnetic design and control system of the50KW-4 pore frequency control synchronous motor AbstractThis article begins from the basic theory of the synchronous motor and motor design , simply introduces the basic characteristics of synchronous motor, type, usage, main structure, technical indicators, working characteristics,frequency control and so no. These all are the preparation of electromagnetic design of synchronous motor. Electrical motor design is a complex process which needs to consider size, data and many other factors . Therefore, we should have a comprehensive looking of the issue and according to conditions, make different situation-specific solutions. In this three options of the design, under the condition of efficiency, depending on the design objectives designs a most light-weight lest materials synchronous generator and a saving energy most synchronous generator with maximum efficiency . After the design I have found that the most provincial motor mostly dose not hvae the maximum efficient and the maximum efficient motor use the most materials. Therefore, in the actual design the motor must have comprehensive consideration so the the optimal programme not only use fewer material but also have a relatively high efficiency . In addition, this article makes a presentation and overview.using of rendering graphics software AUTOCAD and computer programming-aided design .keywords: the theory of Synchronous motor, frequency control,the design ,CAD.目录摘要IAbstractII绪论IV第一章 同步电机概述11.1同步电机主要类型和用途11.2 同步电动机的基本结构11.3 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52.1 同步电动机的工作原理52.2 同步电动机的励磁方式52.3 电枢反应52.4 同步电动机的运行特性72.5 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123.1 同步电机坐标系统的转换123.2 自控式同步电动机变频调速系统及硬件控制电路153.3 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254.1电机设计过程和内容254.2 电机参数对电机的影响254.3 电机气隙大小对电机的设计的影响254.4 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466.1关于材料用量的对比466.2 关于损耗与效率的对比466.3 关于电磁负荷的对比466.4 关于电机参数的对比476.5 电磁设计结果分析47第七章 AUTO CAD 绘图497.1定、转子冲片图的绘制497.2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55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。第一章 同步电机概述1.1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。1.2 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1.5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。1.3 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。第二章 同步电动机的运行原理及特性2.1 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。2.2 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： 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0.5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B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。2.3 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。FfB0NBBaIaFaE0图2.3.1Ff0IqFaqE0Id图2.3.2FaqFaFad图2.3.3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0=0时，电枢磁动势的轴线与转子交轴重合，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。2.4 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：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：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，Km=Temax/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Km=2.53.0，大中型同步电动机的过载能力要在1.5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。Pe，Te图2.4.1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。功率因数IaTeP2图2.4.2滞后P23图2.4.3电磁转矩Te与输出功率P2关系式为同步机械角速度1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P2=0.750.8Pn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。If过励IaCos=1图2.4.4 V形曲线2.5 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：从中得出，励磁电流If产生励磁磁动势Ff并且建立主极磁场，其中每极磁通量用0表示，电枢绕组中的励磁电动势E0便是由主极磁场产生的。电枢电流分解成了两个分量Id和Iq，它们分别产生直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势从而建立了直轴电枢磁场和交轴电枢磁场，又在电枢绕组中分别感应直轴电枢反应电动势和交轴电枢反应电动势。与此同时电枢电流还会产生电枢漏磁0，它将会感应出电枢漏磁电动势。考虑到电枢电阻压降便得到电压方程式：式中Xad和Xaq分别是直轴和交轴电枢反应电抗；X是电枢反应漏电抗；Xd和Xq分别表示直轴和交轴同步电抗，Xd=Xad+X，Xq=Xaq+X；Ra是电枢电阻。d轴IdIaUIqE0图2.5.1 向量图图中E0总是滞后于U一个功率角，表示同步电机处于电动机运行状态；电枢电流超前电源电压表示电动机处于过励状态，这时电网的功率因数由于电动机输出感性无功电流而得到改善。电枢电流超前于励磁电动势表明电枢反应的性质为去磁。直轴同步电抗和交轴同步电抗时凸极同步电动机的重要参数，是凸极同步电动机对称稳态运行时，表征电枢漏磁效应和交直轴电枢反应的两个综合参数。在磁路不饱和的情况下Xd和Xq均为常数。由于凸极同步电动机的直轴气隙比交轴气隙小，故直轴磁导总是大于交轴磁导，因而直轴同步电抗总是大于交轴同步电抗。还有就是饱和效应一般只是在直轴磁路出现，使的Xd变小。第三章 同步电动机变频调速控制3.1 同步电机坐标系统的转换在研究同步机的许多问题时，特别是当电机定子方面对称时，利用d、q、0坐标系统分析问题可以获得不少方便之处。但在研究另外一些问题，如研究同步电机的不对称运行方式时，这种坐标系统就不如其他一些坐标系统方便。随着研究的不断深入，从坐标转换或变量置换的角度来看，现在已经得到应用的坐标系统有以下几种：1、 坐标轴放在定子上的静止坐标系统，即a、b、c与、0及1、2、0坐标系统；2、 坐标轴放在转子上的随转子一起旋转的坐标系统，即d、q、0及F、B、0坐标系统；3、 坐标轴在空间以同步转速旋转的同步恒速坐标系统，即坐标系统；4、 坐标轴以任意给定转速旋转的纵轴及横轴（d、q）系统等，但应用不多。这些坐标系统都有各自的优缺点，如何选择要看以下条件：1、 所需结果的准确程度及计算方法的简便等；2、 被研究问题的条件是稳定的还是瞬变的，对称的还是不对称的，恒速的还是变速的，加速的还是震荡的。3、 解决问题时利用的工具是数值计算分析还是实验模型设备，是数字计算机、模拟计算机还是物理模拟设备或系统。为了便于进一步利用其中的一些坐标系统来研究同步电机的某些实际运行问题，本节将对各种坐标系统以及它们之间的相互转换关系进行一些必要的讨论，坐标系统的转换就是变量的置换，经过变量置换后同步电机的基本方程将变为新变量表示的具有不同形式的新的关系式。1、 、0坐标系统 这种系统中的转矩矩阵为：以电流为例可以得出：其反变换为 、分量与d、q分量之间的关系式为：2、1、2、0坐标系统在这种坐标系统中它的转换矩阵为：其中 为复数算子。以电流为例可得： 其反变换为 由于存在复数这种分量有时称为复数变量，其坐标轴线与定子没有相对运动。1、2分量与、分量及d、q分量间的关系式为： 3、坐标系统在此坐标系统中的转换矩阵为：同样的以电流为例可得： 其反变换为： 分量与d、q分量间的关系为：4、F、B、0坐标系统此系统中的转换矩阵为： 以电流为例得到：它的反变换为：F、B分量与d、q分量间的关系式为：5、坐标系统此坐标系统中的转换矩阵为：以电流为例得到： 这也是一种复数变量，但其坐标轴线则是以同步恒速旋转的。其反变换为： 分量与分量间的关系式为：3.2 自控式同步电动机变频调速系统及硬件控制电路自控式同步电动机变频调速系统也称为无换向器电机，它是一种新型的机电一体化无极变速电机，它由一台带转子磁极位置检测器PS的同步电动机M和一套功率半导体逆变器INV所组成，如图1和2所示。RECREC 图3.2.1 图3.2.2无换向器电机有两种不同的系统结构形式：一种是直流无换向器电机，即自控式同步电机交-直-交变频调速系统，它是由电网交流电经可控整流器REC变成大小可调直流，然后再由晶闸管逆变器INV转换成频率可调的交流，供给同步电动机实现变频调速。另一种是交流无换向器电机即自控式同步电机交-交变频调速系统。它是利用交-交晶闸管变频器直接把电网50HZ交流电转换成可变频率的交流供给同步电动机。所谓无换向器电机实际上就是一种通过半导体变流器把电网频率电功率变成可变频率电功率供给同步电动机进行变频调速的系统。它有别于一般的异步电机变频调速或它控式同步电动机变频调速其变流器输出频率不是独立调节而是受与电动机转子同轴安装的位置检测器的控制。每当电动机转过一对磁极式，变流器输出交流电相应的 变化一个周期，故是一种所谓的自控式变频器，其特点是能保证变频器的输出频率和同步电动机转速始终保持同步而不会发生失步。电磁转矩的产生无换向器电机的电枢绕组一般为三相，晶闸管逆变器通常采用三相桥式接法，在小容量机组中也可用零式接法。三相半波接法的情况下，假设转子励磁所产生的磁场B在电机气隙中按正弦分布，如果定子一相绕组中通以持续的直流电流I，则此电流和转子磁场作用所产生的转矩T也将随转子位置的不同按正弦规律变化。图3.2.3 三相半波与桥式逆变电路的转矩但在无换向器电机中，实际上每相绕组中通过的不是持续的直流而是只有1/3周期的方波电流，这样每相电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦曲线上相当于1/3周期长的一段，这段转矩曲线的具体形状与绕组开始通电时刻的转子相对位置有关，从中可知转子磁极轴线从某相绕组轴线转过30度的位置处触发导通该相晶闸管，从产生转矩的角度看最为有利。因为在此位置下开始绕组通电的1/3周期里，载流导体正好处于比较强的磁场中，所产生的转矩平均值最大，脉动较小。从时间相位上看，晶闸管触发瞬间正好是该相感应电势交变过零之后的30度相位处，习惯上将此点选作晶闸管触发相位的基准点，定为。称为空载换流超前角。当采用三相桥式逆变器时，由于任何瞬间在三相绕组中总有一相通过正向电流而另一相通过反向电流，这两个电流分别产生转矩的情况和上述三相半波接法时相同，只不过每一相正、负电流所产生的转矩在时间上顺序要相差180度，而电动机的合成转矩是这两个转矩之和。综上所述，从电机转矩来看，以采用三相桥式接法、比较有利，此时电机所产生的转矩平均值最大、脉动最小。但无换向器电机的逆变器晶闸管是利用电机反电势自然换流，因此如果等于零则不能实现换流，目前使用最广泛的是超前60度运行方式。无换向器电机的工作特性无换向器电机的研究可以采用分析直流电机的方法，下面分析它的调速特性：在考虑到换流重叠角的情况时，三相桥式整流电路的输出直流电压为：式中为电源相电压有效值；为整流触发角；为整流桥换流重叠角。对于电动机侧的逆变桥，其直流侧电压与电机相电压Em之间的关系为：式中表示逆变超前角；表示逆变桥换流重叠角。设为电动机的气隙合成磁通，K为电机结构常数，P为电机极对数，电动机转速为（rad/s）或n（r/min），则电动机相电压可以写成：整流桥输出电压与逆变桥输入电压之间的电压关系式为： 式中是包括平波电抗器电阻和晶闸管通态压降在内的直流回路等效电阻。由以上三式可知无换向器电机的转速公式为：此公式和直流电动机转速公式十分相似，由此可知两者有相似的调速方法。对于无换向器电机而言可有的调速方法有：1、 改变直流电压。可通过可控整流桥触发角的改变来实现。2、 改变换流超前角。3、 改变励磁磁通或励磁电流If。通常采用的方法是改变直流电压来达到调速的目的。图中给出的是在励磁及换流超前角保持不变的情况下改变直流电压时的机械特性曲线。240012003Ed=250v150v50v20v图3.2.4无换向器电机空载时换流超前角整定为，电机负载后由于同步电机功角的影响，电机端电压的相位将会前移角，这样会使负载换流超前角减小为。另一方面由于负载电流的增大，换流重叠角也将增大。由于和角都随负载的增大而增加，在恒定的情况下换流剩余角将随负载增加而减小。角表示的是关断晶闸管后它所承受反向电压的时间，为了保证可靠换流，有折算出的换流剩余时间必须要大于晶闸管的关断时间tq。当负载达到一定大小，接近tq时，无换向器电机将要达到换流极限，也就是它的最大负载能力。无换向器电机过载能力的提高可以一方面减小换流重叠角，另一方面尽量减小功角的影响。具体的措施有：1、 把阻尼绕组装设在转子上或者采用整铸磁极，利用它的阻尼作用减少换流电抗，从而减小换流重叠角。2、 在磁极上装设交轴补偿绕组，使其中通过的电流和Iq称正比，由它产生的磁势完全补偿交轴电枢反应，使等效交轴电抗为零，换流超前角将步随负载变化，从而提高了过载能力。3、 采用励磁电流随负载比例变化的控制方法，此时空载电势相应增大，整个矢量图按比例放大，角将保持不变，从而电机过载能力得到显著提高。4、 减小交轴同步电抗Xq。因为出现功角的主要原因是存在交轴电枢反应，在一定电流下，若Xq越小，功角也越小，随负载减小的趋势变弱，因此电机的过载能力得到提高。无换向器电机调速系统的硬件电路图图3.2.5 图中包括电源侧的调速控制和电动机侧的四象限运行控制两部分。调速控制部分和直流电机调速系统基本相同，是一个由电流环和速度环组成的双闭环系统，其中还包括有逻辑控制和零电流检测单元。逻辑控制单元用来控制电动机侧的触发脉冲分配，实现四象限运行；零电流检测单元用来检测低速电流断续法换流时电流是否为零。电机侧的控制系统包括一个转子位置检测器和一个r脉冲分配器，它受低速部分逻辑单元控制，根据四象限运行需要，把相应脉冲分配输送到逆变器的各晶闸管中。3.3 同步电动机矢量变换控制及硬件控制电路同步电动机矢量变换控制的基本思想在异步电机的矢量变换控制中，我们选择转子全磁通矢量作为同步速旋转的磁场定向坐标系（M-T坐标系）的M轴。通过坐标变换，将三相定子电流分解为与转子磁通同方向的等效励磁电流及与转子磁通方向垂直的等效转矩电流。由于此两者相互正交，解除了彼此间的耦合关系；在同步速的M-T坐标系中它们是一组直流标量，故完全可以像直流电动机那样实现对磁场和转矩的分别控制，获得良好的调速特性。这样一种控制思想完全可以应用到同步电动机转矩的瞬时控制中。图所示为转场式隐极式同步电动机的空间矢量图。MTi1It1mmf图3.3.1其中电流矢量应看做为与相应磁势等效的空间矢量。图中转子磁场电流矢量建立了转子磁场磁通矢量，电枢电流矢量建立了电枢反应磁通矢量。磁化电流矢量则为电枢电流矢量和磁场电流矢量的合成矢量，而气隙有效磁通矢量则为电枢反应磁通矢量与磁场磁通矢量的合成矢量。与之间也有着相应的关系。在同步电机的矢量变换控制中，选择气隙有效磁通矢量作为磁场定向坐标系M轴的方向，逆时针领先90度电角度的方向为T轴方向，因此电枢电流矢量可以分解出相应的等效励磁电流分量和等效转矩电流分量。如果控制合成的磁化电流使有效磁通保持恒定，那么同步电动机所产生的转矩就直接和电枢电流中的等效转矩分量成正比。由于与相互垂直，调节中相互不影响，在同步速旋转的M-T坐标系中又都是些直流量，因此可以和直流电机一样灵活的进行转矩的控制和调整，这就是同步电动机矢量变换控制的基本思想。同步电动机矢量变换控制系统硬件图整个控制系统的主控制指令来自速度给定信号。速度给定值与实测的转子速度相比较，其误差信号控制速度调节器ST，使其输出为保持速度给定所需的转矩给定值。图3.3.2 系统硬件图通过除以有效磁通的运算，得到电枢的等效转矩电流给定值。与此同时，根据实际转速的大小，按基频一下恒磁通（恒转矩），基频以上弱磁通（恒功率）的调节规律，由函数发生器给出有效磁通给定值。磁通调节器根据有效磁通给定值与由磁通运算器算出的实际有效磁通的误差信号进行调节，输出保持有效磁通给定值所需的磁化电流给定值。磁极位置运算器根据转子位置检测器检测到的磁极位置，计算并输出转子磁极相对定子绕组的空间位置角度供坐标转换使用。电流给定值运算器如图所示：图3.3.3 电流给定值运算器 产生有效磁通的合成磁化电流、磁场电流以及电枢电流的等效励磁电流分量之间的关系为：因而为维持有效磁通恒定，电枢电流的等效励磁电流分量给定值应为： 此外，速度给定通过速度调节器ST以及除以有效磁通的运算，可以得到电枢电流的等效转矩电流分量给定值。这样，通过矢量的旋转变换VR4以及2/3变换，就可以获得三相电枢电流的给定值，其运算过程为： 以及 而供给磁场绕组的电流可以写成：由于为电枢电流中产生有效磁通的等效励磁电流分量，故是一个无功电流。如果需要保持同步电动机的功率因数为1，则应使该项电流为零，此时磁场绕组电流的给定值应为：图示给出了磁通运算器的运算框图：图3.3.4 磁通运算器的运算框图图中实测的电枢电流经过3/2变换，变换称-坐标系中的二相分量。即 再经过矢量旋转变换VR1，变换成转子d-q坐标系中的分量和： 式中是来自磁极位置运算器的输出。从d-q坐标系中的电枢电流分量以及磁场电流，可以计算出d-q轴的有效磁通分量。如果不考虑磁路的非线性，则与称正比，与成正比，即有（图中I/变换器的运算功能） 式中分别为与磁路工作点有关的d、q轴比例系数。 计算出的经过坐标旋转变换，可以得到静止-坐标系中的有效磁通分量。故VR2的运算功能为： 为了求得有效磁通的大小及相对轴的空间位置角可采用K/P变换，即为了计算出电枢电流中的等效励磁电流分量，还需要求出功率角，这可以通过矢量旋转变换VR3来实现。因为，则第四章 电机设计的基本理论4.1电机设计过程和内容1、准备阶段：首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本（或样机）和技术资料（包括试验数据），并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或技术建议书。2、电磁设计：本阶段的任务是根据技术条件或技术任务书（技术建议书）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。3、结构设计：结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。通常，首先根据技术条件或技术任务书（技术建议书）中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再考虑电磁计算中所选负荷的高低，来选取合适的通风冷却系统；然后安排产品的总体结构，绘制总装配草图。然后分别绘制部件的分装配图和零件图，并对总装配草图进行必要的修改。4.2 电机参数对电机的影响电阻、电抗是电机的重要参数。其中电阻包括直流电阻和交流电阻，而电抗包括主电抗和漏电抗，对于同步电机，主电抗叫做电枢反应电抗，而对于异步机来说则叫做励磁电抗，漏电抗则包括槽漏抗、端部漏抗、齿顶漏抗和谐波漏抗。电阻的大小不仅影响电机的经济性，并且与电机的运行性能亦有极密切的关系。例如在设计绕组时，如果选取较高的电流密度，则所用的导体截面就较小，用铜量就较少而电阻就较大。电阻越大，电机运行时绕组中的电损耗就较大，绕组中的瞬变电流增长或衰减速度则较快。感应电机转子电阻的大小对其转距特性影响特别突出。绕组电抗的大小亦对所设计电机的经济性及运行性能有很大的影响。一方面漏抗不能过小，否则同步电动机短路时或感应电动机启动时将产生不能允许的电流。另一方面漏抗又不宜过大，否则会引起同步电动机的电压变化率增大，感应电机的功率因数、最大和启动转矩降低，直流电机的换向条件恶化等。此外，在同步电机里，瞬变电抗也与漏抗的大小密切相关，而瞬变电抗对电机的动态特性有很大的影响。因此正确选定及计算这些参数是极重要的。4.3 电机气隙大小对电机的设计的影响 气隙控制是生产电机的一个重要参数，电机生产厂会控制很严格。一般情况下定子是经过冲压加工后液压叠加工而成，而转子是经车加工的。电机的磁阻主要集中在电机的气隙上，电机的气隙主要影响电机的主磁通和电磁转矩。如果气隙越大，则磁阻越大，励磁损耗加大，励磁电流加大，导致功率因素下降，所以一般要求气隙越小越好。但因为加工的问题，气隙不可能做的很小。气隙大了会使电机的空载电流加大，以至于出力减小，而气隙太小则会造成转子和定子的磨擦加大，俗称为扫膛，这样会使电机损坏，并且若气隙过小还会导致气隙谐波磁场增大，电机杂散损耗和噪声增加，最大转矩和启动转矩减小，而且装配也回变的相当困难。4.4 槽满率对电机的影响当槽满率变小时，电枢绕组电密会变大，相应的电枢发热参数升高，因而不利槽内导线的散热。同时，槽满率变小会导致电枢绕组每相电阻变大，使得电组铜耗上升，降低了电机的效率。较高的槽满率值不仅可以缩小槽面积，铁心尺也可应缩小，提高材料的利用率；而且有利于槽内导线的散热。但是高槽满率会给嵌线带来困难并增加嵌线工时。槽满率太高了在嵌线时极易引起绝缘损伤，将造成电机报废等比较严重的后果。第五章 同步电动机电磁设计的计算