20kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统设计【南昌大学电机电器本科毕业论文原稿word版】

20KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统设计【南昌大学电机电器本科毕业论文原稿WORD版】密级NANCHANGUNIVERSIT学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目学院信息工程学院系电气工程及其自动化系专业班级电机电器06级1班学生姓名学号指导教师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电气工程及其自动化专业班级电机电器061班学生姓名学号起讫日期指导教师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。本科生毕业设计（论文）开题报告题目学院专业电气工程及其自动化（电机电器方向）班级电机电器061班学号6101106017姓名指导教师填表日期日一、选题的依据及意义在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的6070，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。交流电动机的诞生和发展已有一百多年的历史，至今已研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品种的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步异步电动机两大类。电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即是同步电动机；反之，若不保持这种关系，即是异步电动机。根据统计，交流电动机用电量占电机中用电量的85左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流的恒定，可用改变电枢电业的方法实现转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来的变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来了一系列限制，即机械式换向器表面的线速度及换向电流、电压有一极限容许值，这就限制了单机的转速和功率。如要超过极限容许值，则大大加大电机制造的成本和难度，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对一些要求特高转速、特大功率的场合则根本无法采用直流调速方案。为了使机械换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导致电机转动惯量很大。对于快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实现。机械换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。这就表明了直流调速系统维检工作量大，维修费用高，同时停机检修的更换电刷也直接影响了正常生产。在一些易燃易爆的场合，一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能或不宜使用直流电动机。由于直流电动机在应用中存在着这样的一些限制，使得直流调速系统的应用也相应受到了局限。交流电机有两种异步电机和同步电机。同步电机主要作发电机用，电力系统中的电能几乎全是通过同步发电机产生的；但同步电机也作电动机适用，如应用于某些大型生产机械的拖动系统中，其功率达数百或数千千瓦。同步电动机有其独特的优点稳定运行时转速恒定（同步速），只与电源频率有关，不随负载和电压的变化而变化；运行稳定性好，具有较强的过载能力；功率因数较高，因为同步电动机可以通过调节其励磁电流提高功率因数，可在功率因数为1的状态下运行；还能改善电网的功率因数，即在领先的功率因数下运行；运行效率高，低速运行时尤为明显；对于大容量电动机，同步电动机体积反而比异步电动机小；随着电力电子技术与控制技术的进步和发展，同步电动机也能实现变频调速，在大容量电力拖动场合，同步电动机的控制性能优于异步电动机。随着电力电子技术的发展，同步电动机历来只能恒速运行的状况已被改变，同步电动机和一部电动机一样都能调速，过去阻碍同步电动机广泛应用的起动、振荡和失步等问题已经得到解决。同步电动机变频调速的应用领域十分广泛，其功率覆盖面大，从数瓦德微型同步电动机到数千瓦的大型同步电动机。超大型抽水蓄能电动发电机的变频起动也属于同步电动机变频调速之列。同步电动机变频调速的基本原理和方法以及所用的变频装置都和异步电动机变频调速大体相同。但是，同步电动机变频调速也有其独自的一些优点。同步电动机转速N1与电源的基波频率F1之间保持着严格的同步关系N160FP1数中P为电动机的极对数。从式中看出，只要精确地控制变频电源的基波频率就能准确地控制电动机的转速。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，这对于改善电网的功率因数有利。若电动机运行在COS1的状态下，电机的电枢电流最小，变频器容量可减小。同步电动机对负载转矩扰动具有较强承受能力，这是因为只要同步电动机的公角作适当变化就能改变电磁转矩，而转速始终维持在原同步速不变。同时，转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的快速响应。因此，同步电动机比较适合于要求对负载转矩变化作出快速反应的交流调速系中。同步电动机在低频时也能运行，因为它能从转子进行励磁以建立必要的磁场，故它的调速范围比较宽。在同步电动机调速系统中，从电动机的输入频率看，有两种一为频率他控式，二为频率自控式。所谓频率他控式是指，给同步电动机供电的变频器的输出频率是由转速给定信号决定的。这种调速系统一般多采用开环控制，因此，像接在工频电网上运行的同步电动机一样，存在着转子振荡及失步等问题。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永磁同步电动机、磁阻同步电动机。频率自控式则不然，变频器的输出频率不是随意由外部给定的，而是由电动机本身转速决定的。这样一来，就不存在转子失步问题，即永远同步运行。实际上，只要在电动机转轴上安装了磁极位置检测器，使其输出信号与电机电枢绕组感应电动势的频率同步，就可实现频率自控。自控式同步电机又可分为两种类型。（1）负载换相自控式同步电动机调速系统主电路长采用交直交电流型变频器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。国际上简称这种系统为LCI（LOADCOMMUTATEDINVERTER）。目前这种调速系统容量已达到数万千伏安，电压等级达到万伏以上。值得注意的是这种超大容量的系统所用同步电动机滑环式励磁系统已改用无刷励磁机系统。（2）交交变频供电的同步电动机调速系统交交变频同步电动机调速系统的逆变器采用交交循环变流结构，由晶闸管组成，提供频率可变的三相正弦电流给同步电动机。采用矢量控制后，这种系统具有优良的动态性能，广泛用于轧钢机主传动调速中。交交变频同步电动机调速系统容量可以做到很大，达到10000KVA以上。但是调频范围最高达到20HZ（工频为50HZ），这是这种调速系统的不足之处。自控式同步电动机调速系统与直流电机调速系统相比，其结构简单、坚固、耐用，且维护工作量小。近些年来，矢量控制技术的成熟，使高性能自控式同步电机调速系统有很强的竞争力。对某些不要求调速的大型机械负载（功率在一万乃至几千万千瓦），如钢厂炼铁高炉用鼓风机，采用功率因数可调的同步电动机拖动较为合适。大容量同步电动机的另一个用途是作为抽水蓄能机组。在抽水蓄能电站中，机组（包括水力机械与同步电机）的运行工况时可逆的。当电力系统高峰负荷时，要求水轮机拖动电动机作发电机运行，于是水库里的水流入下水库贮存。待低谷负荷时，机组中的电机作电动机拖动水泵运行，再把下水库里的水抽到上水库，如此循环工作。大容量不调速同步电动机，存在启动困难的问题。如在启动过程中变成自控式同步电动机方式，则可以实现软启动，且启动电流小，启动平稳。由于仅在启动过程中作自控式同步电动机运行，变频装置的容量相对电机来说要小的多。对鼓风机负载，变频装置容量只有电机额定容量的1/4；对抽水蓄能机组，仅为1/10左右。钢铁工业中的初轧机要求其传动系统具有大容量、低转速、频率快速的正反转、过载能力大等特点，并有较强的抗干扰能力。交交电压型自控式同步电动机传动系统能较好地满足这种要求，这种系统还能用于钢厂的热连机上。同步电动机虽然结构上比异步电动机复杂，但采用变频调速后在交流传动领域内和异步电动机有着重要的作用。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）电动机包括交流电动机、直流电动机和步进电动机等多种类型，这是充分发挥各种电动机的固有性能而设计成不同类型。同时，为了满足各种机器设备对电动机的要求，现在正在开展稳健的技术开发。电动机技术研究的基础，仍然是制造能够将电能高效率转化成为机械能的小型、经济、特性优良的能量变换机械。在结构方面，电动机是由定子和转子组成，原则上是转子安装在电动机的中心位置，对称的配置定子。采取这种的形式是基本的原则。这是因为各种电动机都源于共同的理论基础。有了上述的观念，下面开始论述电动机技术开发的现状。（1）高效率技术如果将电动机的损耗分类，可以分为铜笋、铁损、机械损耗及漂移负荷损耗。下面论述减少这些损耗的主要技术手段。铜损。铜损是由电流通过导体时，产生的焦耳热所引起的损失。为了减少铜损，通常采用两种方法，即减少通过绕组的电流和减少绕组的电阻。电动机电流包括励磁电流和电枢电流，改变电动机的结构，把磁极换成永久磁铁，就没有励磁电流。把励磁的永久磁铁换成高性能磁铁，可以减少电枢电流。电动机绕组包括励磁绕组和电枢绕组。尽量减小励磁绕组和电动机子绕组的电阻，就可以减小铜损。为此，改善绕组的制造工艺，提高绕组的占积率，分割核心集中绕组，减少端节线等措施，是绕组高密度化，达到电阻值目的。铁损。铁损是涡流损耗和磁滞损耗，为了降低这些损耗，提高电磁硅钢片的含硅量，以改善材质。硅钢片的使用厚度标准由05T降至035T一下的薄硅钢片。将这些低损耗的电磁硅钢片叠合起来，采用计算机辅助设计（CAE）使磁路最优，改善电动机制造技术以减小加工误差。机械损耗。机械损耗以摩擦损耗和风阻损耗为主。为了降低这些损耗，应研究低耗电量、耐用、低磨损的轴承制造技术。有关的轴承有滑动轴承、滚动轴承、动压流体轴承、磁悬浮轴承和静压流体轴承等。从这些轴承中，选择最合适的轴承使用。（2）节能技术在工业和工厂自动化（FA）领域，风机、泵、输送机械、机床等机械的电动机，在家电领域的空调、冰箱、洗衣机家用电器电动机，一般都是直接或通过减速机，以某个速度连续运行，或者由ON/OFF开关控制电动机断续运行。若采用变频器控制这些电动机，就可以根据负荷的状态使这些机械工作在最高效率点，电动机运行在最优的工作点，形成高效率的运行组合。在带有减速机的驱动方式中，如果取消减速机而使用变频器控制电动机直接驱动，可以改善传动效率和降低噪声。（3）高可靠、低价格化技术把高质量的产品尽快地以低成本制造出来是生产产品的出发点。进来对于成本和质量的一些观念正在发生变化。低价格化是原材料、零件加工、组装、质检工序等各项成本决定的。最近，伴随着全球化的国际成本竞争，要求产品具有高质量、优良的安全性、方便的维修和解体性及零件寿命评价体系。此外，对于可再生材料和环境问题的应对措施，提出了要求，即在价格方面考虑可重复利用的成本。为了应对这些要求，缩短新产品的开发、设计周期，能够生产出高品质、低成本的产品，需要把过去生产中的技术信息、专门技术、专家经验等，引入到开发设计过程中。这就是利用计算机工程设计（CAE）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）等计算机辅助设计方法。利用数据库和计算机仿真，可以不经过试验阶段，直接进行性能评价，并且可以在计算机屏幕上观察评价产品的工作状况。由于利用计算机很容易更改设计，从开发、设计到制造及可靠性评价的一系列工作，都可以在短时间内高效率地完成。用低成本制造高质量的产品的过程技术也正在开发进程中。纵观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展趋势和动向。（1）以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开发。十年来的实践表明，矢量控制理论及其他现代控制理论的应用尚待随着交流调速的发展而不断完善，从而进一步提高交流调速系统的控制性能。各种控制结构所依据的都是被控对象的数学模型，因此，为了建立交流调速系统的合理适用的控制机构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点及内在规律作深入研究和探讨。特别是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法是今后交流调速系统的重要研究课题。近几年来，不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器，实现无硬件测速传感器的交流调速系统一有应用，但是转速推算精度和控制的实时性有待于进一步深入研究与开发。（2）新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，这使装置内部电压，电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输入、输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害成为电磁干扰。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在国内外都在积极进行研究与开发。今后几年内串并联谐振式变频器将有商品化的产品推出。针对交交变频器输出频率低的缺点，与20世纪80年代人们开始研究矩阵式变流器。矩阵式变化器是一种可供选择的交交变化器结构，其输出频率可提高到45HZ以上。近期以来，已有研究成果发表，可望在不久的将来能达到实用化阶段。（3）PWM模式的改进和进化。近年来，随着中压变频器的兴起，对于电压空间矢量控制PWM模式进行了改进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电压矢量合成PWM模式（不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量的组合），已取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中压变频器的脉冲移相PWM技术已有应用。（4）中压变频装置（我国称为高压变频装置）的研究与技术开发。中压是指电压等级为230010000V，中、大功率是指公率等级在300KW以上。中压、大容量的交流调速系统研究与开发实践已有20多年了，逐步走上了实际应用阶段尤其高压全控型功率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。其中，目前应用较多的是采用IGBT、IGCT三电平中压变频器及级联式多电平中压变频器。当今多电平中压变频器已成为交流调速研究的新领域，是热点课题之一。中压变频器今后发展方向和研究课题为装置安全技术方面有，功率器件串联技术，隔离技术，绝缘技术，保护技术，遥控技术及通信技术，电磁兼容技术，谐波抑制技术等。控制技术方面有，将矢量控制技术、直接转矩控制技术引入中压变频器，以及研究开发使用与中压变频器的PWM技术。中压变频技术的发展受到了电力电子器件耐压等级不高的限制。当前，美国CREE公司、德国西门子公司、日本东芝公司，还有欧洲ABB公司等投入巨资研制一种碳化硅（SIC）电力电子器件，其中PN耐压等级可达10KV以上。预计今后10年内，碳化硅器件会有突破性的发展，新一代的中压变频器将随之诞生。三、本课题研究内容本课题主要是研究设计20KW同步电动机。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ZSNDAD2根据公式确定每槽导体数SND,即MINAAZM3根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即，D2D。再次，确NSND定电机铁心的长度。1先确定硅钢片磁密，使硅钢片充分的利用。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本课题的主要计算过程如下1主要规格的确定2主要尺寸的确定3电枢铁心及电枢绕组的确定4磁路计算5稳态电抗计算6短路比计算7励磁绕组计算8短路电流，过载能力及暂态电抗计算9额定负载时的损耗及效率计算10主要材料重的计算11控制回路的设计12定子、转子、三相绕组图的绘制四、本课题研究方案本课题的研究方案主要有三个，方案一是根据计算程序，首先选择电枢绕组的规格和每槽导体数,然后算出定子铁心长度,最后计算出符合国家有关标准和技术要求的电机参数；方案二在方案一的基础上，通过增加每槽导体数，减小电机的铁心长度，从而达到在满足技术要求的基础上，节省材料，主要是节省硅钢片的用量的目的。方案三在方案一的基础上,通过减小每槽导体数,在保持磁密不变的情况下,相应的增加电机铁心的长度,从而达到减小铜耗,最终达到提高效率的目的。方案三与方案一主要是通过增加材料耗用来提高效率为目的，方案二与方案一主要是通过牺牲效率来达到节省材料的目的。采用的方法主要是手算和计算机程序算相结合的方法。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。方案三，为效率最高方案，在满足技术要求的基础上使电机的效率达到最高。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2电机学李发海等合编科学出版社3电机学辜承林陈桥夫熊永前华中科技大学出版社4交流电机及系统的分析高景德李发海清华大学出版社5电机与电力拖动邱阿瑞电子工业出版社6交流调速控制系统李德华电子工业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“”）作者签名日期导师签名日期20KW4极电励磁同步电动机电磁方案及控制系统设计专业电机电器学号6101106017学生姓名马童国指导教师黄劭刚摘要本论文介绍了同步电动机的结构及其运行原理，重点分析同步电动机电磁结构及其对电机性能的影响，提出数个电磁设计方案，并对比来分析电磁方案的优缺点效率提高，电机体积会相应的增大，材料成本会增加；缩小电机体积，成本降低，效率也降低。通过对比分析，选择合适的电机设计参数，从而实现同步电动机优化设计。在设计的基础上，分析同步电动机启动和调速性能。随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中得以实现，分析矢量控制算法，提出转矩控制和弱磁控制方法，根据要求设计出同步电机变频调速系统。关键字同步电动机；电磁方案设计；变频调速；矢量控制21DESIGNOFELECTROMAGNETICANDCONTROLSYSTEMFOR10KW6PELECTRICEXCITATIONSYNCHRONOUSMOTORABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHESTRUCTUREOFANSYNCHRONOUSMOTORANDTHEOPERATINGPRINCIPLES，ANDANALYZEELECTROMAGNETICSTRUCTUREOFTHESYNCHRONOUSMOTORANDTHEIMPACTONMOTORPERFORMANCEANUMBEROFELECTROMAGNETICDESIGNSAREDEVELOPEDANDCOMPAREDTOANALYZETHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFELECTROMAGNETICWITHHIGHEREFFICIENCYTHEVOLUMEOFTHEMOTORISCORRESPONDINGLYINCREASED,ANDCOSTSWILLINCREASETHEVOLUMEANDMATERIALCOSTSAREREDUCEDWITHREDUCEINGEFFICIENCYANDTHEAPPROPRIATEMOTORDESIGNPARAMETERSARECHOOSEDBYCOMPARATIVEANALYSISTODEVELOPOPTIMALDESIGNOFSYNCHRONOUSMOTORINTHEDESIGN,SYNCHRONOUSMOTORSTARTINGANDSPEEDPERFORMANCESAREANALYZEDWITHTHEPOWERELECTRONICSANDCOMPUTERCONTROLTECHNOLOGYDEVELOPING,FREQUENCYCONTROLISAPPLIEDTOELECTRICSYNCHRONOUSMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMTHEPAPERANALYZESVECTORCONTROLALGORITHMANDPROPOSESTORQUECONTROLANDFIELDWEAKENINGCONTROLMETHOD,ANDDESIGNSFREQUENCYCONTROLSYSTEMOFASYNCHRONOUSMOTORONREQUESTKEYWORDSYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICDESIGNVECTORCONTROLFREQUENCYCONTROL22目录摘要ABSTRACT绪论第一章同步电机概论11同步电机的额定值12同步电机的用途13同步电机的三种运行方式第二章同步电动机的运行分析21同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性22同步电动机的稳态运行23同步电动机无功功率的调节第三章同步电机变频调速分析31同步电机与直流电机调速的比较32同步电机和异步电机调速的比较33同步电动机矢量控制34坐标变换35同步电动机转矩控制36同步电动机励磁控制37交流变频调速同步电机371同步电机极数与频率的选择372同步电机电压的选择第四章自控式同步电动机及其控制系统41自控式同步电动机的分类及应用范围411自控式同步电动机的分类412自控式同步电动机的应用领域42自控式同步电动机的工作原理和运行性能421工作原理422运行性能第五章同步电动机的电磁方案设计51同步电动机设计思路52同步电动机设计53数据对比54同步电机设计方案对比分析55同步电动机设计工作总结56同步电动机CAD附图第六章调速控制系统硬件组成61调速系统主电路62控制电路63调速系统举例第七章AUTOCAD2006绘图71定子冲片图72转子冲片图2373单相绕组图第八章总结参考文献（REFERENCES）致谢外文资料原文及译文24前言随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实现，使同步电动机的应用场合大为扩大。同步电动机的稳态转速只跟电网的频率有关与负载无关，同时具备类似直流电动机优良的调节特性，及其功率因数能高达1，较一般感应电机而言，效率较高。同步电动机从励磁角度，可分为电励磁和永磁同步电动机。同步电动机正朝着永磁方向发展，而且永磁同步电动机因其优良的工作特性和高效率等优点正被广泛地开发和应用。同步电动机用于多轴控制系统。研究电励磁同步电动机结构和原理就显得很有必要。25第一章同步电机11同步电机的主要结构同步电机是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子产生磁场。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1M时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。如下图1）凸极式有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。12同步电机的额定值同步电机的额定值有1）额定电压是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或KV表示。262）额定电流流过定子绕组的线电流。3）额定功率是指在正常运行时，电机的输出功率。对于电动机而言输出的是机械功率。PNNINNCOSN103，单位是KW。4）相数M一般M3。5）额定频率我国额定工业频率规定为50HZ6）额定转速额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。N60FNNP13同步电机的三种运行方式同步电机的三种运行方式如右图1）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质显然是发电机。2）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转矩为0，所以这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。3）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们可以断定电机为电动机。第二章三相同步电动机2721同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。一、基本方程式1、电动势UE0JIAXS同理可得出凸极式UE0JIDXDJIQXQ2、相量图相对与发电机，即可作出相应的电动机的相量图。3功角特性在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正方向，而在电动机中，理论上，我们仍然可以这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电机列出同步电动机的功角特性表达示PMUE0U2XSINM11MSIN2D2XQXDMUE0XSINMU211SIN2D2XQXD即PUE0XSINMU21X1MMSIN2D2QXD这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简单，在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势E028此时电动机的电磁功率并不为零，仍有U211PMMSIN22XQXD有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。22同步电动机的稳态运行当三相同步电动机定子对称绕组接到三相对称电源上的时候，就会产生三相合成基波旋转磁通势气，简称电枢磁通势，其空间向量用FA表示。假设电枢磁通势FA的转向为逆时针方向，其转速为同步速N1。电枢磁通势FA的大小为FA341W1I22P式中W1为每相绕组的串联匝数；KW1是每相绕组的基波绕组系数；I是每相电流的有效值；P是电机的极对数。在同步电动机稳定运行时，它的转子也是逆时针方向以同步速N1旋转着，而且转子上的励磁绕组还流过直流励磁电流IF。由励磁电流IF产生的基波磁通势，称为励磁磁通势，其空间向量用F表示。由于励磁电流IF是直流电流，O29励磁磁通势F相对于转子式静止的，但转子本身以同步转速逆时针方向旋转O着，所以励磁磁通势F相对于定子也是逆时针方向以同步速N1旋转。励磁磁O通势FO的大小为FO412WFKIWFF式中WF为一对磁极的匝数；KWF为励磁绕组的分布系数，对于凸极同步电动机，KWF1；IF是励磁电流。这样，作用在同步电动机的主磁路上就有两个磁通势，即励磁磁通势F和O电枢磁通势FA，它们都以同步转速逆时针方向旋转，但两者在空间位置上不一定重合在一起，可以是一前一后地旋转。同步电动机的电动势相量图23同步电动机无功功率的调节30同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。先看一下同步电动机的V型曲线，注意到1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流，2）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流，显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁电流来建立磁场，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的功率因数，这是它最可贵的优点。第三章同步电机变频调速31同步电机与直流电机调速的比较交流电机与直流电机相比具有一下特点（1）单机容量不受限制众所周知，直流电机由于换向器的换向能力限制了电机的容量和速度，直流电机的极限容量和速度之积约为PNNMAX3010，而交流电机单机容量631可突破这一限制。实际上交流电机可以充分利用电力电子器件的能力来提高供电电压，采用先进的电机冷却方式，变频调速同步电机的单机容量已可以做到56MW（2）体积小、重量轻、占地面积小由于交流电机结构简单、体积小、重量轻、占地面积比直流电机大大减小。而直流电机不仅单机体积大，而且为了减小转动惯量，常常采用双电枢或三电枢串联方式，占地面积很大。交流电机有可能与机械合为一体，形成机械一体化产品，大大简化机械结构，减少体积和重量，提高可靠性，从而打破了主流电机安装在主电室中，远离机械的格局。（3）转动惯量小交流电机的转动惯量远小于直流电机的，大大提高了产品的质量和产量。（4）动态响应好由于交流电动机转动惯量大大减小，并且交流变频同步电机没有换向火花对过载能力的限制，电机可以具有更大的动态加速电流。因此，交流电机较直流电机有更好的动态响应特性。下表列出了当前交流调速与直流调速的技术性能比较。（5）维护简单化由于交流电机无须换向器，所以维护量大大减小。（6）节约能源交流同步电机的效率比直流电机提高23。32同步电机和异步电机调速的比较交流调速可以采用同步电机也可以采用异步电机。同步电机与异步电机各有其特点，近20年来，世界各国电气公司和学术界对此争论不休，但进入20世纪90年代，对于大容量交流电机调速，世界各国已基本趋向于同步电机。下表列出了同步电机与异步电机有关数据的比较。同步电机和异步电机的比较32（1）可靠性与维护量异步电机的转子结构非常简单，它没有滑环和激磁绕组，因此，对于笼形异步电机的维护只限于轴承。而同步电机则在其滑环上有少量的维护量，但与直流电机换向器相比，他的维护量要少得多。现代同步电机电刷的寿命在15万个小时左右。尤其是近年来轧机主传动普遍采用隐极式同步电动机，其转子坚固性与笼形电机相近。因此，同步电机的维护量和异步电机的基本相同。（2）功率因数同步电机由于独立的转子激磁调节控制，可使其定子功率因数保持为1，即COS1。而异步电机则完全不同，电机的激磁功率必须通过定子侧获得，因此，定子电流始终是滞后的，其功率因数一般在08左右。为了改善电机的功率因数，可以降低电机的磁通密度，但受到了电机的材料设计限制；另一种提高功率因数的方法是降低漏抗，但这样有增加了电流的谐波，因而又会进一步恶化功率因数。显然，异步电机功率因数低是一个很难克服的缺陷。（3）变频器容量由于异步电机的激磁能量是从定子册供给的，同时异步电机的功率因数低于同步电机，视在功率高于同步电机，故异步电机测速器容量比同步电机大30左右。（4）电机尺寸和转动惯量由于异步电机的定子电流由磁化电流和有功电流两部分组成，因此，异步电机的定子必须具有较大的视在功率。为了提高其功率因数，异步电机尽可能33将电机气隙减少，但减小气隙要求电机制造工艺具有更高的加工精度，而细长结构的挠度也限制了气隙的减少，使大功率变频调速异步电机的设计和制作更加困难。所以，异步电机常常设计成较大的定子和转子铁心直径，电机结构短粗。由于同步电机激磁从转子提供，其气隙可以较大，制造相对容易，同步电机可以设计成细长结构，且长度和直径之比可以优化设计。同步电机的体积DL要比异步电机小得多。（5）控制精度在异步电机的磁场定向控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温度变化。为了消除这一影响，必须进行转子参数辨识控制，该课题一直是国内外学者科研攻关的难题。而同步电机激磁电流时单独控制的，电机磁通不随温度变化，故转矩控制精度高。（6）弱磁化根据异步电机原理，异步电机弱磁恒功率运行时，其最大转矩MMAXN随电机频率的增加呈二次方减小，MMAX频率时的最大转矩，2MAXN2FMAXFN。其中，MMAXN为额定FN为额定频率，FMAX为最高频率。对于弱磁比超过25的卷取机、冷连轧机等传动，异步电机必须采取增加容量或提高电压的方法来提高弱磁时的最大转矩。显然，在这种场合，同步电机要优越于异步电机。33同步电动机矢量控制为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统可以采用矢量控制，其原理与异步电动机矢量控制原理相同。矢量控制的基本思路是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。矢量控制可分为磁场定向控制与电压定向控制的同步电机矢量控制。磁场定向控制就是将同步电动机通过坐标转换，把同步电动机等效成直流电动机，然后保持主磁通不变，而调节转矩电流分量。电压定向控制就是保持电压不变，而改变励磁电流。34坐标变换矢量变换控制是基于坐标变换，其原则有三条1在不同坐标下产生的磁动势相同（即模型等效原则）342变换前后功率不变3电流变换矩阵与电压变换矩阵统一按照坐标变换原理，将ABC坐标变换到D、Q同步旋转坐标系，并用P表示微分算子，则三个钉子电压方程变换成（1）中的两个方程RSISDPRSISQP1SQUUSDSDSQSQ1SD（1）三个转子电压方程不变，因为它们已经是在D、Q轴上了，可以改写成UFRFIFPF0RRDIRDPRD（2）0RRQIRQPRQ由（1）中可以看出，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系以后，DQ轴电压方程等号右侧由电阻压降、脉变电动势和旋转电动势三项构成，其物理意义与异步电动机中的相同，而在式（2）的转子D、Q方程中没有旋转电动势项，因为转子转速就是同步转速，转差角速度S0在两相同步旋转D、Q坐标系上的磁链方程为SDLSQISDLMDIFLMDIRDSQLSQISQLMDIRQLMDISDLRFIFLMDIRDLMDISDLMDIFLRDIRDFRDLLL感；RQLMQISQLRQIRQ（3）式中LSD等效两相定子绕组D轴自感，LSDL1SLMD；SQ等效两相定子绕组Q轴自感，LSQL1SLMQ；等效两相定子绕组漏感；D轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机的D轴电枢反应电1SMD35LLLRFMQQ轴定子与转子绕组间的互感，相当于Q轴电枢反应电感；励磁绕组自感，LRFL1FLMD；D轴阻尼绕组自感；Q轴阻尼绕组自感；RDLRQ由于有凸极效应，在D轴和Q轴上的电感是不一样的。将（3）式代入（1）和（2）式当中，整理之后可以得到同步电动机的电压矩阵方程式USDRLP1LSQSDSLSQPUSQ1LSDRS0UFLMDP00LMDPP00LMQLMQP1LMD1LMDRFLRFPLMDP0RRDLRDP0LMDPRRQLRQP00LMDPLMDP1LMQISDISQI（4）FIRQIRQ同步电动机在D、Q轴上的转矩和运动方程为TENPSDISQSQISDJDTL（5）NPDT把式（3）中的SD和SQ表达式代入式（5）的转矩方程并整理后得TENPLMDIFISQNPLSDLSQISDISQNPLMDIRDISQLMQIRQISD（6）观察式5）各项，不难看出每一项转矩的物理意义。第一项NP、LMD、IF、ISQ是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。第二项NPLSDLSQ、ISD、ISQ是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩。称为磁阻转矩，这是凸极电机特有的同步电动机转矩控制的转矩在隐极电动机中，LSDLSQ，该项为0。第三项NPLMDIRDISQLMQIRQISD是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项为零，只有在动态中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。根据以上同步电动机数学模型可以求出更准确的矢量控制算法。3635同步电动机转矩控制采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制同步电动机产生的转矩。转矩控制功能框图转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同，上图是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转差频率，并与变频器获得的反馈速度或是直接推算的电动机速度相加，在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器并不起直接作用，也无法控制速度。转矩控制时，变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化，但输出频率的变化受设定的加速和减速时间影响，如需要加快跟踪的速度，需要将加速和减速时间设得短一些。转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向（即正转和反转）无关。当模拟量信号为010V时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是逆时针转）当模拟量信号为10V0时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是顺时针转）。由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。3736同步电动机励磁控制在同步电动机变频调速系统中，同步电动机输入电压达到最大限度时，电机转速不再升高，即使改变电压也也会使电磁转矩小于负载转矩，导致电机失步。减小同步电动机励磁电流，从而减弱励磁磁通，电磁转矩将增大，从而提高电机转速。在励磁控制时，电压的大小保持不变。在坐标变换之后，弱磁控制等效于减小励磁磁通，感应电动势减小，电流急剧增加，由于TCRI，转速迅速上升至NUCE，从NP、LMD、IF、ISQ也可以说明这点。37交流变频调速同步电机371同步电机极数与频率的选择根据交流电机原理，交流同步电机转速N与频率F和电机极对数NP关系式为N60FN，其中，NP为电机极对数，电机极数为2NP。P对于电网频率供电F50HZ的恒速电机，电机的转速只与极数有关。但对于变频调速同步电机，F是可以变化的，那么电机极数的选择是具有更大的灵活性。由电机原理可知，同步电机的电磁功率为电机电磁转矩ME与旋转角频率之积PMME，其中2N。60我们用电机气隙中的电磁力F、电机气隙的半径D2来表示电磁转矩，那么电机的电磁功率为PMF其中，D为电机定子内径。同步电机气隙磁通表示为BDL其中，为气隙磁通；B为平均气隙磁通密度；L为定子铁芯长度。同步电机定子旋转磁势MMF，由分布在各定子槽中的定子电流产生。同步电机的电流密度可以表示为安培匝数J其中，C为每槽绕组导体数；的有效值。那么同步电机的电磁功率可以进一步推导为38D2NNFDN26060CPNINDPN为相数；N为每相串联匝数；I为相电流PM2DLNBJ2从式中可以看出，同步电机的功率PM由速度N、定子铁芯长度L、定子铁芯直径D、磁通密度J来决定。当电机的磁通密度B和电流密度J一定时，对于一定的转速，同步电机电磁功率正比于电机定子铁芯体积系数DL2PMDL由于同步电机的输出功率PM是电磁转矩ME与角速度的乘积，可以推出，无论电机转速和功率如何，电磁转矩ME正比于电机的铁芯体积系数DL22MEDL对于变频调速同步电机，在相同的磁密和电密条件下，电机重量和体积的大小取决于电机的输出转矩。但是对于相同的DL，电机可以有不同的设计选择，电机可以制成直径小而铁芯长的细长结构