75kw-4极变频调速同步电动机电磁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】

75KW4极变频调速同步电动机电磁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75KW4极变频调速同步电动机电磁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系专业班级电机电器062班学生姓名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75KW4极变频调速同步电动机电磁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电气工程及其自动化专业班级电机电器062班学生姓名起讫日期指导教师指导教师所在单位学院审核（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。外文资料原文及译文本科生毕业设计（论文）开题报告题目75KW4极变频调速同步电动机电磁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系专业电机电器及其控制班级电机电器06级2班学号6101106076姓名指导教师填表日期年日一、选题的依据及意义在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但成为人类生产和活动的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各种领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。电动机的用电量一般均占到各国工业用量的70左右，为其全部用电量的50左右，因此，电动机系统能效水平的提高将可节约大量的电能。美国1994年统计，仅在工业加工过程中电动机系统就消耗了6790亿KWH的电能。据统计，如采用目前已成熟的节能技术和产品，可节约1118的电能，也即每年可节约7501220KWH，同时每年相应可节约电费3658亿美元，并且由于电能的节约可大大减缓或减少对电站或发电设备的投资与建设。另外，目前的电力生产，大多数国家仍以火力发电为主，其生产过程中排出的CO2等气体构成地球温室气体的主要部分，对气候环境带来很大影响，英国测算其1995年电动机系统总用电量为1300亿KWH，为产生这些电能排放到空中的碳为2400万T，相当于英国该年所以能源生产所排放碳总量的17。根据1997年京都协定书，各国均要需减少温室气体的排放，欧盟在20082012年要比1990年排放水平降低8，其中英国需减少125。电动机系统能效水平的提高所带来的电能节约，可大大减少温室气体的排放。由于工业部门的用电量往往占据各国总发电量的相当大部分，所以不少国家政府对电机系统在工业部门中的用电情况颇为重视。美国能源部从1993年开始在工业部门中启动了“电动机挑战计划”。预计通过该计划，可使整个工业部门电动机系统的效率提高148，每年可节约电能850亿KWH，并相应地每年可减少2000万T的碳排放到大气中，由此可见，提高电动机的功率对工业部门具有重要意义。同步电动机的研究为满足这一要求提供了一条良好的发展方向。用同步电动机来拖动某些大功率并且本身没有调节速度要求的生产机械，比如空气压缩机、大型鼓风机、电动发电机组等，更为合适。这是因为，大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比较，同步电动机的功率因数高。在运行时，它不仅不使电网的功率因数降低，相反地，却能够改善电网的功率因数，这点是异步电动机做不到的，其次，对大功率低转速的电动机，同步电动机的体积比异步电动机要小些。随着半导体整流技术的发展，同步电动机可以不用直流励磁机励磁，而是用交流电流可控硅整流后励磁。有些同步电动机还采用旋转半导体整流励磁。这样就把转子上的集电环与电刷装置去掉了，对有些要求防爆的用户来说，是很安全的。要想让同步电动机应用更加广泛，就要利用到变频调速技术。变频调速技术是近年来电气传动方面的一个研究热点。其以优的调速和动静态性能、高效率、高功率因数、节能效果、广泛的应用普及范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途和发展最为迅速的技术之一。变频调速技术的发展与电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的高速发展是密切相关的。它将电子、自动控制、微电子、电机学等技术有机地结合在一起。现今，变频调速已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等工业。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）中国于1998年颁发了“节约能源法”，并从20世纪90年代后期开始，对若干重要用能产品规定了最低能效限值，鼓励节能产品的生产和应用，实施了节能产品的认证制度。电动机作为重要的用能产品也于本世纪列入了上述的节能认证计划。2002年1月正式颁发了“中小型的三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB186132002）”标准。改标准规定了两套电动机效率指标，一者为目前所产生的电动机的平均效率水平，后者比前者提高23个百分点，为节能电动机的效率水平。该标准的目的是通过最低效率限值的实施，淘汰目前冲击市场正常秩序的劣质耗能产品，逐步实现市场从一般效率电动机向最效率电动机的过渡，由于中国目前的电动机基本技术要求符合IEC标准，因此中国的电动能效标准以欧盟EUCEMEP的EFF2指标作为最低效率限值，以欧盟EUCEMEP的EFF1指标最为节能评价值。目前中国中小型电动机约有300多个系列，近1500个品种，随着中国经济的持续发展，近年来交流电动机的产量增长较快，尤其是2003年产量达到8920万KW，比2002年增长了262。目前国内生产的主要是Y系列三相异步电动机，年产量占电动机总产量的3/4。该系列产品时20世纪80年代初期开发的国内第一个符合IEC标准的系列产品，其功率范围为055250KW，机座号范围为80315在Y系列电动机的基础上，还开发了绕线转子型电动机，变极多速电动机、电动制动电动机等18个低生系列产品。90年代，为了进一步提高中国低压三相相步电动机在国际市场上的竞争能力，更好地满足国内外用户的需要，又组织开发完成了Y2系列三相异步电动机。该系列产品功能范围为012315KW，机座号范围为63355，形成了一个完整的低压三相异步电动机系列。本世纪初，为响应国家保护环境，淘汰热轧硅钢片，推广采用冷轧硅钢片的相关政策。根据冷轧硅钢片的特点，完成了采用冷轧硅钢片的Y3新系列三相相步电动机的开发，该系列产品的能效指标符合2002年1月颁发的“中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB186132002）”标准中的能效限定值。应该指出的是，这三个系列产品均为一般效率电动机。对于高效率电动机，目前国内生产的产品主要用于出口。随着中国经济的不断发展，能源供应日趋紧张，因此目前中国正在对上述电动机能效指标进行修订，拟在若干年后将能效限定值的指标提高到高效率电机的指标，以使能较多地节约电能。目前变频调速的主要方案有交交变频调速、交直交变频调速、同步电动机自控式变频调速、正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速、矢量控制变频调速和直接转矩控制等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。控制方法、控制策略的应用由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制。近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论（如自适应控制和滑模变结构控制）、智能控制（如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等）和无速度传感的高动态性能控制都是研究的热点。三、本课题研究内容本课题主要是研究设计75KW变频调速同步电动机及其控制系统。首先是变频器的设计，包括硬件电路的设计系统硬件框图设计硬件原理图设计程序结构设计主程序设计中断服务程序设计然后根据给定的功率，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Z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ADMIN2根AZMSNDN3根据槽满率，据公式确定每槽导体数SND,即确定电枢绕组的线规，即，D2ADSND。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5磁路计算6励磁绕组计算7温升计算最后是电动机控制系统的设计，包括1、主回路控制系统的设计2、励磁回路控制系统的设计四、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。方案二与方案一主要是通过增加材料耗用来提高效率的目的，方案三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主要特色进行发电机的电磁设计时，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。外文资料原文及译文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4AUTOCAD2004入门与提高张跃峰等编清华大学出版社5最新国内外电机设计制造新工艺新技术与检修及质量检测技术标准应用手册上徐刚银声音像出版社6变频器方案张培星北京北洋电子技术有限公司7相变频调速同步电动机设计彭兵沈阳工业大学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NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目75KW4极变频调速同步电动机电磁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系专业电气工程及其自动化（电机电器方向）班级电机电器062班学号6101106076学生姓名指导教师起讫日期2008313200868摘要75KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计专业电气工程及其自动化学号6101106076学生姓名闫永佳指导教师黄劭刚摘要同步电机用作电动机具有很多优点，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数提高到10，甚至超前。但是，由于同步电动机启动费事、重载时有振荡乃至失步的危险，一般工业设备很少采用同步电动机拖动。自从电力电子变压变频技术开发出来并获得广泛应用以后，情况就大不相同了，采用电压频率协调控制，同步电动机便和异步电动机一样成为调速电机家族的一员，原来由于供电电源频率固定不变而阻碍同步电动机广泛应用的问题都已迎刃而解。本文在前人的研究基础上，介绍了三相同步电动机机的设计要点，并对变频调速系统的设计做了尝试。关键词同步电动机；电机设计；变频调速系统IABSTRACT75KW4POLESYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICFREQUENCYCONTROLSCHEMEANDCONTROLSYSTEMABSTRACTSYNCHRONOUSMOTORUSEDASAMOTORHASMANYADVANTAGES,ASLONGASTHEPOWERSUPPLYTOMAINTAINCONSTANTFREQUENCY,SYNCHRONOUSMOTORSPEEDISABSOLUTELYUNCHANGEDINADDITION,THESYNCHRONOUSMOTORANDAPROMINENTADVANTAGEISTHATWECANCONTROLTHEEXCITATIONTOADJUSTITSPOWERFACTOR,POWERFACTORCANINCREASETO10,OREVENAHEADHOWEVER,BECAUSESYNCHRONOUSMOTORSTARTINGTROUBLE,HEAVYSTEPANDEVENWHENTHERISKOFOSCILLATION,GENERALINDUSTRIALEQUIPMENTRARELYUSEDINSYNCHRONOUSMOTORDRAGSINCETHEFREQUENCYOFPOWERELECTRONICTRANSFORMERTECHNOLOGYDEVELOPEDANDWIDELYAPPLIEDLATER,THESITUATIONISQUITEDIFFERENT,WITHVOLTAGEFREQUENCYCOORDINATIONCONTROL,SYNCHRONOUSMOTORSANDINDUCTIONMOTORSWILLBEVARIABLESPEEDMOTORSASAMEMBEROFTHEFAMILY,THEORIGINALPOWERSUPPLYBECAUSEFIXEDFREQUENCYSYNCHRONOUSMOTORHINDEREDWIDERAPPLICATIONOFTHEPROBLEMSHAVEBEENSOLVEDINTHISPAPER,BASEDONPREVIOUSSTUDIES,INTRODUCEDTHETHREEPHASESYNCHRONOUSMOTORMACHINEDESIGNFEATURES,ANDFREQUENCYCONTROLSYSTEMDESIGNWERETRIEDKEYWORDSYNCHRONOUSMOTOR,MOTORDESIGN,VARIABLESPEEDSYSTEMII目录目录摘要IABSTRACTII第一章同步电机概论111同步电机的基本特点112同步电机的基本类型113同步电机的基本结构214同步电机主要用途415基本技术要求4第二章同步电动机的工作特性721同步电动机的工作原理722凸极同步电动机工作特性及分析823同步电动机的功率平衡关系10第三章电机设计基本方法1131总体设计过程1132电磁设计11第四章电磁设计方案计算1441设计要求1442方案计算14第五章电磁设计结果分析4051复算程序4052方案结果比较与分析4053心得与总结42第六章同步电动机变频调速系统设计4361同步调速系统类型4362变频调速系统的基本控制类型4363同步电动机矢量控制系统44第七章AUTOCAD2004绘图4971AUTOCAD简介4972画定子冲片图4973画转子冲片图5074画绕组图51III目录参考文献54总结55致谢56IV第一章同步电机概论第一章同步电机概论同步电机和异步电机一样是一种常用的交流电机。同步电机的特点是稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系NNS60F/P，NS称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机。现代发电厂中的交流机以同步发电机为主，而随着变频调速技术的成熟运用，同步电动机也越来越广泛的应用于各种电力拖动领域。11同步电机的基本特点同步电机最突出的特点就是如果电网的频率不变，稳态时的转速恒为常数且与负载的大小无关。同步电机一般把电枢绕组放置在定子上，把磁极放置在转子上，励磁绕组套在磁极上。它的主要运行方式有三种，即同步发电机、同步电动机及同步补偿机。以同步发电机方式运行时，励磁绕组中通入直流电流，电机内产生磁场，由原动机拖动电机的转子旋转，磁场与定子导体之间有了相对运动，在定子绕组中就会感应交流电动势。当同步发电机的转速一定时，它发出的交流电动势也是是固定的，这是因为，交流电动势的频率F决定于极数P和转子的转速N，即FPN/60。以同步电动机方式运行时，在电机的电子绕组上加三相交流电，电机里将产生旋转磁场。转子的励磁绕组通入直流电后，转子相当于磁铁。于是旋转磁场带动磁铁转动，速度为N60F/P。由此可见，当极数一定时，同步电机的频率与转速有严格的关系。变频调速技术的运用使得同步电动机的速度可调，再加上同步电动机的功率因数可调，使得同步电动机成为同步电机的一种重要的运行方式。以同步补偿机方式运行时，实际上是一台接在交流电网上空载运行的同步电动机。这时电机不带任何机械负载，依靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，可以改善电网功率因数或者调节电网电压，满足电网对无功功率的要求。12同步电机的基本类型同步电机的系列、品种、规格很多，可以按用途、结构特点、通风方式、冷却方式、发电机的原动机、电动机的负载等分类。按用途来分，有发电机、电动机、补偿机。按结构特点分，有旋转电枢式和旋转磁极式；在旋转磁极式中，有凸极式的和隐极式的；有立式的和卧式。1第一章同步电机概论按通风方式分，有开启式、防护式、封闭式。按发电机的原动机来分，有汽轮发电机、水轮发电机和其他原动机带动的发电机（如柴油机等）。图11汽轮发电机图12水轮发电机按电动机带动的负载分，有均匀负载、交变负载和冲击负载的电动机。同步电机用作发电机时，是应用最广泛的。据统计，现代社会使用的交流电能99由同步发电机产生。同步电机用作电动机时，效率高且功率因数可调；而异步电机运行时必须从电网吸收无功励磁功率，使电网功率因数变坏。因此，驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。同步电机用作补偿机时，能向电网发出感性无功功率，满足电网对无功功率的要求。13同步电机的基本结构按照结构形式分类，同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。2第一章同步电机概论图13旋转电枢式同步电机图14旋转磁极式同步电机实际应用中，需通过滑环将电功率自转子导入或导出。由于同步电机的电枢功率很大，电压很高，所以不容易通过滑环导入或导出。由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电较容易实现。因此旋转电枢式电机只适用于小容量的同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。同步电机的基本结构和直流电机以及异步电机相同，都是由定子和转子两部分组成。定子部分由铁心、电枢绕组、机座及端盖等结构部件组成。定子铁心是构成磁路的部件，通常采用硅钢片叠装而成，可减少磁滞和涡流损耗。定子冲片一般分段叠装，每段之间有通风槽片，构成径向通风。大型同步电机因为尺寸太大，硅钢片常做成扇形冲片，然后组装成圆形。电枢绕组为三相对称交流绕组，一般多为双层绕组，嵌装在定子槽内。定子机座是支承部件，作用为安放定子铁心和电枢绕组，并且构成所需的通风路径，因此它要有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座大都采用钢板焊接3第一章同步电机