40kw-6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】

40KW6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40KW6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班级学号6101106075学生姓名指导教师起讫日期摘要本科生毕业论文任务书文理科专业适用题目40KW6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南昌大学学院审核（签名）审核日期2摘要二0一0年制说明1毕业论文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，并作为毕业论文工作检查的主要依据。进度表中的周次是指实际的毕业论文进程中的周次。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本任务书在毕业论文完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业论文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。3本科生毕业设计（论文）开题报告题目40KW6级变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计学院信工学院系自动化系专业电机电器班级062学号6101106075姓名指导教师填表日期一、选题的依据及意义在现代社会中，通过使用汽油，柴油，煤油等石油的提炼产品的一次能源获得动能的模式会对环境造成严重的污染。随着环境污染的日趋严重与人类对高品质环境的要求日趋加剧的矛盾日趋激化，这种获得动能的模式最终会被完全的取代。人类对新的获得动能的模式的需求将会更加迫切。大家都知道，电能是一种无污染，高效，清洁的能源。所以电能将被开发成为现代社会最主要的能源之一是一种趋势。伴随着电能的日趋普及以及在国民生产中日趋重要的地位，电能的生产、输送和使用等将日益被人们重视并伴随着着技术的发展，而在电能的生产、输送、使用等方面，电机起着重要的作用。电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。电动机将电能转换成为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。机械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、化学工业及其他各种矿企业中，广泛地应用各种电动机。例如，在交通运输中，铁道机车和城市电车是由牵引电机拖动的；在航运和航空中，使用船舶电机和航空电机；在农业生产方面，电力排灌设备、打谷机、榨油机等都是由电动机带动的；在国防、文教、医疗及日常生活中，也广泛应用各种小功率电机和微型电机。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中同样有广泛的用途。大家应该都知道，电动机的转动是靠电能。虽然现在主要是使用异步电动机，但是同步电动机具有启动转矩大，效率高，转速稳定，电磁性能良好高等优点。所以我断言，同步电动机取代异步电动机成为国民生产中主要的动力来源是一种趋势。可见研究同步电动机具有重要的意义。主要有提高电动机的效率、减少能源的使用，减少CO2的排放量，减少电动机所用材料等等，总之，对国民经济的发展具有重要的作用。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）电机的发明简历电机的历史可追溯到1831年迈克尔法拉第发明的盘式电机，这是一种真正的直流电机。此后，人们对电机的兴趣一直停留在实验室阶段和好奇的状态。知道19世纪70年代，托马斯爱迪生为实现真正意义上的电功率分配，以便使电灯进入千家万户，开始了商业目的直流发电机的研究。在此项工作中，爱迪生提出将电能从集中的发电站输出，然后对用户进行分配这个全新概念。他作为领路人，倡导广泛地运用电动机，并引用电网的基本框架这一概念。电机历史上主要的里程碑是，1888年尼古拉特斯拉发明了三相感应电动机兵申请了专利。特斯拉的交流电的理论领先于查理斯施泰因梅茨十来年，1900年可靠地卷铁芯式变压器问世，从而开创了长距离输电的新纪元。当时，美国为完成电气化的进程又花了30年的时间，而且直至20世纪30年代，美国的农村配电系统还没有完成。但是无论如何，在此期间美国的电气化进程进展还是相当顺利的。电机的推广应用，仅仅跟随着电网扩张的脚步。尽管今天应用的电机学的理论课追溯到100年以前，但是其更新和提高的脚步从来没有停止过。更好的铁磁和绝缘材料的不断研制，使功率密度比早起电机的功率密度高出一个数量级。大容量电机的制造技术，降低了电机的制造成本，因而为其更广泛的应用打开了大门。可靠地高功率等级的开关装置，以及近几十年来由于“固态革命”产生的微处理机，使电气拖动领域的控制水平大大提高。所有这一切，都是能量的利用与控制能力的提高从而不断地促进人类生活方式的进步。变频调速技术变频调速技术的发展回顾随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。从20世纪60年代后期开始，电力电子器件经历了从SCR晶闸管、GTO门极可关断晶闸管到今天的IGBT绝缘栅双极型晶体管、HVIGBT耐高压绝缘栅双极型晶闸管的转变过程。与此同时，变频调速控制技术也发生了由VVVF变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。20世纪70年代，脉宽调制变压变频PWMVVVF调速的研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。欧、美、日等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此，人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的实现方法为将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流IA、IB、IC通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流IA1、IB1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流IM1、IT1。其中IM1相当于直流电动机的励磁电流；IT1相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1985年，德国鲁尔大学的DEPENBROCK教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制方法的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为L，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。变频调速基本原理三相异步电动机的转速公式为NN11S60F1S/P1式中N电机的转速，R/MINN1同步转速，R/MINP磁极对数S转差率，F频率，HZ由转速公式（1）可知,我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽10100和精度高等性能，节电效果2030。实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即UEC1F（2）式（2）中，C1为常数，因此有E/FU/F（3）若外加电压不变，则磁通随频率而改变，如频率F下降，磁通会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速VVVF，简称变频调速。从结构上看，静止变频调速装置可分为交直交变频、交交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率F,就可以十分方便地改变电机的转速N,比改变极对数P和转差率S两个参数简单得多。特别是近二十多年来,静态电力变频调速器突飞猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。变频器的构成异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器MCU/DSP等部分组成。变频调速技术在家电中的应用通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻分相。电机在工作时常处于短时重复状态开/停，如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。变频技术的发展促进了家用电器的变频化，变频家用电器具有省电节能、舒适、寿命长、安全可靠、静音化等优点。20世纪70年代，在欧美等发达国家率先将变频技术应用到空调、微波炉、电冰箱、洗衣机等家电产品中，从而给家电产业带来了一场新的革命。首先是空调，空调器应用变频技术后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果相对于异步电动机变频又提高了约1015。为进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWMPAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/F为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWM控制时有较大幅度的提高。其次是电冰箱，由于它处于全天工作，功耗及噪声问题严重。采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。目前，日本中高档冰箱中95以上采用了变频技术，欧美等发达国家也在大力推广普及变频冰箱。但在国内市场，由于技术和成本原因使变频冰箱迟迟无法大批量生产和在市场推广。海尔在1998年开发出国内第一台变频冰箱后，经过几年的不懈努力，依靠整合全球化资源，与日本三洋株式会社合作，在中国投产建立了最新一代的三相直流变频压缩机工厂，由此改写了国内企业进口变频压缩机的历史，也使变频冰箱可低成本大批量生产，使变频冰箱更加贴近于寻常百姓。2004年，一款208L的变频冰箱日耗电只有029度，上市几个月便占据了全国3500元以上高档冰箱最畅销前5个型号中的2个席位，得到广大用户的一致认可。变频洗衣机变频波轮式洗衣机于20世纪90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本研制的变频滚筒式洗衣机也已经大量进入市场。变频洗衣机具有三大特点一是提高了洗涤效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动，同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为4050，而直流变频洗衣机的效率可达到80以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声及脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ESA80E型变频洗衣机，其洗涤噪声仅为28DB，脱水噪声为40DB，脱水振动减少一半，与8年前该公司的ESB55机型（耗电260WH）相比，现在的ESA80E机型耗电85WH的耗电约为老机型的1/3。无锡小天鹅公司是我国最早开发变频洗衣机的厂家。该公司生产的“变频王”洗衣机，采用先进的无刷直流变频电机进行变频调速控制，洗涤转速和节拍可同时改变，速度控制灵活，可洗涤从丝绸到牛仔不同质地的所有衣物，根据衣物质地选择不同脱水转速，从而达到高洗净、低磨损、免缠绕的效果。其低噪声和高效节能表现在平均脱水噪声在59DBA以下，比普通洗衣机下降10DBA。特设的静声程序，噪声在55DBA以下。直流变频电机寿命比传统的感应电机延长200，而能耗降低50。另外，变频技术也被应用到电磁炉、电饭煲等其他家电以及照明系统中，成为家电业的一个崭新的亮点。目前，我国制造的变频家电大多数都是交流变频产品。如变频空调，2004年度中国空调市场总结报告显示，2004年变频空调产品的总销量达到了195万台左右，总体市场占有率达到了793，比去年微幅上升了近16个百分点。有业内人士预计，今年变频空调的市场占有率将达到20。变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。另外，变频技术应用中带来的谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题也必将得到逐步解决。我国电机的现状及发展20世纪40年代以前，我国电机制造行业极端落后。中华人民共和国成立后，电机工业才获得迅速的发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。50年代以仿制国外产品为主，60年代起即走上自行设计的道路；50年代初只能生产一般中小型电机，不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机，但与发达国家还具有很大的差距。电机行业是一个传统的行业。经过200多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。作为劳动密集型产业，我国发展电机制造业有着得天独厚的优势。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。统计数据显示，2008年上半年，全行业实现工业总产值1805亿元，同比增长197。累计产量6805万千瓦，同比增长111。在总产量中，大中型电机产量为28787万千瓦，增速减缓35个百分点；小型交流电机产量为32248万千瓦，同比增长56，增速同比减缓88个百分点；直流电机产量2842万千瓦，同比降低209，增速同比减缓217个百分点。上半年全行业实现销售收入1785亿元，同比增长177。2008年以来，虽然我国经受了全球经济危机的影响，部分产业产值呈下降趋势。但是电机企业产量突飞猛进。其主要原因是，企业积极实施国家节能政策，风电生产项目的效果显著。小型交流电机同比小幅增长，大中型电机增势明显，这与国家经济快速增长拉动有关；直流电机产量同比降幅加大，主要是用户如轧钢机行业的需求量减少。随着交流变频器电机技术的发展，依靠性价比优势，替代部分直流电机，使直流电机市场萎缩。例如，以起重冶金、中型高压大功率变频调速特种电机为发展核心的江特电机有限公司，预计到2009年公司产能将由目前的120万千瓦增加至255万千瓦。随着科学技术以及经济的发展，电机制造工业也将发生很大的变化，下面就对其作简要介绍。（一）产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高。随着经济的发展，用电量的增加和设备所需要的动力增大等因素的影响，单机容量将迅速增大，这样才能更好地为经济作出贡献，两者相辅相成，互相促进对方的发展。由于不同的电机具有不同的功能及其优势，为了更好地利用各种电机的优势，就必须生产出不同的电机，在不同的领域使用不同的电机，从而提高能量的利用，减少浪费，同时也将有利于环境保护。（二）积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺。在采用新技术方面，首先应用电子计算机来进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。其他像感应电机的单绕组多速绕组和三角形Y混合联接绕组，同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极，直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢以及双冷水技术。在绝缘材料方面，目前在电机生产中，主要采用E、B两级，F、H级仅在要求较高或特殊用途的电机上应用，但前者正积极地分别向B、F级过渡。随着材料领域方面的发展，好的材料也将越来越多，价格也将越来越便宜，电机使用的材料也将越来越好，性能也随之变好。在工艺水平和机械化、自动化程度方面，小型电机的基座与转轴加工、静电喷漆、总装试验等自动线均已采用；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敷、基座射压造型等新工艺的应用，也都使工效大大提高，电机质量进一步改善。（三）标准化、系列化和通用化程度不断提高在电机零部件和安装尺寸、基座号的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作，形成了自己的体系，还只定了许多国际电工委员会的标准。（四）积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究近年来，世界各国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导体技术在电机中的应用等方面开展了一系列研究，取得不少的成果。此外，还对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电方面进行了一系列试验研究工作。三、本课题研究内容本课题主要是研究设计40KW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发电机的主要规格，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确定每槽导体数SND,即SND绕组的线规，即，AD2根据公式MINAZM3根据槽满率，确定电枢ND2AD。再次，确定电机铁心的长度。SND1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磁场波形的确定4电枢铁心及电枢绕组的确定5磁路计算6稳态电抗计算7短路比计算8励磁绕组计算9短路电流，过载能力及暂态电抗计算10谐波绕组的计算11额定负载时的损耗及效率计算12主要材料重的计算13温升计算三、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。四、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，运行可靠的发电机。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发电机，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、上海电器科学研究所中小型电机手册编写组中小型电机设计手册北京机械工业出版社，19942、电机工程手册北京机械工业出版社，19963、李发海朱东起编著电机学（第三版）北京科学出版社20014、陈世坤主编电机设计北京机械工业出版社，20005、电机学戴文进徐龙权主编清华大学出版社2008年2月。6、电机设计西安交通大学陈世坤主编机械工业出版社2008年3月。7、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社2008年8、交流电机变频调速及其应用张承慧崔纳新李珂主编机械工业出版社2008年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密级NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目40KW6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摘要40KW6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6101106075学生姓名徐健指导老师黄劭刚摘要本文对同步电动机的电磁设计以及变频调速控制系统两个方面进行了详细的介绍并且对同步电机进行了详细的设计。首先本文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、工作特性等。这些都是为电机设计的做准备的。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。本课题研究了三个方案，通过表格相互对比，最后得出结果分析。除此之外，还简单介绍了AUTOCAD绘图的内容，这些都是电机设计中所要涉及的。然后对同步电机变频调速控制系统进行了详细的介绍。关键词同步电动机；电机；电机设计；CAD；变频调速；控制系统ABSTRACTTHEELECTROMAGNETICSCHEMEANDCONTROLSYSTEMDESIGNOF40KW6EXTREMELYFREQUENCYCONVERSIONSYNCHRONOUSMOTORABSTRACTBASEDONTHEELECTROMAGNETICDESIGNANDSYNCHRONOUSMOTORINVERTERCONTROLSYSTEMONTHEDETAILEDINTRODUCTIONOFSYNCHRONOUSMOTORANDTHEDETAILEDDESIGN。FIRSTTHISPAPERBRIEFLYINTRODUCEDTHEBASICCHARACTERISTICSOFSYNCHRONOUSMOTOR,TYPE,USAGE,STRUCTURE,TECHNICALINDICATORS,SUCHASCHARACTERISTICSOFTHEWORKTHESEAREDESIGNEDFORMOTORPREPARATIONELECTRICALDESIGNISACOMPLEXPROCESSTHATREQUIRESCONSIDERATIONOFFACTORSTODETERMINETHESIZEANDALOTOFDATATHEREFORE,WEMUSTCOMPLETEACOMPREHENSIVELOOKATTHEISSUEANDTOLOCALCONDITIONS,DIFFERENTSITUATIONSPECIFICSOLUTIONSTHETHREERESEARCHPROGRAMMES,THROUGHTHEFORMOFMUTUALCOMPARISON,THERESULTSOFTHEFINALANALYSISINADDITION,ABRIEFACCOUNTOFTHECONTENTSOFTHEAUTOCADDRAWINGS,WHICHAREINTHEELECTRICALDESIGNTOBEINVOLVEDINTHENFORSYNCHRONOUSMOTORINVERTERCONTROLSYSTEMAREINTRODUCED。KEYWORDSSYNCHRONOUS；GENERATOR；MOTOR；MOTOR；DESIGN；CADFREQUENCYCONVERSION；THECONTROLSYST绪论三相同步电动机的设计40KW6P绪论电能是能量的一种形式。与各种形式的能量相比，电能具有许多明显的优越性，电能能大量生产，集中管理，远距离传输和自动控制。随着社会的发展，人类对电能的需求在急剧上升，电能将会成为人类社会进步的动力。电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置。电机在电力工业，工矿企业，农业，交通运输业，国防，科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。本文对同步电动机进行了详细的设计并且对变频调速控制系统进行了简单的介绍。电机设计是个复杂的过程，需要确定的尺寸和数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾。因此设计人员必须全面的、综合的看问题，并能因时因地制宜，针对具体情况采取不同的解决办法。比如当采取措施改善某个性能时，常会使其他一些性能指标变差；又如在设计电机时，如果片面追求体积小和材料省，就容易导致电机性能降低，特别是效率降低，加工工时增加，而使运行费用或制造成本上升，并造成能量浪费。因此，必须全面照顾，最后得到一个既省材又提高性能的综合方案。此外，对三相同步发电机的设计要点，以及相关的设计问题也做了分析和探讨。然后在本文的最后一章对变频调速控制系统进行了较为详细的介绍。第一章同步电机概述第一章同步电机概论同步电机是一种交流电机。同步电机包括同步发电机、同步电动机和同步调相机，其运行时的转速与所接电网频率之比是恒定关系。同步电动机具备许多优点，在生产生活中得到了广泛的应用。11同步电机的基本特点同步电机一般在定子上放置电枢绕组，转子上放置磁极，并且励磁绕组放置在转子上。当同步机作为发电机运行时，在励磁绕组里通入直流电，形成磁极固定的磁场，再由原动机拖动同步机的转子旋转，从而产生一个旋转磁场。旋转磁场与电枢绕组之间形成相对运动，使得静止的电枢绕组切割磁场，从而在电枢绕组中形成交流电动势。交流电动势的频率F与极对数P和转子的转速N满足FPN的关系并且保持严格不变。当同步机作为电动机运行时，在定子绕组（电60枢绕组）里通入三相交流电流，使得电机中产生一个旋转的磁场。而在转子的励磁绕组中通入直流电流，励磁绕组此时就相当于一个磁极固定的磁铁，于是在旋转磁场的带动下，磁铁转动。其转速为N60F。（保持严格的这种关系）。P根据公式N60F可知，同步电机无论是作为发电机还是电动机，当极数一定时，P转速N和频率F之间保持严格的关系，所以这种电机被称为同步电机。我国的电力系统规定交流电流的频率为50HZ。因此，我国的同步电机的转速只有3000R/MIN,1500R/MIN,1000R/MIN,（根据P的取值不同）依次类推这几种规格。12同步电机的基本类型和特点同步电机按用途分有发电机、电动机和调相机；按放置方式来分有立式和卧式；按结构分有隐级式和凸级式；还有按通风方式来分的有开启式、防护式、封闭式；按发电机的原动力来分，有汽轮电机、水轮电机和其他原动力的发电机；按冷却方式分又有空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却。同步机主要由定子、转子以及滑环、电刷装置等部件组成。其定子铁心和绕组结构与感应电机的相同。当转速较低时，同步机的极数也较多。同步机与异步机主要的区别在于转子的结构上。第一章同步电机概述同步电机的转子由转子铁心、励磁绕组、和转轴、滑环等构成。同步电机的转子就是其主磁极，由转子铁心和励磁绕组共同构成。当在同步电机的转子中（励磁绕组）通入直流励磁电流就能形成一个磁极固定的磁场这就是主磁极磁场。当同步机的旋转部件是主磁极时，我们称这种结构为旋转磁极式结构。按照转子磁极的形状的不同，同步机可分为隐极式和凸极式两种转子。凸极式转子因由明显突出的主磁极而得名。其气隙是不均匀的磁极下面的气隙小，两磁极之间的气隙大。所以其气隙磁场波形不够好，为了改善这一状况，磁极圆弧的圆心常与定子内圆偏心，一般取极尖处的气隙长度为主磁极轴线处气息长度的15倍左右。励磁绕组为集中式绕组，装在主磁极的极身上。通常在凸极式转子主磁极极靴表面上开槽，并且放置笼型阻尼绕组（或称作启动绕组）来获得起动转矩和改善动态性能。凸极式转子的机械强度较差，只适合于转速低，离心力小的场合（一般在1000R/MIN及以下）。由于同步电机大多数转速较低，所以，同步机基本上为凸极式结构。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很好，一般运用于转速高，离心力大的场合但由于转子受离心力的影响，故对其直径有一定的限制，转子直径必须小于15M。增大电机容量，只得增加转子长度，因此转子成细长圆柱形。在我国，段同步电机主要是用来做为发电机使用，由于我国能源主要是以煤炭为主，所以汽轮发电机占据了主导地位。汽轮机转速高，所以各大大型发电机厂主要生产隐级式汽轮发电机。随着这几年对环境保护的提高以及可持续发展战略的实施，水轮发电机也越来越多的被应用在发电行业中。而同步电动机由于不能自行启动，所以在小功率电机中未能得到广泛的使用，但是同步机具有许多直流机和异步机没有的优点，如高启动转矩，运行稳定性好等优点，所以同步电机必然会越来越广泛的应用到生产生活中来。13主要结构部件同步电动机主要结构包括转子和定子两个基本部分组成。基本类型中就是指转子的结构形式。类型有A凸级式同步电动机结构和加工工艺都比较简单，性能比隐级式同步机差。B隐级式同步电动机结构均匀，气隙均匀，没有明显的磁极，加工工艺复杂。以下是主要部件的介绍第一章同步电机概述和异步机一样，同步机也是由转子与定子构成。在定子上有安装有三相交流绕组，通入三相交流电流产生旋转磁场；转子上安装有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。下面就详细的介绍同步电动机的转子与定子并附原理图第一章同步电机概述定子同步电机的定子也就是同步电机的电枢，是由定子铁芯、电枢绕组（三相）、端盖和机座等部件所构成。同步电机的定子铁芯是由一片片的硅钢片（厚度为05MM）经过冲制后叠装而成的。当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，所以一般是由几篇扇形硅钢片拼成一个完整的圆，然后再叠装而成（左边为定子拼片）根据定转子之间的气隙情况可以将转子分为隐极式转子和凸极式转子。如下图所示第一章同步电机概述（A为凸极式，B为隐极式）1）凸极式由上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式转子为圆柱形，气隙分布均匀。区别对于高速旋转的同步电机，由于转速高，离心力大，所以在转子结构上，我们采用机械结构强度大的隐极式结构。对于低速旋转的同步电机，由于转子的转速低，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。14基本技术要求同步电机的额定值（1）额定容量SN额定容量是指在铭牌规定运动条件下电机线端的视在功率，一般以KVA为单位。（2）额定功率PN额定功率是指发电机在额定运行时出线端输出的有功功率，或指电动机在额定运行时轴上输出的有效机械功率，一般以KW或MW为单位。对于同步调相机，则用线端的额定无功功率来表示其容量，以KVAR或MKVR为单位。（3）额定电压UN第一章同步电机概述额定电压是指电机额定运行时，定子绕组出线端的线电压有效值，单位为V或KV（4）额定频率FN额定频率是额定运行时定子电枢绕组电气量的频率，我国的标准频率为50HZ（5）额定电流IN额定电流是指额定运行时，定子绕组线电流的有效值，单位为A。（6）额定功率因素COSN额定功率因素是额定运行时定子绕组侧的功率因素。（7）额定功率N发电机的额定效率是指额定运行时定子绕组输出的电功率（额定功率）与转轴输入的机械功率（额定输入功率）的比值。电动机的额定效率是额定运行时转轴输出的机械功率（额定功率）与定子绕组输入的电功率（额定输入功率）的比值。PNINCOSN（发电机）N（电动机）PNNINCOSNN（8）额定转速NN额定转速是同步电机额定运行时的转速，是与额定频率相对应的转速，单位为R/MIN、第一章同步电机概述（9）额定励磁电流IFN和额定励磁电压UFN额定励磁电流IFN和额定励磁电压UFN是指同步电机在额定运行条件下，转子励磁绕组外施的直流电流和直流励磁电压。第一章同步电机概述第二章同步电机的工作特性21同步电机的运行原理和异步电机一样，同步电机也主要是由定子、转子这两部分构成。定子和转子之间是空气隙（气隙）。同步电动机空载运行时，电枢绕组中电流很小，可认为没有电流，所以产生的电枢磁场也小，这是电机的气隙磁场是由励磁磁动势建立的。但当同步电动机带负载运行时，电枢绕组中将流过三相对称的负载电流，因而将产生与转子磁极同步旋转的电枢磁动势。这时气隙磁场是由励磁磁动势与电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势将对主磁场产生影响。电枢磁动势的基波对主磁场的影响称作电枢反应。电枢反应将会使气隙磁场波形产生畸变（使气隙磁场不再以主磁极轴线为对称），同时还会产生去磁或增磁的作用，因此电枢反应将对同步电机的运行性能产生影响。电枢磁动势作用在Q轴（交轴）上叫做交轴电枢反应，电枢磁动势作用在D轴（直轴）上叫做直轴电枢反应。但是一般情况下电枢磁动势既不作用在直轴上也不作用在交轴上。这时可以将电枢磁动势FA分解成两个分量（FAFADFAQ），其中交轴分量FAQ将产生交轴反应，直轴分量FAD将产生直轴分量。直轴电枢反应会去磁或助磁，而交轴电枢反应会使气隙磁场波形产生畸变。第一章同步电机概述22同步电动机的电动势方程式和向量图当采用发电机的正方向惯例来表达同步电动机的电动势方程式和相量图时，900，0。表示电动机向电网输出的有功功率为负值。这种表示方法很不方便，因此重新假定同步电动机各个物理量的正方向。在同步电动机中，电流I假定的正方向与发电机的相反，如图22所示。端电压U假设为外施电压，I为此电压所产生的输入电流（与发电机的正方向相反），E为反电动势。这样由滞后U一个钝角变为超前U一个锐角，从而使COS，输入电功率MUICOS，以及电磁功率均变为正值。因此同步电动机的电动势方程式变为UE0IRAJIXTEIRAJIX对突极同步电动机，则为UE0IRAJIDXDJIQXQ相应的向量图为图22（A）和图23（A）第一章同步电机概述（B）图22隐极同步电动机的向量图和等效电路图图23突极同步电动机的向量图23功角特性和功率平衡方程在同步发电机的功角特性公式中，功率角定义为E0超前于U的角度。如用于电动机则功率角和电磁功率PEM均为负值，这种表示方法不方便。所以，对于电动机重新定义为U超前于E0的角度，从而第一章同步电机概述电磁功率为正值，表示电动机从电网吸收电功率转化成机械功率。这样一来，功率特性的表达式便为E0UU211PEMMSINM）SIN2XD2XQXD上式除以转子角速度1后，得到电动机的驱动电磁转矩，于是有E0UMU211TMSIN）SIN21XD21XQXD同步电动机正常运行时，由电网输入的电功率P1，出了很小一部分消耗了定子铜耗PCU1外，大部分通过定、转子磁场的相互作用而转换为电磁功率PEM，即为转子的总功率，即P1PCU1PEM扣除定子铁芯损耗PFE、机械损耗PMEC和附加损耗PAD后，即为输的机械功率P2，故PEMPFEPMECPADP224无功功率的调节和V形曲线与同步发电机相似，当同步电动机输出功率P2一定时，调节其励磁电流IF即可改变电动机的无功功率。忽略电枢电阻和磁路不饱和的隐极电机为例分析。当输出功率不变时P2，如果不记改变励磁对定子铁耗和附加损耗的影响（很小），则可认为电磁功率也保持不变，故有PEMM即E0USINTMUICOS常数XT第一章同步电机概述E0SIN常数，ICOS常数于是由图24的电动势向量图可见，当输出功率恒定而改变励磁电流时，E0端点的轨迹为一条鱼与U平行的垂直线AB，I端点的轨迹为一条与U垂直的水平线CD。“正常”励磁时，电动机的COS1，电枢电“流全部为有功电流，其数量最小；当“欠磁”时，E0E0，为保证气隙磁通值金丝不变，除有功电流外，还要出现起增磁作用的滞后的无功电流分量（从发电机惯例看，仍为超前的无功电流）。当“过励”时，E0E0，电枢电流中将包含一个超前的无功电流分量，起去磁作用。由以上分析可知，同步电动在恒定功率下改变励磁电流时，曲线IF（IF）仍为一条V形曲线。图25表示四个不同电磁功率的V形曲线。其中，PEM0的那条曲线对应于同步调相机的运行状态。图24恒功率、变励磁时隐极同步电动机的向量图第一章同步电机概述图25同步电动机V形曲线由于同步电动机的最大电磁功率PEM，MAX与E0成正比，当减小励磁电流时，则对应的功率角增大，而过载能力则要降低。因此，当励磁电流减到一定的数值，角就增大到900，同步电动机就不能稳定运行而失去同步。图25中的虚线表示了电动机进入不稳定的界限。改变励磁电流可以调节同步电动机的功率因数，这是同步电动机最宝贵的优点。因为电网上的主要负载是从电网吸取滞后的无功电流的变压器、感应电动机、以及其他感性负载，而同步电动机在过励的情况下却能从电网吸取超前的无功电流，这样就可以提高电网的功率因数。因此，从改变电网的功率因数和提高同步电动机本身的过载能力来考虑，现代同步电动机的额定功率因数一般都设计在108（超前），通常都工作在过励状态。第一章同步电机概述第三章同步电机变频调速控制系统31同步电动机的矢量控制与转矩控制简介一矢量控制理论简介70年代西门子工程师FBLASCHKE首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量励磁电流和产生转矩的电流分量转矩电流分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在SIEMENS，AB，GE，FUJI等国际化大公司变频器上。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匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在第一章同步电机概述驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制二直接转矩控制简介在80年代中期，德国学者DEPENBROCK教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（BANDBAND控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。第一章同步电机概述32同步电机坐标变换本章将对同步电机的矢量控制进行分析。同步电动机的控制离不开坐标变换，下面就对同步电机的坐标变化进行分析。1、FC、BC、0与DC、QC、0坐标系统坐标轴在空间并且以同步转速旋转的左边系统。2、F、B、0与D、Q、0坐标系统坐标轴放在转子上并且随着转子一起旋转的坐标系统。3、0与A、B、C以及1、2、0坐标系统坐标轴放在定子上并且保持静止的坐标系统。4、纵轴及横轴（D、Q）坐标坐标轴以给定的转速旋转的左边系统。还有其他一些坐标系统，这里不一一列出。每个坐标系统都有各自的优点和缺点，所以要根据具体的情况选择合适的坐标系统以分析系问题的过程尽量简单。同一问题可以用数种方法求的解答，但其中某些方法用起来较为方便简捷或所得的结果较为精确，而另一些方法则较为繁琐或所得的结果不够准确。同样，同一方法在某些情况下应用起来很容易得出结果，而在另一些情况下应用时就较为复杂。因此研究者应该掌握各种