30kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计

本科生毕业设计任务书（工科及部分理科专业适用）题目30KW4极变频调速同步电动机的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与自动化工程系专业班级电机电器06级1班学生姓名王徽学号6101106024起讫日期20103242008613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A分析同步电动机的工作特性B阐述同步电动机的设计理论C进行30KW4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计，给出三套电磁设计方案D三套电磁方案的比较分析E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30KW额定电压400VNPNU相数三相Y接法额定功率因数095额定转速1500R/MIN额定频率50HZNNNF效率898定子槽满率80852、原始数据定子外径34CM定子内径2372CM定子槽数36槽气隙长度0095CM3、参考数据定子绕组电密795A/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。二、毕业设计图纸内容及张数1、定子冲片图1张2、转子冲片图1张3、绕组联接图1张三、毕业设计应完成的软硬件的名称、内容及主要技术指标（例如软件、电路板、机电装置、新材料、新制剂、结构模型或其他）四、毕业设计进度计划序号各阶段工作内容起讫日期实施地点1开题报告322422周2AUTOCAD制图及外文翻译454161周3同步发电机电磁设计4195216周4撰写毕业论文524642周5毕业答辩676111周五、主要参考资料1李发海、朱东起编著电机学（第三版），科学出版社，20002陈世坤主编电机设计（第二版），机械工业出版社，19833汤蕴璆电机理论与运行,水利电力出版社4电机设计程序第一机械工业部上海电器科学研究所5电机工程手册第四版（电机版）6自动化专业英语武汉理工大学出版社7周明,高浩中,张安民AUTOCAD2006高级教程上海大学出版社8JAVA2核心技术卷I基础知识（原书第7版）机械工业出版社9范正翘主编电力传动与自动控制系统北京航空航天大学出版社10王时胜曾明如王俐主编自动控制理论江西科学技术出版社11杨渝钦主编控制电机机械工业出版社12自动化专业英语武汉理工大学出版社13交流电机的绕组理论机械工业出版社14同步电动机交一交变频调速系统中的矢量控制周冬莉河北能源职业技术学院，河北唐山15电机设计资料汇编M南昌大学电气自动化系电机教研室200416陈伯时主编电力拖动自动控制系统第3版北京机械工业出版社，2003六、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）学生主要工作查找课题相关的文献资料，完成开题报告。翻译一篇外文文献指导教师审查意见签名年月日第三、四周（4月7日至4月18日）学生主要工作熟悉同步电机电磁设计程序，并完成磁路计算。应用AUTOCAD软件绘制同步发电机定、转子冲片图和绕组联接图指导教师审查意见签名年月日第五、六周（4月21日至5月2日）学生主要工作完成同步发电机电磁设计第一个方案，各项指标符合设计要求。指导教师审查意见签名年月日第七、八周（5月5日至5月16日）学生主要工作提出优化设计目标，完成同步发电机电磁设计第二、三个方案。指导教师审查意见签名年月日第九、十周（5月19日至5月30日）学生主要工作整理毕业论文资料，制定完初稿。指导教师审查意见签名年月日第十一周至毕业设计工作结束（6月2日至6月13日）学生主要工作毕业设计论文定稿，并进行论文答辩指导教师审查意见签名年月日七、其他（学生提交）1开题报告1份2外文资料译文1份（2000字以上，并附资料原文）3论文1份（8000字以上）指导教师学科组负责人学生开始执行任务书日期2010324学生姓名王徽送交毕业设计日期本科生毕业设计（论文）开题报告题目30KW4极变频调速同步电动机的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061班学号6101106024姓名王徽指导教师黄劭刚填表日期2010年3月22日一、选题的依据及意义现代社会中，电能是现代社会最主要的能源之一。在电能的生产、输送和使用等方面，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。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。同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录式仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机一直流发电机组，无一不是为了发挥其转速恒定的优势而得到应用的。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，可使功率因数高到10，甚至超前。在一个工厂里，只需有一台或几台大容量设备例如水泵、空气压缩机采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。但是，由于同步电动机起动费事、重载时有振荡乃至失步的危险，过去除了上述特殊情况外，一般工业设备很少采用同步电动机传动。自从电力电子变压变频技术获得广泛应用以后，情况就大不相同了。采用电压一频率协调控制，同步电动机便和异步电动机一样成为调速电动机家族的一员，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。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）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。国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且也考虑电机制造成本的降低等国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业技术创新能力较弱。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。（1）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。（2）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。（4）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。（五）机电一体化、智能化随着科学技术的发展，机电一体化技术得到长足发展，同时，各种高新技术也为电机产品注入了新的活力，制造工艺和管理信息化技术通过微电子、计算机、网络技术的应用，国家政策的鼓励、各企业对科技的重视，使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机（如交流变频调速电机是一种无级调速传动系统）应运而生，调速制造、虚拟制造等先进制造技术推广应用。我国的电机的技术性能水平与发达国家的水平相当。1永磁同步电机近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化高转速、高转矩、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000R/MIN，最低转速低于001R/MIN，最小电机的外径只有08MM，长12MM。我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机PMSM调速系统；而由梯形波方波永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机BLDCM调速系统。永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。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30KW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2根据公式确定每槽导体数,即NMIDAZNDS3根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即，。再次，确NAZMSNDNDA2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。3根据每极磁通及气隙磁密,可确定铁心P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工作进度起讫日期工作内容备注第一周第三周论文的开题报告第四周第五周毕业实习第六周第九周复算电机的各种参数第十周第十二周上机设计三个优化方案第十二周第十三周用AUTOCAD制图第十四周第十五周写毕业论文第十五周第十六周论文答辩六、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，19946徐广人,唐任远,安忠良永磁同步电动机气隙磁场分析J沈阳电力高等专科学校学报,2001,027李烨,严欣平永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景J微电机伺服技术,2001,04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作品。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（20042008年）题目30KW4极变频调速同步电动机的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专业班级电机电器061班学生姓名王徽学号6101106024指导教师黄劭刚职称教授起讫日期201031320106930KW4极变频调速同步电动机的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6101106024学生姓名王徽指导老师黄劭刚摘要本文从同步电动机电磁设计的基本理论和特性入手，简单的介绍了同步电机的基本特点、型号、用途、工作特性，主要结构，技术指标等，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，在电机计算中我花去了大量的时间，在数据参数的选择上做了多次的调整，得到相对比较接近的数据。所以应该全方面的看待问题，在计算中上下连接，在一切都符合技术指标要求的前提下作。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发电机以及一台节省能源效率最高的同步发电机。第一套方案是选定各项数据按照计算程序来初步设计一台电机，使其符合同步发电机的效率、温升等要求，第二套方案是在方案1的基础上重新选择数据使同步发电机的效率和温升达到最佳，最后一套方案是在方案2的基础上再想办法使同步发电机的使用材料最节省。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。同时对控制回路的设计。通过这三个方案，使我更深入了解了同步电机设计的步骤和方法，同时对CAD软件的应用，制图等的一系列的细节操作更加熟练。关键词同步电机、设计、CAD、变频调速、控制回路30KW4POLESYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICFREQUENCYCONTROLSCHEMEABSTRACTTHISDESIGNFROMTHESYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICCHARACTERISTICSOFTHEBASICTHEORYANDSTARTWITHASIMPLEINTRODUCTIONTOTHEBASICCHARACTERISTICSOFSYNCHRONOUSMOTORS,MODEL,USE,WORKCHARACTERISTICS,PRIMARYSTRUCTURE,TECHNICALINDICATORS,WHICHAREDESIGNEDFORTHESYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICPREPARATIONMOTORDESIGNISACOMPLEXPROCESS,THECALCULATIONINTHEMOTORIHAVESPENTALOTOFTIME,THECHOICEOFPARAMETERSINTHEDATATODOANUMBEROFADJUSTMENTSTOBERELATIVELYCLOSETOTHEDATASOTHEQUESTIONSHOULDBETOLOOKATALLASPECTS,INTHECALCULATIONDOWNTOCONNECT,MEETTHETECHNICALSPECIFICATIONSINALLTHINGSHEREQUESTEDINTHISDESIGNTHETHREEPROGRAMS,INMEETINGTHEEFFICIENCYOFTHEPREMISE,ACCORDINGTODIFFERENTDESIGNGOALSWERETODESIGNALIGHTWEIGHTMATERIALS,ANDMOSTPROVINCES,ANDASYNCHRONOUSGENERATORTOSAVEENERGYEFFICIENTSYNCHRONOUSGENERATORTHEFIRSTSETOFTHEDATATHEPROGRAMISSELECTEDINACCORDANCEWITHTHEPRELIMINARYDESIGNOFACOMPUTERPROGRAMTOMOTORS,SYNCHRONOUSGENERATORSTOMEETTHEEFFICIENCY,TEMPERATURE,ETC,INTHEPROGRAMASECONDPROGRAMISBASEDONTHERESELECTTHEDATATOSYNCHRONIZEGENERATOREFFICIENCYANDOPTIMUMTEMPERATURE,ANDFINALLYASETOFPROGRAMSISBASEDONTHEPROGRAMTWOSYNCHRONOUSGENERATORSTHINKOFWAYSTOMAKETHEMOSTECONOMICALUSEOFMATERIALSAFTERTHEDESIGNWASFOUNDAPROVINCEOFTHEMATERIALTHEMOSTEFFICIENTANDTHEMOTORISOFTENNOTTHEMOSTEFFICIENTMATERIALUSEDMOTORISTHEHIGHESTTHEREFORE,THEACTUALMOTORDESIGNMUSTTAKECAREOF,CONSIDERING,ANDFINALLYGETAMATERIALISBOTHOPTIMALANDEFFICIENTPROGRAMATTHESAMETIMECONTROLLOOPDESIGNTHROUGHTHESETHREEPROGRAMS,MADEMEABETTERUNDERSTANDINGOFTHESYNCHRONOUSMOTORDESIGNSTEPSANDMETHODS,WHILETHEAPPLICATIONOFCADSOFTWARE,GRAPHICSANDOTHERDETAILSOFOPERATIONOFARANGEOFMORESKILLEDKEYWORDSSYNCHRONOUSMOTOR,DESIGN,CAD,FREQUENCYCONTROL,CONTROLLOOP目录摘要IIABSTRACTI绪论1第一章同步电机概论111同步电机基本特点112同步电机主要类型和用途213主要结构部件414同步电机型号和额定值5第二章同步电机的工作特性621同步电机的工作原理622同步电机的基本电磁关系723同步电机对称负载时的电枢反应824同步电动机的运行特性9第三章同步电动机电磁设计基本理论1131总体设计内容1132电机设计中对参数影响的因素1133基本尺寸的确定1434电机设计的一般过程1435结构设计18第四章电磁设计方案计算1941计算思路1942计算步骤20第五章电磁设计结果及分析4051数据对比40511基本数据40512材料用量40513损耗和效率41514电磁负荷41515电机参数4252结果分析42第六章AUTOCAD2006绘图4361定子冲片图4462转子冲片图4563绕线图45第七章变频调速及其硬件设计47第八章控制回路设计48第九章论文总结53参考文献54致谢55外文资料原文及译文5630KW4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计绪论能量的一种形式。与各种形式的能量相比，电能具有明显的优越性，适宜用于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。人类对能量利用和控制的能力决定着社会的生产潜能，从而又影响着人类生活方式的进步。将电能从最初的能源形式转化过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置。电机的历史可追溯到1831年迈克尔法拉第发明的盘式电机，这事一种真正的直流电机。同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机，转子转速与定子旋转磁场的转速相同。同步电动机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速N与磁极对数P、电源频率F之间满足NF/P。转速N决定于电源频率F，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备如轧钢机等。同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。第一章同步电机概论11同步电机基本特点同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。其特点是稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系N60F/P，成为同步转速。若电SNS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。与异步电机相比,同步电动机有其独特的优点1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；2运行稳定性好，具有较强的过载能力；3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；4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；5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。12同步电机主要类型和用途同步电机的分类有多种。如按用途分，有发电机、电动机和调相机。按结构形式分，有旋转电枢式和旋转磁极式两种。前者在小容量同步电机中得到某些应用，后者广泛用于高电压、中大容量的同步电机，并成为同步电机的基本结构形式。在旋转磁极式中，按磁极形状又可分为隐极同步电机和凸极同步电机两种。隐极同步电机的气隙是均匀的，转子成圆柱形；凸极同步电机的气隙是不均匀的，极弧范围气隙较小，极间部分气隙较大。按打点机的原动机来分，有汽轮发电机、水轮发电机和内燃机拖动的发电机，拖动他们的原动机分别为汽轮机、水轮机和柴油机等。由于汽轮机是告诉的原动机，故火电站中的汽轮发电机转子一般做成二级隐极式。水轮机是低速原动机，所以水轮发电机一般都做成凸极机。由内燃机拖动的同步发电机、同步电动机和同步调相机一般都做成凸极式。还可按通风方式、冷却方式及电动机带动的负载形状来进行分类。通常,同步电机的主要类型有汽轮发电机定子大体上与异步电机相同，定子铁心由035MM,05MM或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1M时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用B级或F级绝缘。为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内水轮发电机水轮发电机的特点是极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为12MM的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用T形或鸽尾形连接。中小型同步电机中小型同步电机，是指容量在几十、几百到几千KW的同步电机，它们可以作为发电机、电动机或补偿机运行，从结构上来看，它们之间的差别不大。中小型同步电机多做成卧式的。定子铁心也是由硅钢片叠装成的。当铁心外径小于M时骼整圆冲片，大于1M时，用扇形片。定子槽形根据容量和电压大小的不同而不一样。大容量高电压多用开口槽；小容量低电压多用半闭口槽。中小型电机的转子多做成凸极式的，励磁饶组除了几十K以下的，都采用扁铜线边绕而成。在容量较大的电机里，磁轭仍用钢板冲成的扇形片叠成；在小容量或高速电机里多用铸钢铸成。只有几KW的同步电机，有时把磁极放在定子上，电枢绕组放在转子上，用三个集电环把三相交流电从转子引出来。它的优点是可以提高硅钢片的有效利用率，并把定子磁轭和机座合二为一，以节省钢材。中小型同步电机的转子有两种支承方法一种是座式轴承；一种是端盖轴承。轴承也有两种滑动轴承与滚动轴承。同步电机的主要用途有同步电机主要用来作为发电机运行，现代社会中使用的交流电能，几乎全由同步发电机产生。同步电机还可以作为电动机使用，对不要求调速的大功率生产机械，常用同步电动机来驱动。同步电动机可以通过调节砺磁来改善电网的功率因数。此外，同步电机还可以人微言轻同步补偿机使用，它实际上是一台按在交流电网上空转的同步电动机，专门向电网发出戌感性或容性的无功功率，满足电网对无功功率的要求。近十多年来，由于电力电子技术的发展，将变频器和同步电动机联合起来，组成了无换向器的电动机，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，电压和转速更记，在工业上开辟了新的用途。13主要结构部件同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。于大型同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。同步电动机的转子由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极两种。凸极特点气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于转速低于1000R/MIN，极对数P3的电动机。隐极特点气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，适用于转速高于1500R/MIN，极对数P2的电动机。图1直线同步电动机的结构示意图图1同步电动机的定子由机座、定子铁心和电枢绕组等组成。机座是支承部件，其作用是固定定子铁心和电枢绕组，大型同步电动机的机座都采用钢板焊接结构；定子铁心是构成磁路的部件，由刷漆的硅钢片叠装而成，目的是减少磁滞和涡流损耗；定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以形成径向通风；大型同步电动机的定子冲片为扇形冲片，扇形冲片外圆上的鸽尾槽嵌装在机座的定位筋上，铁心两端用压板把铁心压紧；电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层叠绕组，嵌装在定子槽内，其端部用绑扎绳和绝缘垫块将线圈伸出铁心的部分绑扎成喇叭形整体，并用端箍固定在机座上，其目的是防止电机起动和冲击大电流产生的巨大的电动力造成线圈的振动和变形。同步电动机的转子结构根据转速高低和容量大小分为凸极式和隐极式两种。一般同步电动机多采用凸极式转子，而高速运行的同步电动机则采用隐极式。凸极同步电动机转子通常由转轴、磁极、磁轭、阻尼绕组和滑环等组成。转轴是支承转子和输出转矩的部件，一般由锻造的优质结构钢加工而成；磁极是建立转子磁场的部件，它由磁极铁心、励磁绕组和极身绝缘组成，磁极铁心通常由磁极冲片叠成，冲片材质为1、15MM低碳钢板，除叠片磁极外，还可采用实心磁极，其极身和极靴巾锻钢或铸钢制成，实心磁极具有良好的机械强度和起动性能，可省去阻尼绕组；磁极卜套有励磁线圈，各磁极上线圈按一定方式连接起来构成励磁绕组，在励磁绕组中通人直流电流，使磁极依次产生N、S极；磁轭足转子磁路的一部分，它用48MM钢板冲片叠成，也有用整体锻钢加上而成，磁轭的另一个作用是固定磁极，其外表面有鸽尾槽，用于固定磁极并使磁极准确定位；阻尼绕组的作用一是对磁链变化起阻尼作用，二是同步电动机以异步方式起动时作起动绕组鼠笼绕组用，阻尼绕组安放在极靴表面圆形半开口槽内，阻尼条多为黄铜圆形导条，在槽内与磁极不绝缘，阻尼端环将阻尼条连接在一起，通常采用钎焊方式。隐极同步电动机转子为圆柱体，励磁绕组安装在转子槽内，隐极式同步电动机的空气隙是均匀的。同步电动机滑环的作用是给转子励磁绕组通人直流励磁电流，有一个滑环为正极，另一个为负极，滑环的材质多为锻钢。14同步电机型号和额定值1型号例如W630KW4极数额定容量30KW2额定值同步电动机的主要额定数据为额定容量指电动机轴上输出的有功功率，单位KWNP额定电压指定子三相绕组上的线电压，单位V；NU额定电流指电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位A；I额定转速指电动机额定运行时的同步转速，单位R/MIN；N额定功率因数指电动机额定运行时的功率因数；COSN额定频率指电动机额定运行规定的频率，单位HZNF额定效率指电动机额定运行时的效率；N额定励磁电压指电动机额定运行时的励磁电压，单位VFNU额定励磁电流指电动机额定运行时的励磁电流，单位AFI3额定值之间的关系NNIPCOS3第二章同步电机的工作特性长期以来，人们认为通过调节功率因数，可以改善电机的运行特性。本章在叙述了电机原理、继承了前人成果的基础上，建立了数学模型并作了相应推导。21同步电机的工作原理磁场的建立励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。22同步电机的基本电磁关系1同步发电机的空载运行发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行空载运行是同步发电机最简单的运行方式,其气隙磁场由转子磁势励磁磁势FF单独建立,称励磁磁场此时电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载FI电动势三相对称，其大小随的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有0EFI饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线0EFI称为同步发电机的空载特性。一,空载气隙磁场1主磁通既与转子交链,又经气隙与定子交链的磁通，为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用表示，参与电机的机电能量转换。002漏磁通除外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链0而不与定子交链的磁通，漏磁通不参与电机的机电能量转换二,空载特性F或F0EFI0FF1空载运行时，励磁电势随励磁电流变化的关系，称为同步发电机的空载特性。转子同步速为N1。三相基波电势有效值为444FNKN10。0E2F改变IF，可改变0及，由此得空载特性曲线。0EFF空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线将其延长后的射线称气隙线，E0随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处。3空载特性可以通过计算或试验得到试验测定的方法与直流发电机类似，同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流称为额定励磁电流为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。4空载特性在同步发电机理论中有着重要作用空载特性结合短路特性在后面介绍可以求取同步电机的参数；根据设计好的电机的空载特性,可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用；发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。5饱和系数；饱和电机中一定时，气隙线上的横坐标为气隙磁动势空载特0E性上的横坐标为为励磁磁动势。饱和系数K励磁磁动势/气隙磁动势AC/AB/。0ENU23同步电机对称负载时的电枢反应同步电机带上负载后，定子三相对称绕组中流过三相对称电流，定子绕组会产生一个磁动势，简称电枢磁动势，它改变了电机空载运行时单独由励磁磁动势产生气隙磁通的情况，这时将由励磁磁动势和电枢磁动势合成一个总磁动势来产生气隙磁通，在定子绕组中感应电动势。电枢磁动势对励磁磁动势的影响就叫做电枢反应。1空载FF负载对的影响，成为电枢反应。AFF2和性质比较均是幅值不变的旋转磁动势；AF均是阶梯波，基波为正弦波；转速为N1。结论和在空间相对静止。AFF3几个概念内功率因数角空载电动势E0和电枢电流IA之间的夹角，与电机本身参数和负载性质有关；外功率因数角与负载性质有关；功率角（功角）E0和U之间的夹角；且有（电感性负载）直轴（D轴）主磁极轴线（纵轴）；交轴（Q轴）转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）当为不同值的电枢反应性质影响位AF置FA夹角记作F电枢反应性质F电压U0，负载性质00Q轴900AQ交轴波形畸变不变R负载900D轴900ADF直轴去磁削弱下降L负载900D轴900AD直轴助磁增强增大C负载099CM时,应采用扇形片，算得后，需要将其调整到标准直径，111D然后对定子内径和铁心计算长度进行必要的调整。TDEFL34电机设计的一般