【正文】 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSIT 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2006 —2010 年） 題 目 20kw4極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)電磁方案 及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 電氣工程及其自動(dòng)化系 專業(yè)班級(jí)： 電機(jī)電器06級(jí)1班 學(xué)生姓名： 馬童國(guó) 學(xué)號(hào)： 6101106017 指導(dǎo)教師： 黃劭剛 職稱： 教授 起訖日期： － 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書（工科及部分理科專業(yè)適用） 題目：20kw4極電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)電磁方案 及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 題目來源：□省部級(jí)以上 □市廳級(jí) □橫向 √自選題目性質(zhì)：□理論研究 √應(yīng)用與理論研究 □實(shí)際應(yīng)用研究學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系： 電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè)班級(jí)： 電機(jī)電器061班 學(xué)生姓名： 馬童國(guó) 學(xué)號(hào) 6101106017 起訖日期： － 指導(dǎo)教師： 黃劭剛 職稱： 教授 指導(dǎo)教師所在單位： 電氣與自動(dòng)化工程系 學(xué)院審核（簽名）： 審核日期： 二0 一0年制說 明1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，并經(jīng)專業(yè)學(xué)科組審定，下達(dá)到學(xué)生。2. 進(jìn)度表由學(xué)生填寫，至少每?jī)芍芙恢笇?dǎo)教師簽署審查意見，并作為畢業(yè)設(shè)計(jì)工作檢查的主要依據(jù)。進(jìn)度表中的周次是指實(shí)際的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程中的周次。3. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書獨(dú)立完成開題報(bào)告，于3周內(nèi)提交給指導(dǎo)教師批閱。4. 本任務(wù)書在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后，與論文一起交指導(dǎo)教師，作為論文評(píng)閱和畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯的主要檔案資料，是學(xué)士學(xué)位論文成冊(cè)的主要內(nèi)容之一。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和基本要求 （一） 主要內(nèi)容 ，運(yùn)行原理 2 闡述同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路 3 進(jìn)行20KW4極同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，給出三套電磁設(shè)計(jì)方案 4三套電磁方案的比較分析 5設(shè)計(jì)電機(jī)的定子沖片、轉(zhuǎn)子沖片、定轉(zhuǎn)子繞組，并給出設(shè)計(jì)圖紙 技術(shù)要求：①額定功率: 20KW ②額定電壓: 400V③相 數(shù)：三相Y接法 ④額定功率因數(shù)：⑤額定轉(zhuǎn)速：1500r/min ⑥額定頻率：50Hz⑦ 效率：% ⑧定子槽滿率：80 ~ 85% 原始數(shù)據(jù)：① 定子外徑 ：30 ②定子內(nèi)徑：③定子槽數(shù) ：36 ④氣隙長(zhǎng)度：參考數(shù)據(jù)①定子繞組電密：7 ~ ② 氣隙磁密： ~ （4極） ~ （6極）設(shè)計(jì)要求： 根據(jù)原始數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一臺(tái)符合技術(shù)要求的同步電動(dòng)機(jī)，并給出三個(gè) 方案，分析 電機(jī)的材料利用率與效率的關(guān)系，掌握設(shè)計(jì)節(jié)能電機(jī)和節(jié)約材料電機(jī)的方法，并設(shè)計(jì)交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高性能運(yùn)行。 畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容及張數(shù) 定子沖片圖 1張 轉(zhuǎn)子沖片圖 1張 繞組聯(lián)接圖 1張三、畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的軟硬件的名稱、內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo)（例如：軟件、電路板、機(jī)電裝置、新材料、新制劑、結(jié)構(gòu)模型或其他）軟件：CAD、MATLAB四、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃序號(hào)各階段工作內(nèi)容起訖日期實(shí)施地點(diǎn)1畢業(yè)實(shí)習(xí)第一周—第三周2論文的開題報(bào)告第四周—第五周3復(fù)算電機(jī)的各種參數(shù)第六周—第九周4上機(jī)設(shè)計(jì)三個(gè)優(yōu)化方案第十周—第十二周5用Autocad制圖第十二周—第十三周6寫畢業(yè)論文第十四周—第十五周7論文答辯第十五周—第十六周 主要參考資料[1]．《電機(jī)設(shè)計(jì)》 陳世坤編 機(jī)械工業(yè)出版社 [2]．《電機(jī)學(xué)》 李發(fā)海等合編 科學(xué)出版社 [3]. 《電機(jī)學(xué)》 戴文進(jìn) 徐龍權(quán) 清華大學(xué)出版社[4]．《交流電機(jī)及系統(tǒng)的分析》 高景德 李發(fā)海 清華大學(xué)出版社[5].《電機(jī)與電力拖動(dòng)》 邱阿瑞 電子工業(yè)出版社 [6].《交流調(diào)速控制系統(tǒng)》 李德華 電子工業(yè)出版社六、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度表（本表至少每?jī)芍苡蓪W(xué)生填寫一次，交指導(dǎo)教師簽署審查意見）第一、二周（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日第三、四周（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日第五、六周（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日第七、八周（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日第九、十周（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日第十一周至畢業(yè)設(shè)計(jì)工作結(jié)束（ 月 日至 月 日）學(xué)生主要工作：指導(dǎo)教師審查意見：簽名： 年 月 日七、其他（學(xué)生提交）1．開題報(bào)告1份 2．外文資料譯文1份（2000字以上，并附資料原文） 3．論文1份（8000字以上） 指 導(dǎo) 教 師： 學(xué)科組負(fù)責(zé)人： 學(xué)生開始執(zhí)行 任務(wù)書日期： 學(xué)生姓名： 送交畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目：20kw4極電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)電磁方案 及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 自動(dòng)化系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化（電機(jī)電器方向）班 級(jí)： 電機(jī)電器061班 學(xué) 號(hào)： 6101106017 姓 名： 馬童國(guó) 指導(dǎo)教師： 黃劭剛 填表日期： 2010 年 3 月 22 日一、 選題的依據(jù)及意義在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的60%~70%，成為用電量最多的電氣設(shè)備。根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動(dòng)機(jī)加以利用的。交流電動(dòng)機(jī)的誕生和發(fā)展已有一百多年的歷史，至今已研究、制造了形式多樣、用途各異的各種容量、各種品種的交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步異步電動(dòng)機(jī)兩大類。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即是同步電動(dòng)機(jī)；反之，若不保持這種關(guān)系，即是異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)中用電量的85%左右，可見交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵(lì)磁電流的恒定，可用改變電樞電業(yè)的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因此，長(zhǎng)期以來的變速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)，這給直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用帶來了一系列限制，即：①機(jī)械式換向器表面的線速度及換向電流、電壓有一極限容許值，這就限制了單機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率。如要超過極限容許值，則大大加大電機(jī)制造的成本和難度，以及調(diào)速系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)一些要求特高轉(zhuǎn)速、特大功率的場(chǎng)合則根本無法采用直流調(diào)速方案。②為了使機(jī)械換向器能夠可靠工作，往往增大電樞和換向器直徑，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大。對(duì)于快速響應(yīng)的生產(chǎn)工藝，采用直流調(diào)速方式難以實(shí)現(xiàn)。③機(jī)械換向器必須經(jīng)常檢查和維修，電刷必須定期更換。這就表明了直流調(diào)速系統(tǒng)維檢工作量大，維修費(fèi)用高，同時(shí)停機(jī)檢修的更換電刷也直接影響了正常生產(chǎn)。④在一些易燃易爆的場(chǎng)合，一些多粉塵、多腐蝕性氣體的生產(chǎn)場(chǎng)合不能或不宜使用直流電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中存在著這樣的一些限制，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用也相應(yīng)受到了局限。交流電機(jī)有兩種：異步電機(jī)和同步電機(jī)。同步電機(jī)主要作發(fā)電機(jī)用，電力系統(tǒng)中的電能幾乎全是通過同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的；但同步電機(jī)也作電動(dòng)機(jī)適用，如應(yīng)用于某些大型生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)系統(tǒng)中，其功率達(dá)數(shù)百或數(shù)千千瓦。同步電動(dòng)機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速恒定（同步速），只與電源頻率有關(guān)，不隨負(fù)載和電壓的變化而變化；②運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的過載能力；③功率因數(shù)較高，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流提高功率因數(shù)，可在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下運(yùn)行；還能改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，即在領(lǐng)先的功率因數(shù)下運(yùn)行；④運(yùn)行效率高，低速運(yùn)行時(shí)尤為明顯；對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)體積反而比異步電動(dòng)機(jī)小；⑤隨著電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)也能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，在大容量電力拖動(dòng)場(chǎng)合，同步電動(dòng)機(jī)的控制性能優(yōu)于異步電動(dòng)機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)歷來只能恒速運(yùn)行的狀況已被改變，同步電動(dòng)機(jī)和一部電動(dòng)機(jī)一樣都能調(diào)速，過去阻礙同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的起動(dòng)、振蕩和失步等問題已經(jīng)得到解決。同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其功率覆蓋面大，從數(shù)瓦德微型同步電動(dòng)機(jī)到數(shù)千瓦的大型同步電動(dòng)機(jī)。超大型抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)的變頻起動(dòng)也屬于同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速之列。同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本原理和方法以及所用的變頻裝置都和異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速大體相同。但是，同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速也有其獨(dú)自的一些優(yōu)點(diǎn)。①同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源的基波頻率之間保持著嚴(yán)格的同步關(guān)系 數(shù)中p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。從式中看出，只要精確地控制變頻電源的基波頻率就能準(zhǔn)確地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。②同步電動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁來調(diào)節(jié)電機(jī)的功率因數(shù)，這對(duì)于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有利。若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在=1的狀態(tài)下，電機(jī)的電樞電流最小，變頻器容量可減小。③同步電動(dòng)機(jī)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有較強(qiáng)承受能力，這是因?yàn)橹灰诫妱?dòng)機(jī)的公角作適當(dāng)變化就能改變電磁轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)速始終維持在原同步速不變。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性不會(huì)影響同步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。因此，同步電動(dòng)機(jī)比較適合于要求對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化作出快速反應(yīng)的交流調(diào)速系中。④同步電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)也能運(yùn)行，因?yàn)樗軓霓D(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁以建立必要的磁場(chǎng)，故它的調(diào)速范圍比較寬。 在同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，從電動(dòng)機(jī)的輸入頻率看，有兩種：一為頻率他控式，二為頻率自控式。所謂頻率他控式是指，給同步電動(dòng)機(jī)供電的變頻器的輸出頻率是由轉(zhuǎn)速給定信號(hào)決定的。這種調(diào)速系統(tǒng)一般多采用開環(huán)控制，因此，像接在工頻電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)一樣，存在著轉(zhuǎn)子振蕩及失步等問題。他控式恒壓頻比的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)目前多用于小容量場(chǎng)合，例如永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)。頻率自控式則不然，變頻器的輸出頻率不是隨意由外部給定的，而是由電動(dòng)機(jī)本身轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。這樣一來，就不存在轉(zhuǎn)子失步問題，即永遠(yuǎn)同步運(yùn)行。實(shí)際上，只要在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝了磁極位置檢測(cè)器，使其輸出信號(hào)與電機(jī)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率同步，就可實(shí)現(xiàn)頻率自控。自控式同步電機(jī)又可分為兩種類型。（1）負(fù)載換相自控式同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路長(zhǎng)采用交直交電流型變頻器，利用同步電動(dòng)機(jī)電流超前電壓的特點(diǎn)，使逆變器的晶閘管工作在自然換向狀態(tài)。國(guó)際上簡(jiǎn)稱這種系統(tǒng)為L(zhǎng)CI（Load Commutated Inverter）。目前這種調(diào)速系統(tǒng)容量已達(dá)到數(shù)萬千伏安，電壓等級(jí)達(dá)到萬伏以上。值得注意的是這種超大容量的系統(tǒng)所用同步電動(dòng)機(jī)滑環(huán)式勵(lì)磁系統(tǒng)已改用無刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。（2）交交變頻供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)交交變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的逆變器采用交