【正文】 對隱極電機來說 圖 同步電機功角特性 ( ) 有功功率的調(diào)節(jié) 功角特性 =f(d)反映了同步 電動機 的電磁功率隨著功角變化的情況。 同步 電動機 失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。而且電機承擔(dān)的有功功率的極限是 。 以隱極同步電動機為例。 改變負(fù)載的大小，可以得到一族曲線。39。2P 39。 同步電動機比較突出的優(yōu)點是可以通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)無功功率，能在超前的功率因數(shù)下運行，改善電網(wǎng)功率因數(shù)。同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流后，轉(zhuǎn)子將形成固定極性的磁極。 通常，同步電動機的起動方法有以 下幾種。 采用變頻電源向電動機供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動機的額定頻率。 現(xiàn)代同步電動機一般都是做成凸極式的，大多在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)阻尼繞組，可利用異步電動機的啟動方法來起動同步電動機。 第三章 同步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng) 12 第三章 同步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng) 同步電 動機變頻調(diào)速的特點 交流同步電機與直流電機調(diào)速的比較 交流同步電機與直流電機相比具有以下特點： （ 1）單機容量不受限制 大家都知道，直流電機因為換向器的換向能力限制了電機的容量和速度，直流電機的容量上限和速度的乘積約等于 6m axn 3. 0 10NP ? ? ?。 （ 3）動態(tài)響應(yīng)好 由于交流電機轉(zhuǎn)動慣量大大減少，并且交流變頻同步電機沒有換向火花對過載能力的限制，電機可以具有更大的動態(tài)加速電流。某厚板軋機直流傳動年維修量 145h，而采用交流傳動后只需 36h，僅僅為直流傳動的 1/4. （ 5）節(jié)約能源 交流同步電機的效率比直流電機提高 2%3%。而異步電機則完全不同，電機的激磁功率必須通過定子側(cè)獲得，因此，定子電流 始終是滯后的，其功率因數(shù)一般在 左右。 （ 4）電機尺寸和轉(zhuǎn)動慣量 由于異步電機的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步 電機的定子必須具有較大的視在功率。 （ 5）控制精度 在異步電機的磁場定向控制系統(tǒng)中，磁 通控制取決與轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化。 其中 ， maxNM 為額定頻率時的最大轉(zhuǎn)矩， Nf 為 額定頻率， maxf 為最高頻率。 同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的分類 當(dāng)前在大功率同步電機調(diào)速領(lǐng)域按電力電子變換器，即晶閘管交交變頻器、晶閘管負(fù)載換流交直交 變頻器、 IGBT/IGCT 交直交變頻器，可以將調(diào)速系統(tǒng)分為以下三大類。主要應(yīng)用于軋機主傳動、礦井提升傳動及水泥球磨機傳動等。它具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率高等優(yōu)點，但也存在著低頻轉(zhuǎn)矩脈動大、過載能力低等缺點。由于采用了自關(guān)斷器件，傳統(tǒng)的晶閘管換流技術(shù)將被逐步取代。理想的變流器是采用自關(guān)斷器件將電網(wǎng)固定頻率和電壓的電能，經(jīng)電力電子變換器一次換能，變換為負(fù)載對象所需的可變頻率和電壓。而交流電機的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場是復(fù)雜耦合的，不能簡單地實現(xiàn)解 耦控制，所以交流電機的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機調(diào)速領(lǐng)域的難題。 1985 年，德國魯爾大學(xué)的 狄普布洛克 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 由交流同步電機數(shù)學(xué)模型，可以得到 MT 軸系下消去阻尼電流的降維磁鏈方程 11 12 1321 22 2331 32 33sm smst stffa a a ia a a ia a a i???? ? ? ???? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? （ ） 則定子磁鏈方程為 1 1 1 2 1 32 1 2 2 2 3s m s m s t fs t s m s t fa i a i a ia i a i a i??? ? ????? ? ??? （ ） 當(dāng)考慮到定子磁鏈 s? 矢量與 M 軸重合時 0sm sst??? ??? ?? （ ） 所以（ 2）式也可以寫成 1 1 1 2 1 32 1 2 2 2 30s sm st fsm st fa i a i a ia i a i a i? ? ? ????? ? ??? （ ） 由 s? 關(guān)系式可以推導(dǎo)出 smi 的表達式 1 2 1 3111sm s st fi a i a 。 交流同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的 數(shù)學(xué)模型 根據(jù)電機原理，對于一般電機（包含直流電機、交流同步電機、異步電機）的電 磁轉(zhuǎn)矩，可以由電機定子或轉(zhuǎn)子的兩個變量的矢量積來表示。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。矢量 控制系統(tǒng)的特點是通過坐標(biāo)變化，把交流電機在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機調(diào)速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速性能。 同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 電機調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機轉(zhuǎn)矩的控制。變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進一步簡化，裝置體積縮小。 （ 3）可關(guān)斷器件交直交變頻 調(diào)速系統(tǒng) 隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，電力電子變流技術(shù)也在不斷變革。變頻器輸出電流的幅值由整流器控制，輸出頻率由逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器信號加以控制，以實現(xiàn)變頻調(diào)速。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)分為有環(huán)流和無環(huán)流方式。由此可見，對于弱磁比超過 的卷取機、冷連軋機等傳動，異步電機必須采取增加容量或提高電壓的方法來提高弱磁時的最大轉(zhuǎn)矩。而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。所以，異步電機常常設(shè)計成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵心直徑，電機結(jié)構(gòu)短粗。顯然，異步電機功率因數(shù)低是一個很難克服的缺陷。而同步電機則在其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的維護量要少的多?，F(xiàn)代熱軋和冷軋機都采用了軋板精度和板形自動控制，要求軋機傳動的速度控制系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)達到 60rad/s，而直流電機由于換向火花限制了電機電流變化率，使速度響應(yīng)僅僅達到 15rad/s。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方法，變頻調(diào)速同步電機的單機容量已 可以做到 56MW。待轉(zhuǎn)速升至接近與同步轉(zhuǎn)速時，再投入勵磁，使電動機牽入同步。加速到電機的同步轉(zhuǎn)速后， 再將電機并入電網(wǎng)運行。這種方法需要設(shè)備多，操作復(fù)雜。定子旋轉(zhuǎn)磁場的某一極性磁極，例如 N 極，一會鄰近且超前于轉(zhuǎn)子的 S 極，產(chǎn)生吸引力，牽引轉(zhuǎn)子加速；一會鄰近且超前于轉(zhuǎn)子的 N 極，產(chǎn)生排斥力，使轉(zhuǎn)子減速。因此要求設(shè)計電動機時，必須保證足夠的勵磁容量。 把各條 V 形曲線上的功率因數(shù)相同的點連接起來，得到等功率因數(shù)線。39。39。得到電流 I 與空載電動勢 0E之間的關(guān)系后，由電動勢 0E 查空載特性氣隙線求出勵磁電流 fI ，即可畫出電樞電流 I 與勵磁電流 fI 之間的關(guān)系曲線， 即 V 形曲線，如圖所示 圖 V 形曲線特性 第二章 同步電動機的運行原理 10 圖 相量圖 在 cos 1?? 的點，電樞電流 I 最??； cos 1?? 時， I 都增大。 無功功率的調(diào)節(jié) V形曲線特性 與發(fā)電機時一樣， V 形曲線特性對同步電動機的值班人員了解和調(diào)節(jié)電動機是非常重要的。因此，保持同步是十分重要的。 當(dāng)功角處于 0 到 范圍內(nèi)時，隨著 d 的增大， 亦增大，同步 電動機 在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。 凸極電機 令 可以求出對應(yīng)于最大電磁功率 的功角 ,一般來說凸極電機的 在 45～ 90 之間。 同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 按電動機運行狀態(tài)時轉(zhuǎn)矩的實際方向規(guī)定轉(zhuǎn)矩的參考方向，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為 20T T T?? (1) 式中， 2T 為機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其大小等于電動機輸出轉(zhuǎn)矩； 0T 為空載轉(zhuǎn)矩。而圖 3 中的電樞直軸磁動勢 adF 雖然與勵磁磁動勢 fF 方向相反 ,但為增磁性質(zhì) ,這一點與發(fā)電機時的情況正好相反 . 直軸電樞反應(yīng) 對同步電動機的運行性能影響很大 .當(dāng)同步電動機接電網(wǎng)運行時 ,為維持氣隙磁場為一定值 ,若轉(zhuǎn)子勵磁電流較小 ,則同步電動機將從電網(wǎng)輸入一個滯后與勵磁電動勢 0E 的感性電流 aI ,使直軸電樞反應(yīng)為增磁性質(zhì) 。 當(dāng) 00 0?? 時，如前所述，可以把電樞磁動勢 aF 分解成交軸和直軸兩個分量aqF 和 adF ，他們的幅值 aqF 、 adF 與電樞磁動勢幅值 aF 及 0? 角的關(guān)系為第二章 同步電動機的運行原理 6 00cossinaq aad aFFFF???? 電樞交軸磁動勢分量aqF產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)與前面說明的作用相同。氣隙磁場波形發(fā)生的畸變主要是交軸電樞反應(yīng)的結(jié)果，而直軸電樞反應(yīng)則會使氣隙磁 場產(chǎn)生去磁或增磁作用。負(fù)載時電機的氣隙磁場是由電樞磁動勢和勵磁磁動勢共同建立的，同時，電樞磁動勢將對主磁場產(chǎn)生影響，電樞磁動勢的基波對主磁場的影響就稱為電樞反應(yīng)。同步電動機的勵磁電流由勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)。 對于大型同步電動機或在特殊環(huán)境中工作的同步電動機，有刷勵磁結(jié)構(gòu)常常降低了電動機運行的可靠性。在轉(zhuǎn)差率為 時自動投勵，并沒有按時間后備投勵環(huán)節(jié)。 目前廣泛使用的是靜止整流勵磁系統(tǒng)。因此，調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)，過勵時功率因數(shù)超前，欠勵時功率因數(shù)滯后。 同步電動機正常穩(wěn)定運行時，其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)，將始終保持同步轉(zhuǎn)速不變。負(fù)載越大， 0B 與 B 的軸線之間被拉開的角度越大，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，就像彈簧被拉伸得越長彈性力越大一樣。牽入同步后，電動機轉(zhuǎn)入正常運行。 同步電動機的工作原理 同步電動機依靠轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁拉力而工作的。勵磁繞組為集中式繞組，套裝在主磁極的極身上。隱極式轉(zhuǎn)子的機械強度較好，適合于高轉(zhuǎn)速運行的電動機。這種主磁極旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)稱為旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。 同步電動機的基本結(jié)構(gòu) 同步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子以及滑環(huán)、電刷裝置等部件構(gòu)成。與感應(yīng)電動機相比，同步電動機的特點主要有兩條，一是只要電源頻率 f 不變，電動機的轉(zhuǎn)速 n 就是恒定的，不隨負(fù)載的大小而變化；二是可通過調(diào)節(jié)直流勵磁電流 fI 來調(diào)節(jié)電動機的功率因數(shù)，可使電機的功率因數(shù) cos 1?? 或具有超前的功率因數(shù)，這是同步電動機的一個十分可貴的特點。因此，必須全面地、綜合地看問題，并能因地制宜，針對 具體情況采取不同的解決方法。 本學(xué)位論文屬于 不保密□。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。同時還可以避免由于不同功率的電機使用不同的定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片尺寸所造成重新設(shè)計模具的浪費，可以提高所生產(chǎn)的電機的經(jīng)濟性。方案二為材料最省方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機的所用材料最省 。盡量減少材料的使用，主要是鐵和銅的耗用量，使之更加經(jīng)濟。 ,可確定鐵心的長度 .最后 ,根據(jù)前兩步確定的數(shù)據(jù) ,進行電機參數(shù)的計算 . 本課 題的主要計算過程如下： ，過載能力及暫態(tài)電抗計算 12．主要材料重的計算 13．溫升計算 四、本課題研究方案 本課題的研究方案主要有三個，方案一，是根據(jù)計算程序，首先選擇電樞繞組的規(guī)格和每槽導(dǎo)體數(shù) ,然后算出定子鐵心長度 ,最后計算出符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求的電機參數(shù)；方案二：在 方案一的基礎(chǔ)上，通過增加每槽導(dǎo)體數(shù)，減小電機的鐵心長度，從而達到在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，節(jié)省材料，主要是節(jié)省硅鋼片的用量的目的。 。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。 1985年，德國魯爾大學(xué)的 DePenbrock 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。 2021 年采用新型電力電子器件 IGCT 研制成功國家 863 計劃項目5MV*A 三電平大功率變頻器，打破了我國大型交流傳動裝備長期依賴進口的局面，標(biāo)志著我國交流調(diào)速理論研究、裝備制造、工程設(shè)計與調(diào)試技術(shù)達到世界先進水平。 1993 年，我國科研院所把交流調(diào)速的科研成果推向了工程實踐，研制成功 3 我國第一臺 2500kw 交交變頻同步電機軋機主傳動系統(tǒng)。煤炭與有色金屬行業(yè)也將該系統(tǒng) 用于礦井提升機傳動。對于大容量生產(chǎn)機械，如軋鋼機、礦井提升機、船舶推進以及牽引傳動，交流變頻同步電機調(diào)速傳動不僅具有與直流傳動同樣優(yōu)越的調(diào)速性能，還具有過載能力大、效率高、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、維護簡單和可靠性高等優(yōu)點。 過去的電力拖動中，很少采用同步電動機，其主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩