【正文】 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2006—2010年）題 目75kw4極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)75kw4極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要同步電機(jī)用作電動(dòng)機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，只要電源頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。以同步電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行時(shí)，在電機(jī)的電子繞組上加三相交流電，電機(jī)里將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。按用途來(lái)分，有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、補(bǔ)償機(jī)。因此，驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。定子部分：由鐵心、電樞繞組、機(jī)座及端蓋等結(jié)構(gòu)部件組成。轉(zhuǎn)子部分：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、勵(lì)磁繞組和滑環(huán)等組成。凸極式轉(zhuǎn)子制造很方便，且容易制成多極，但是機(jī)械強(qiáng)度低，大多用于中速或低速的場(chǎng)合，例如水輪發(fā)電機(jī)。在電動(dòng)機(jī)方面，傳統(tǒng)的同步電機(jī)最大的缺點(diǎn)就是頻率一定時(shí)轉(zhuǎn)速也固定，這限制了同步電動(dòng)機(jī)在很多場(chǎng)合的應(yīng)用。2）同步電動(dòng)機(jī)銘牌額定數(shù)據(jù)(1) 額定容量或額定功率：同步電機(jī)的額定容量是指出線端的額定視在功率，單位為或者；額定功率是指發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率，或指電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定機(jī)械功率，單位為或者；對(duì)于補(bǔ)償機(jī)則使用額定視在功率(或者無(wú)功功率)來(lái)表示。3）同步電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)效率：電機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比,通常用百分?jǐn)?shù)表示功率因數(shù)：電機(jī)輸入有效功率與視在功率之比定子槽滿率：繞組截面積和定子槽截面積比定子繞組電密I：定子繞組電流密度氣隙磁密B：氣隙磁通密度，與氣隙磁動(dòng)勢(shì)成正比噪聲：發(fā)電機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)A計(jì)權(quán)聲功率Db(A)振動(dòng)：發(fā)電機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度有效值第二章 同步電動(dòng)機(jī)的工作特性（1）磁場(chǎng)定義：三相同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng): 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：直流勵(lì)磁的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電動(dòng)勢(shì)：定子繞組：感應(yīng)頻率與同步轉(zhuǎn)速相同地電動(dòng)勢(shì)。同步電動(dòng)機(jī)的空氣隙間存在兩種不同方式產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)的空間位置不同時(shí)，根據(jù)磁極間同性相斥、異性相吸原理，它們之間會(huì)產(chǎn)生相互作用的電磁力。同樣大小的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用直軸磁路上和作用交軸磁路產(chǎn)生的磁通因此存在很大差別。上述關(guān)系可表示如下： —— –— –— –——電壓平衡方程：凸極同步電動(dòng)機(jī)定子電樞任一相的電勢(shì)方程功率傳遞過(guò)程：電網(wǎng)輸入電功率—〉很小部分消耗于定子銅耗—〉大部分通過(guò)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率—〉轉(zhuǎn)子獲得的總電磁功率—〉扣除定子鐵耗，機(jī)械損耗，附加損耗—〉軸上輸出機(jī)械功率圖22 同步電動(dòng)機(jī)功率流程圖第三章 電機(jī)設(shè)計(jì)基本方法（1）準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段需要我們準(zhǔn)備以下方面：首先熟悉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，收集相近電機(jī)產(chǎn)品樣本和技術(shù)資料，并聽(tīng)取生產(chǎn)以及使用單位地意見(jiàn)和要求；然后在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定及分析相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書(shū)或者技術(shù)建議書(shū)。主要尺寸是指電樞鐵心直徑D和長(zhǎng)度。在采用圓導(dǎo)線的半閉口槽中，一般用槽滿率來(lái)表示槽內(nèi)導(dǎo)線的填充程度。在計(jì)算結(jié)果的檢查方面，自制了復(fù)算程序，通過(guò)程序驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。（2）同步電動(dòng)機(jī)損耗及效率表52 損耗及效率單位：（w/kg）方案一方案二方案三氣隙磁密850085008800每槽導(dǎo)體數(shù)101110電樞齒部鐵耗電樞軛部鐵耗磁極極掌表面鐵耗總鐵耗電樞繞組銅耗勵(lì)磁損耗附加損耗375375375機(jī)械損耗總損耗（kw）效率93%%%從表52可以看出，無(wú)論增加每槽導(dǎo)體數(shù)還是增加氣隙磁密都會(huì)降低效率。在計(jì)算第一個(gè)方案的時(shí)候，曾經(jīng)遇到過(guò)轉(zhuǎn)子磁軛磁密的數(shù)據(jù)超過(guò)了16000，大到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度連表都查不到的情況。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，認(rèn)為定子相電壓約等于，則/=常值，即恒壓頻比的控制方式。忽略阻尼繞組的效應(yīng)。圖63 磁動(dòng)勢(shì)和磁通的空間矢量圖圖64 電壓、電流和磁鏈的時(shí)間向量圖圖64畫出了定子一相繞組的電壓、電流與磁鏈的時(shí)間相量圖。與此同時(shí)，乘以系數(shù)即得合成勵(lì)磁電流的給定信號(hào)，另外，按功率因數(shù)要求還可得定子電流勵(lì)磁分量給定信號(hào)。作為一個(gè)通用的工種設(shè)計(jì)平臺(tái)，Auto CAD還擁有強(qiáng)大的人機(jī)交互能力和簡(jiǎn)便的操作方法，十分方便廣大普通用戶，下面介紹一下Auto CAD的主要功能。通過(guò)DXF、IGES等圖形數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)Auto CAD和其他系統(tǒng)的集成。因此必須全面地、綜合地看問(wèn)題，并能因時(shí)因地制宜，針對(duì)具體情況采取不同的解決方案。作為一名工科的學(xué)生，我更深深地體會(huì)到知識(shí)更新、學(xué)無(wú)止境的重要性，因此，在今后的工作和生活當(dāng)中，將不斷地積極求學(xué)進(jìn)取，生命不息，讀書(shū)不止，這樣才能豐富和完善自己。(4) ia0, ib0 and ic0。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過(guò)程中，還得到了黃教授門下研究生王愛(ài)鳳學(xué)姐的幫助，在此一并表示感謝。手工核算主要的目的主要是使我們熟悉電機(jī)設(shè)計(jì)的一般步驟、程序，對(duì)電機(jī)各參量的相互聯(lián)系有更實(shí)際的認(rèn)識(shí)，為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。圖71 定子沖片圖跟定子沖片圖一樣，在實(shí)際工作生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)師會(huì)利用已有的轉(zhuǎn)子沖片圖設(shè)計(jì)電機(jī)繞組，主要是因?yàn)檫@樣可以有效的節(jié)省設(shè)計(jì)步驟，充分的利用已有資源。圖形輸出功能：圖形輸出包括屏幕顯示和打印出圖，Auto CAD提供了方便的縮放和平移等屏幕顯示工具，模型空間、圖紙空間、布局、發(fā)布和打印等功能極大地豐富了出圖選擇。第七章 Auto CAD 2004繪圖 CAD簡(jiǎn)介Auto CAD是由美國(guó)Autodesk公司開(kāi)發(fā)的大型計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件，主要用來(lái)繪制工種圖樣。圖65 同步電動(dòng)機(jī)基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值：整理以后得其中，上式表明，經(jīng)矢量分解后，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式獲得了和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩一樣的表達(dá)式。圖62 二極同步電動(dòng)機(jī)的物理模型圖中，定子三相繞組軸線A、B、C是靜止的，三相電壓、和三相電流、都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓供電下流過(guò)勵(lì)磁電流。在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于“恒功率調(diào)速”。（2）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器或電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)控制變頻裝置換相時(shí)刻的系統(tǒng)。電樞繞組電密規(guī)定范圍為800~900，而通過(guò)其計(jì)算公式可知，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)和主要尺寸已給出的情況下，電樞繞組電密只與線規(guī)S有關(guān)。這樣的變化也使得電樞鐵心長(zhǎng)變短，各項(xiàng)材料用量減少，同樣打到了節(jié)省材料的目的。第四章 電磁設(shè)計(jì)方案計(jì)算電磁設(shè)計(jì)方案的計(jì)算是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，即提供的數(shù)據(jù)以及技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行同步電動(dòng)機(jī)的電磁方案的計(jì)算。氣隙偏大則會(huì)導(dǎo)致空載電流增大、功率因數(shù)降低。通常，首先根據(jù)技術(shù)條件書(shū)或技術(shù)任務(wù)書(shū)或技術(shù)建議書(shū)中規(guī)定的防護(hù)型式、安裝方式與冷卻方式，然后考慮電磁計(jì)算中所選負(fù)荷的高低，來(lái)選取合適的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；然后安排產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)，繪制總裝配草圖。實(shí)踐證明，在不計(jì)磁飽和時(shí)，這種方法的效果滿足要求。轉(zhuǎn)矩性質(zhì)和運(yùn)行方式：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順著旋轉(zhuǎn)方向滯后定子磁場(chǎng)運(yùn)行：拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩+電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順著旋轉(zhuǎn)方向滯后定子磁場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子受到與其轉(zhuǎn)向相同的電磁轉(zhuǎn)矩作用。切割靜止的定子繞組時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子三相繞組中感應(yīng)出的頻率相同、時(shí)間相位卻不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí), 以機(jī)械方式形成旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，在氣隙中形成另一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。它的旋轉(zhuǎn)速度即為同步速度，為；旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閺某半娏鞯南噢D(zhuǎn)向滯后電流的相；當(dāng)某相電流達(dá)到最大值瞬間，旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)振幅恰好轉(zhuǎn)到該相繞組軸線處。(5) 額定頻率：指額定運(yùn)行時(shí)的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為。防護(hù)型式同步電機(jī)常用的防護(hù)型式有封閉式，防護(hù)式，氣候防護(hù)式以及開(kāi)啟式。阻尼繞組在同步發(fā)電機(jī)中起到機(jī)制轉(zhuǎn)子機(jī)械震蕩的作用；在同步電動(dòng)機(jī)中起到啟動(dòng)繞組的作用。隱極式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度很高，所以多用于高速同步電機(jī)。電樞繞組為三相對(duì)稱交流繞組，一般多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內(nèi)。由于同步電機(jī)的電樞功率很大，電壓很高，所以不容易通過(guò)滑環(huán)導(dǎo)入或?qū)С?。圖11 汽輪發(fā)電機(jī)圖12 水輪發(fā)電機(jī)按電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載分，有均勻負(fù)載、交變負(fù)載和沖擊負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用使得同步電動(dòng)機(jī)的速度可調(diào)，再加上同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可調(diào)，使得同步電動(dòng)機(jī)成為同步電機(jī)的一種重要的運(yùn)行方式。同步電機(jī)一般把電樞繞組放置在定子上，把磁極放置在轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁繞組套在磁極上。自從電力電子變壓變頻技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)并獲得廣泛應(yīng)用以后，情況就大不相同了，采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制，同步電動(dòng)機(jī)便和異步電動(dòng)機(jī)一樣成為調(diào)速電機(jī)家族的一員，原來(lái)由于供電電源頻率固定不變而阻礙同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的問(wèn)題都已迎刃而解。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，介紹了三相同步電動(dòng)機(jī)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了嘗試。它的主要運(yùn)行方式有三種，即同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及同步補(bǔ)償機(jī)。以同步補(bǔ)償機(jī)方式運(yùn)行時(shí)，實(shí)際上是一臺(tái)接在交流電網(wǎng)上空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。同步電機(jī)用作發(fā)電機(jī)時(shí)，是應(yīng)用最廣泛的。由于勵(lì)磁繞組的功率與電樞的功率相比，所占比例較小，勵(lì)磁電壓又較低，因此使磁極旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑環(huán)為勵(lì)磁繞組供電較容易實(shí)現(xiàn)。定子機(jī)座是支承部件，作用為安放定子鐵心和電樞繞組，并且構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑，因此它要有足夠的剛度和強(qiáng)度。在同步電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)而需要承受很大的機(jī)械應(yīng)力，所以隱極式轉(zhuǎn)子大多采用整塊強(qiáng)度高和良好導(dǎo)磁性能的鑄鋼或鍛鋼加工而成?；h(huán)裝在轉(zhuǎn)子軸上，由引線連接到勵(lì)磁繞組，并且由電刷接到勵(lì)磁裝置。安裝型式同步電動(dòng)機(jī)常用的安裝型式有底角安裝、用底角附帶凸緣安裝和用凸緣安裝等三種。(6) 額定轉(zhuǎn)速：指同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。這旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)是以電氣方式形成的。因?yàn)榇艌?chǎng)隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，稱為直流勵(lì)磁的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)間相位差和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的空間相位差相等。此時(shí)，電樞磁場(chǎng)作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子拖動(dòng)外部機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，此為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式。），把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成直軸與交軸磁動(dòng)勢(shì)、兩個(gè)分量，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)磁導(dǎo)分別計(jì)算出其所產(chǎn)生的直軸、交軸電樞磁通。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對(duì)總裝配草圖進(jìn)行必要的修改。但是氣隙不能過(guò)小，否則除了影響機(jī)械可靠性以外，還會(huì)使諧波磁場(chǎng)以及諧波漏抗增大，這會(huì)造成諧波轉(zhuǎn)矩以及附加損耗的增加，進(jìn)而造成較高溫升與較大噪聲。提供的額定數(shù)據(jù)： 75KW 3 400V 50Hz 4 25cm 43cm 30cm 48技術(shù)要求： ≥% ~ 800~900 7500~8800如下表：表41 凸極式三相同步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算方案一方案二方案三一、額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求1．額定功率7575752．相數(shù)3333．額定線電壓4004004004．額定相電壓5．額定頻率5050506．極數(shù)4447．額定效率8．額定功率因數(shù)9．額定相電流10．額定轉(zhuǎn)速15001500150011．額定轉(zhuǎn)矩12．機(jī)座中心高（cm）25252513．定子槽滿率80~85%%14．定子繞組電密7~15．氣隙磁密~二、定子沖片設(shè)計(jì)16．定子外徑43434317．定子內(nèi)徑30303018．定子槽數(shù)48484819．電樞拼片條件（1）每圈扇形片數(shù)666（2）重疊數(shù)222（3）每片槽數(shù)888（4）扇形片高（5）扇形片寬（6）無(wú)軸流拼片條件66620．每極每相槽數(shù)44421．極距22．定子槽形(1) (2)(3)(4)(5)(6)R23．每槽有效面積為絕緣層厚度,E級(jí)取=,為槽楔厚, =2r（1）直徑位置303030槽節(jié)距槽寬齒 寬（2）直徑位置槽節(jié)距槽寬齒 寬（3）直徑位置333333槽節(jié)距槽寬齒 寬25．定子齒距25．平均齒寬=1/3[bz2,bz3中之大者+2（bz2,bz3之最小者）]27．電樞卡氏系數(shù)其中：槽節(jié)距三、轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)28．氣隙長(zhǎng)度=29．最大氣隙30．轉(zhuǎn)子外徑31．磁軛