【正文】 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學 士 學 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2006—2010年）題 目75kw4極變頻調速同步電動機電磁方案及控制系統(tǒng)的設計75kw4極變頻調速同步電動機電磁方案及控制系統(tǒng)的設計摘要同步電機用作電動機具有很多優(yōu)點，只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉速就絕對不變。若電網的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉速恒為常數而與負載的大小無關。以同步電動機方式運行時，在電機的電子繞組上加三相交流電，電機里將產生旋轉磁場。按用途來分，有發(fā)電機、電動機、補償機。因此，驅動球磨機、壓縮機等大功率、低轉速的機械設備，常采用同步電機。定子部分：由鐵心、電樞繞組、機座及端蓋等結構部件組成。轉子部分：由轉子鐵心、轉軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環(huán)等組成。凸極式轉子制造很方便，且容易制成多極，但是機械強度低，大多用于中速或低速的場合，例如水輪發(fā)電機。在電動機方面，傳統(tǒng)的同步電機最大的缺點就是頻率一定時轉速也固定，這限制了同步電動機在很多場合的應用。2）同步電動機銘牌額定數據(1) 額定容量或額定功率：同步電機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)電機輸出的額定有功功率，或指電動機軸上輸出的額定機械功率，單位為或者；對于補償機則使用額定視在功率(或者無功功率)來表示。3）同步電動機主要技術指標效率：電機輸出機械功率與輸入電功率之比,通常用百分數表示功率因數：電機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，與氣隙磁動勢成正比噪聲：發(fā)電機在空載穩(wěn)態(tài)運行時A計權聲功率Db(A)振動：發(fā)電機在空載穩(wěn)態(tài)運行時振動速度有效值第二章 同步電動機的工作特性（1）磁場定義：三相同步電動機運行時有兩個旋轉磁場: 定子旋轉磁場以及轉子旋轉磁場。轉子旋轉磁場：直流勵磁的旋轉磁場。電動勢：定子繞組：感應頻率與同步轉速相同地電動勢。同步電動機的空氣隙間存在兩種不同方式產生的旋轉磁場，所以，當兩個磁場的空間位置不同時，根據磁極間同性相斥、異性相吸原理，它們之間會產生相互作用的電磁力。同樣大小的電樞磁動勢作用直軸磁路上和作用交軸磁路產生的磁通因此存在很大差別。上述關系可表示如下： —— –— –— –——電壓平衡方程：凸極同步電動機定子電樞任一相的電勢方程功率傳遞過程：電網輸入電功率—〉很小部分消耗于定子銅耗—〉大部分通過定、轉子磁場相互作用，電功率轉換成機械功率—〉轉子獲得的總電磁功率—〉扣除定子鐵耗，機械損耗，附加損耗—〉軸上輸出機械功率圖22 同步電動機功率流程圖第三章 電機設計基本方法（1）準備階段準備階段需要我們準備以下方面：首先熟悉國家標準，收集相近電機產品樣本和技術資料，并聽取生產以及使用單位地意見和要求；然后在國家標準有關規(guī)定及分析相應資料的基礎上，編制技術任務書或者技術建議書。主要尺寸是指電樞鐵心直徑D和長度。在采用圓導線的半閉口槽中，一般用槽滿率來表示槽內導線的填充程度。在計算結果的檢查方面，自制了復算程序，通過程序驗證了結果的可靠性。（2）同步電動機損耗及效率表52 損耗及效率單位：（w/kg）方案一方案二方案三氣隙磁密850085008800每槽導體數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磁損耗附加損耗375375375機械損耗總損耗（kw）效率93%%%從表52可以看出，無論增加每槽導體數還是增加氣隙磁密都會降低效率。在計算第一個方案的時候，曾經遇到過轉子磁軛磁密的數據超過了16000，大到轉子磁場強度連表都查不到的情況。當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，認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。圖63 磁動勢和磁通的空間矢量圖圖64 電壓、電流和磁鏈的時間向量圖圖64畫出了定子一相繞組的電壓、電流與磁鏈的時間相量圖。與此同時，乘以系數即得合成勵磁電流的給定信號，另外，按功率因數要求還可得定子電流勵磁分量給定信號。作為一個通用的工種設計平臺，Auto CAD還擁有強大的人機交互能力和簡便的操作方法，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DXF、IGES等圖形數據接口，可以實現Auto CAD和其他系統(tǒng)的集成。因此必須全面地、綜合地看問題，并能因時因地制宜，針對具體情況采取不同的解決方案。作為一名工科的學生，我更深深地體會到知識更新、學無止境的重要性，因此，在今后的工作和生活當中，將不斷地積極求學進取，生命不息，讀書不止，這樣才能豐富和完善自己。(4) ia0, ib0 and ic0。本次畢業(yè)設計的完成過程中，還得到了黃教授門下研究生王愛鳳學姐的幫助，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設計的一般步驟、程序，對電機各參量的相互聯(lián)系有更實際的認識，為下一步的優(yōu)化設計打下基礎。圖71 定子沖片圖跟定子沖片圖一樣，在實際工作生產中，設計師會利用已有的轉子沖片圖設計電機繞組，主要是因為這樣可以有效的節(jié)省設計步驟，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簡介Auto CAD是由美國Autodesk公司開發(fā)的大型計算機輔助繪圖軟件，主要用來繪制工種圖樣。圖65 同步電動機基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)根據機電能量轉換原理，同步電動機的電磁轉矩可以表達為：旋轉磁動勢幅值：整理以后得其中，上式表明，經矢量分解后，同步電動機的轉矩公式獲得了和直流電動機轉矩一樣的表達式。圖62 二極同步電動機的物理模型圖中，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，轉子以同步轉速旋轉，轉子上的勵磁繞組在勵磁電壓供電下流過勵磁電流。在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”，在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，屬于“恒功率調速”。（2）自控變頻調速系統(tǒng)用電動機本身軸上所帶轉子位置檢測器或電動機反電動勢波形提供的轉子位置信號來控制變頻裝置換相時刻的系統(tǒng)。電樞繞組電密規(guī)定范圍為800~900，而通過其計算公式可知，當同步電動機的額定數據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。這樣的變化也使得電樞鐵心長變短，各項材料用量減少，同樣打到了節(jié)省材料的目的。第四章 電磁設計方案計算電磁設計方案的計算是根據設計要求，即提供的數據以及技術要求來進行同步電動機的電磁方案的計算。氣隙偏大則會導致空載電流增大、功率因數降低。通常，首先根據技術條件書或技術任務書或技術建議書中規(guī)定的防護型式、安裝方式與冷卻方式，然后考慮電磁計算中所選負荷的高低，來選取合適的通風冷卻系統(tǒng)；然后安排產品的總體結構，繪制總裝配草圖。實踐證明，在不計磁飽和時，這種方法的效果滿足要求。轉矩性質和運行方式：轉子磁場順著旋轉方向滯后定子磁場運行：拖動轉矩+電動機運行方式轉子磁場順著旋轉方向滯后定子磁場運行時，轉子受到與其轉向相同的電磁轉矩作用。切割靜止的定子繞組時，旋轉磁場在定子三相繞組中感應出的頻率相同、時間相位卻不同的感應電動勢。當轉子旋轉時, 以機械方式形成旋轉磁通勢，在氣隙中形成另一種旋轉磁場。它的旋轉速度即為同步速度，為；旋轉方向為從超前電流的相轉向滯后電流的相；當某相電流達到最大值瞬間，旋轉磁勢振幅恰好轉到該相繞組軸線處。(5) 額定頻率：指額定運行時的頻率，我國標準工頻規(guī)定為。防護型式同步電機常用的防護型式有封閉式，防護式，氣候防護式以及開啟式。阻尼繞組在同步發(fā)電機中起到機制轉子機械震蕩的作用；在同步電動機中起到啟動繞組的作用。隱極式轉子的機械強度很高，所以多用于高速同步電機。電樞繞組為三相對稱交流繞組，一般多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內。由于同步電機的電樞功率很大，電壓很高，所以不容易通過滑環(huán)導入或導出。圖11 汽輪發(fā)電機圖12 水輪發(fā)電機按電動機帶動的負載分，有均勻負載、交變負載和沖擊負載的電動機。變頻調速技術的運用使得同步電動機的速度可調，再加上同步電動機的功率因數可調，使得同步電動機成為同步電機的一種重要的運行方式。同步電機一般把電樞繞組放置在定子上，把磁極放置在轉子上，勵磁繞組套在磁極上。自從電力電子變壓變頻技術開發(fā)出來并獲得廣泛應用以后，情況就大不相同了，采用電壓頻率協(xié)調控制，同步電動機便和異步電動機一樣成為調速電機家族的一員，原來由于供電電源頻率固定不變而阻礙同步電動機廣泛應用的問題都已迎刃而解。本文在前人的研究基礎上，介紹了三相同步電動機機的設計要點，并對變頻調速系統(tǒng)的設計做了嘗試。它的主要運行方式有三種，即同步發(fā)電機、同步電動機及同步補償機。以同步補償機方式運行時，實際上是一臺接在交流電網上空載運行的同步電動機。同步電機用作發(fā)電機時，是應用最廣泛的。由于勵磁繞組的功率與電樞的功率相比，所占比例較小，勵磁電壓又較低，因此使磁極旋轉，通過滑環(huán)為勵磁繞組供電較容易實現。定子機座是支承部件，作用為安放定子鐵心和電樞繞組，并且構成所需的通風路徑，因此它要有足夠的剛度和強度。在同步電機的運行過程中，轉子因為高速旋轉而需要承受很大的機械應力，所以隱極式轉子大多采用整塊強度高和良好導磁性能的鑄鋼或鍛鋼加工而成?；h(huán)裝在轉子軸上，由引線連接到勵磁繞組，并且由電刷接到勵磁裝置。安裝型式同步電動機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) 額定轉速：指同步電機的同步轉速。這旋轉磁通勢是以電氣方式形成的。因為磁場隨轉子一同旋轉，稱為直流勵磁的旋轉磁場。繞組的感應電動勢時間相位差和旋轉磁場間的空間相位差相等。此時，電樞磁場作用在轉子上的轉矩為拖動轉矩，轉子拖動外部機械負載旋轉，此為電動機運行方式。），把電樞磁動勢分解成直軸與交軸磁動勢、兩個分量，然后根據對應磁導分別計算出其所產生的直軸、交軸電樞磁通。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對總裝配草圖進行必要的修改。但是氣隙不能過小，否則除了影響機械可靠性以外，還會使諧波磁場以及諧波漏抗增大，這會造成諧波轉矩以及附加損耗的增加，進而造成較高溫升與較大噪聲。提供的額定數據： 75KW 3 400V 50Hz 4 25cm 43cm 30cm 48技術要求： ≥% ~ 800~900 7500~8800如下表：表41 凸極式三相同步電動機電磁計算方案一方案二方案三一、額定數據和技術要求1．額定功率7575752．相數3333．額定線電壓4004004004．額定相電壓5．額定頻率5050506．極數4447．額定效率8．額定功率因數9．額定相電流10．額定轉速15001500150011．額定轉矩12．機座中心高（cm）25252513．定子槽滿率80~85%%14．定子繞組電密7~15．氣隙磁密~二、定子沖片設計16．定子外徑43434317．定子內徑30303018．定子槽數48484819．電樞拼片條件（1）每圈扇形片數666（2）重疊數222（3）每片槽數888（4）扇形片高（5）扇形片寬（6）無軸流拼片條件66620．每極每相槽數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．電樞卡氏系數其中：槽節(jié)距三、轉子沖片設計28．氣隙長度=29．最大氣隙30．轉子外徑31．磁軛