【文章內(nèi)容簡介】 ......................................................................................... 86 致 謝 ............................................................................................................................ 87 附錄 ............................................................................................................................... 88 外文資料原文 .......................................................................................................... 89 外文資料譯文 .......................................................................................................... 99 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 在直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)三大電機(jī)形式中，同步電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的性能和多樣的結(jié)構(gòu)而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活中、航空航天和國防等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。為獲得高性能、高精度的執(zhí)行效果，常常使用變頻器對同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，本文正是針對這樣一種需求產(chǎn)生的。 本文所涉及的電機(jī)是由變頻調(diào)速回路控制的同步電動(dòng)機(jī)，即后文所說的變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī) 。 概述 本文設(shè)計(jì)的電機(jī)是用于 變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是除了要符合同步機(jī)適用于電動(dòng)機(jī)的一般要求外，還應(yīng)符合上文指出的對變頻調(diào)速的特殊要求。根據(jù)用戶提出的數(shù)據(jù)規(guī)格的要求，該電動(dòng)機(jī)也就沿用傳統(tǒng)電機(jī)軸向立式的結(jié)構(gòu)。這樣可以參考和借用已有的規(guī)格電機(jī)的機(jī)座、定子等部件的結(jié)構(gòu)尺寸，以提高這些部件的通用性，縮短電機(jī)的研制周期，并且節(jié)省研制資金。 同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活，幾乎離不開各種各樣的電機(jī)。電機(jī)已是當(dāng)今生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中最重要的原動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置。電機(jī)數(shù)量之多，應(yīng)用范圍之廣，地位之重要，沒有其它設(shè)備 所能與之相比。 同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī) 。 同步電機(jī)的應(yīng)用 也 是十分廣泛的。比如： TYZ 系列同步電機(jī)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，遇到一定阻力時(shí)能夠自動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)，常用于轉(zhuǎn)向要求不高的恒轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)場合，如旋轉(zhuǎn)燈具、圣誕樹、廣告畫等。但是可以通過在電機(jī)內(nèi)部安裝機(jī)械定向裝置，實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)，使該產(chǎn)品能夠用于塑封機(jī)等有轉(zhuǎn)向要求的場合。 TYD 系列可逆同步電機(jī)同 TYZ 系列的區(qū)別是：該系列電機(jī)內(nèi)部采用兩組繞組，用電容實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)。通過改變電容和電機(jī)輸出引線的接法，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)電機(jī)定向旋轉(zhuǎn)并控制旋轉(zhuǎn)方向。本系列電機(jī)功 率比 TYZ 系列大。主要用于監(jiān)控器材、醫(yī)療器械、辦公設(shè)備和自動(dòng)麻將桌等。 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡介 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成，成為一個(gè)有機(jī)的整體。各部分之間的不同組合，可以構(gòu)成多種多樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然調(diào)速傳動(dòng)從電流型上分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩大類，但在交流調(diào)速中，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為兩類占有相當(dāng)比重的調(diào)速系統(tǒng)，且同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)占主導(dǎo)地位，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也并未被淘汰，它在電氣調(diào)速系統(tǒng)中仍占有一席之地。 本文所要介紹的是同步電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速系統(tǒng)，接下來簡要介紹一下同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的有關(guān)理論知識，普通的同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上要比籠型異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡單。和同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，它具有效率高、過載能力大、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、省維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以做到大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓。雖說同步電動(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但客觀來將，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速也有自身的缺點(diǎn)和不足： （ 1）同步電動(dòng)機(jī)需要在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵(lì)磁裝置。無論是無刷勵(lì)磁還是有刷勵(lì)磁，和籠型異步電動(dòng)機(jī)相比，都要增加維護(hù)工作量。 （ 2）同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制比異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制復(fù)雜，需要準(zhǔn) 確檢測轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)子磁鏈位置。 總的來講，在三種調(diào)速系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)雖然調(diào)速系統(tǒng)歷史悠久，技術(shù)成熟，并且在不斷的完善自己，但由于直流電動(dòng)機(jī)的固有缺陷，必然被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代，與異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比較，有競爭力的當(dāng)屬同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，它引起了人們的極大興趣，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域占有很大的比重，從國內(nèi)外研究和國外引進(jìn)設(shè)備來看，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)越來越受到電氣傳動(dòng)專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員的廣泛重視，相信不久的將來，在取代直流調(diào)速系統(tǒng)方面其作用將超過異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 第二章 同步電動(dòng)機(jī)的概述 3 第二章 同步電動(dòng)機(jī)的概述 同步電動(dòng)機(jī)歷 來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格同步著稱的，只要電源頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對不變。小到電鐘和記錄式儀表的定時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大到大型同步電動(dòng)機(jī)一直流發(fā)電機(jī)組，無一不是為了發(fā)揮其轉(zhuǎn)速恒定的優(yōu)勢而得到應(yīng)用的。除此以外，同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到 ，甚至超前。在一個(gè)工廠里，只需有一臺或幾臺大容量設(shè)備 (例如水泵、空氣壓縮機(jī) )采用同步電動(dòng)機(jī)，就足以改善全廠的功率因數(shù)。 同步電動(dòng)機(jī)是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理的一種交流旋轉(zhuǎn)，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電流頻率維持嚴(yán)格不變 的關(guān)系，即 60fnp?。而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是可以變化的。 同步電動(dòng)機(jī)用途和主要類型 同步電動(dòng)機(jī)的用途 同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，用以拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，尤其是在不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械中，同步電動(dòng)機(jī)用的很多，可通過調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步電機(jī)還可作為同步調(diào)相機(jī)使用，同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺接在交流電網(wǎng)上空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，能向電網(wǎng)發(fā)出感性的無功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。 同步電動(dòng)機(jī)的主要類型 同步電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)形式分為旋轉(zhuǎn) 電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式，其中旋轉(zhuǎn)電樞式在小容量同步電動(dòng)機(jī)中得到某些應(yīng)用；而應(yīng)用比較廣泛，并成為同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式的是旋轉(zhuǎn)磁極式。 對于旋轉(zhuǎn)磁極同步電動(dòng)機(jī)按照磁極的形狀又可分為凸極式和隱極式，兩者的區(qū)別見下表： 磁極的形狀 氣隙特性 轉(zhuǎn)子形狀 結(jié)構(gòu)特性 采用條件 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w4 凸極式 不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部氣隙較大 結(jié)構(gòu)簡單 1500 minnr?（ 24p? ） 隱極式 均勻 圓柱形 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 轉(zhuǎn)速較高 圖 同步電動(dòng)機(jī) 的磁極結(jié)構(gòu)分類 按照軸的安裝方式還可分為立式和臥式，按照冷卻方式可分為空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻、混合冷卻方式。 此外，根據(jù)轉(zhuǎn)子有無勵(lì)磁， 同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu) 還可分為 兩種： 轉(zhuǎn)子用直流電進(jìn)行勵(lì)磁。它的轉(zhuǎn)子做成 凸 極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場線圈是由一只小型 直流發(fā)電機(jī) 或蓄電池來激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵(lì)磁電流。 由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠 式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍，結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。 當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵(lì)，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。 轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁的同步電機(jī) 。 轉(zhuǎn)子不勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)用于單相電源上，也能運(yùn)用于多相電源上。這種電動(dòng)機(jī)中，有 一種的定子繞組與分相電動(dòng)機(jī)或多相電動(dòng)機(jī)的定子相似，同時(shí)有一個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的第二章 同步電動(dòng)機(jī)的概述 5 表面切成平面。所以是屬于 凸 極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠繞組是用來產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子 凸 極就跟住定子線圈的電流頻率而達(dá)到同步。 凸極的極性是由定子感應(yīng)出來的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時(shí)，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步 。 同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn) 及優(yōu)點(diǎn) 同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn) 同步電動(dòng)機(jī)的基本 特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載的變化而變化，它的功率因數(shù)可調(diào)節(jié)。特別是在過勵(lì)狀態(tài)下，還可使功率因數(shù)超前，從而提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，專門用來調(diào)節(jié)無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 同步電動(dòng)機(jī)及同步調(diào)相機(jī)一般都采用凸極結(jié)構(gòu)。為了能夠自起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上還裝有起動(dòng)繞組。 同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的比較 同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)比較有下列優(yōu)點(diǎn)： ① 轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，過載能力強(qiáng)。同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對電壓和轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，能做出比較快的反應(yīng)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)差率也跟著變化，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化，但是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性阻礙電機(jī)響應(yīng)的快速性。同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，只要電機(jī)的功角做適當(dāng)變化，而轉(zhuǎn)速始終維持在原夾的同步速不變，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性不會(huì)影響電機(jī)對轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額足轉(zhuǎn)矩的 3 倍以上，對電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運(yùn)行非常有利。 ② 高功率因數(shù)、高效率同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，可以不需要無功勵(lì)磁電流，以致顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn) 子銅耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇容量甚至去掉風(fēng)扇，從而減小甚至省去了相應(yīng)的風(fēng)摩損耗。這樣，它的效率比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)可以提高 2一 8 個(gè)百分點(diǎn)。 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w6 ③ 結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許許多多的品種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常生活到航空航天，從簡單電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，幾乎無所不在。 同步電動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)件 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)和異步電機(jī)相同，都是由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 其 主要 結(jié)構(gòu)部件有 :定子、轉(zhuǎn)子、軸承裝置、滑環(huán)裝置和底板等， 其中定子 與轉(zhuǎn)子之間為空氣隙，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 定子結(jié)構(gòu) 同步電動(dòng)機(jī)的定子 由鐵心、電樞繞組、機(jī)座以及端蓋等結(jié)構(gòu)件組成。 定子鐵心是構(gòu)成磁路的部件，一般采用硅鋼片疊裝而成，以減少磁滯和渦流損耗。定子沖片分段疊裝，每段之間有通風(fēng)槽片，以構(gòu)成徑向通風(fēng)。大型同步電動(dòng)機(jī)由于尺寸太大，硅鋼片常為扇形沖片，然后組裝成圓形。電樞繞組為三相對稱交流繞組，多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內(nèi)。 第二章 同步電動(dòng)機(jī)的概述 7 定子機(jī)座是支承部件，用于安放定子鐵心和電樞繞組，并構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑 ，因此要求它有足夠的剛度和強(qiáng)度。大型同步電機(jī)的機(jī)座都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。 端蓋的作用與異步電機(jī)相同，將電機(jī)本體的兩端封蓋起來，并與機(jī)座、定子鐵心和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成電機(jī)內(nèi)部完整的通風(fēng)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，通常由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、勵(lì)磁繞組和滑環(huán)等組成。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種類型，可分為隱極式和凸極式兩種。 隱極式轉(zhuǎn)子如圖 所示，轉(zhuǎn)子呈圓柱形，無明顯的磁極。隱極式轉(zhuǎn)子的圓周上開槽，槽中嵌放分布式直流勵(lì)磁繞組。隱極式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，故多用于高速同步電動(dòng)機(jī)。在同步電動(dòng)機(jī)運(yùn) 行過程中，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機(jī)械應(yīng)力，所以隱極式轉(zhuǎn)子大多由整塊強(qiáng)度高和導(dǎo)磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。隱極電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，圓周上各處的磁阻相同。 凸極式轉(zhuǎn)子如圖 所示，結(jié)構(gòu)比較簡單，磁極形狀與直流機(jī)相似，磁極上裝有集中式直流勵(lì)磁繞阻。凸極式轉(zhuǎn)子制造方便，容易制成多極，但是機(jī)械強(qiáng)度低，多用于中速或低速的場合。凸極電動(dòng)機(jī)的氣隙是不均勻的，圓周上各處的磁阻各不相同，在轉(zhuǎn)子磁極的幾何中線處氣隙最大，磁阻也大。 此外，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極表面都裝有類似籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的短路繞組，由嵌入磁極表面的若 干銅條組成，這些銅條的兩端用短路環(huán)聯(lián)結(jié)起來。此繞組在同步電動(dòng)機(jī)中主要作起動(dòng)繞組使用，同步運(yùn)行時(shí)也起穩(wěn)定作用。 滑環(huán)裝在轉(zhuǎn)子軸上，經(jīng)引線接至勵(lì)磁繞組，并借電刷接到勵(lì)磁裝置。 同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁 系統(tǒng) 勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁裝置主要有2個(gè)作用：一是完成同步機(jī)的異步啟動(dòng)并牽入同步運(yùn)行；二是進(jìn)行勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)控制。在電力網(wǎng)運(yùn)行中，要求功率因數(shù)越大越好，希望電網(wǎng)視在功率中的大部分為有功功率。提高企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，既發(fā)揮供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、改善電壓質(zhì)量，又減少線路損失、提