【文章內(nèi)容簡介】 電磁方案設計；變頻調(diào)速；矢量控制 Design of electromagnetic and control system for 10kw6p electric excitation synchronous motor Abstract This paper introduces the structure of an synchronous motor and the operating principles，and analyze electromagnetic structure of the synchronous motor and the impact on motor performance . a number of electromagnetic designs are developed and pared to analyze the advantages and disadvantages of electromagnetic ：with higher efficiency the volume of the motor is correspondingly increased, and costs will increase 。 the volume and material costs are reduced with reduceing efficiency . and the appropriate motor design parameters are choosed by parative analysis to develop optimal design of synchronous motor In the design, synchronous motor starting and speed performances are analyzed . With the power electronics and puter control technology developing, frequency control is applied to electric synchronous motor speed control system .the paper analyzes vector control algorithm and proposes torque control and field weakening control method, and designs frequency control system of a synchronous motor on requestKeyword: synchronous motor。 electromagnetic design。 vector control。 frequency control目錄摘要……………………………………………………………………Abstract………………………………………………………………緒論………………………………………………………………第一章 同步電機概論……………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………第二章 同步電動機的運行分析 、相量圖及功角特性………………………………第三章 同步電機變頻調(diào)速分析………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 同步電動機矢量控制……………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………………………………… …………………………………………………… ……………………………………………… ………………………………………………………第四章 自控式同步電動機及其控制系統(tǒng)………………………………………… ……………………………………… ………………………………………………… …………………………………………… ………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………第五章 同步電動機的電磁方案設計…………………………………………… 同步電動機設計思路……………………………………………………… 同步電動機設計…………………………………………………………… 數(shù)據(jù)對比…………………………………………………………………… 同步電機設計方案對比分析……………………………………………… 同步電動機設計工作總結(jié)………………………………………………… 同步電動機cad附圖………………………………………………………第六章 調(diào)速控制系統(tǒng)硬件組成……………………………………………… 調(diào)速系統(tǒng)主電路…………………………………………………………… 控制電路…………………………………………………………………… 調(diào)速系統(tǒng)舉例………………………………………………………………第七章 AUTO CAD 2006繪圖…………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………第八章 總結(jié)…………………………………………………………… 參考文獻（References）……………………………………………………………致 謝……………………………………………………………外文資料原文及譯文…………………………………………………………… 前言隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速在同步電動機的調(diào)速系統(tǒng)中的實現(xiàn)，使同步電動機的應用場合大為擴大。同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速只跟電網(wǎng)的頻率有關(guān)與負載無關(guān)，同時具備類似直流電動機優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性，及其功率因數(shù)能高達1，較一般感應電機而言，效率較高。同步電動機從勵磁角度，可分為電勵磁和永磁同步電動機。同步電動機正朝著永磁方向發(fā)展，而且永磁同步電動機因其優(yōu)良的工作特性和高效率等優(yōu)點正被廣泛地開發(fā)和應用。同步電動機用于多軸控制系統(tǒng)。研究電勵磁同步電動機結(jié)構(gòu)和原理就顯得很有必要。第一章 同步電機同步電機是由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場。同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。同步電機的定子有時也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等部件所組成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)型式，即凸極式和隱極式。這是根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙的分布情況來定義的。如下圖：1）凸極式：有上圖可見，轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。 區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn) 的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。同步電機的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率 。對于電動機而言：輸出的是機械功率。，單位是KW。4） 相數(shù)m ：一般m=3。5）額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz.6）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機的同步速，在一定極數(shù)及頻率時，它的轉(zhuǎn)速是定值。同步電機的三種運行方式如右圖：1）轉(zhuǎn)子軸線超前定子軸線，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)顯然是發(fā)電機。2）轉(zhuǎn)子軸線和定子軸線相重合，此時的功角為零，電磁轉(zhuǎn)矩為0，所以這是一種從發(fā)電機向電動機過度的臨界狀態(tài)。3）轉(zhuǎn)子軸線滯后與定子軸線一個功角，此時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動性質(zhì)，所以我們可以斷定電機為電動機。第二章 三相同步電動機、相量圖及功角特性同步電動機的電勢平衡方程式及相量圖，可以通過同步發(fā)電機的電勢平衡方程式及相量圖轉(zhuǎn)化求得。一、基本方程式：電動勢：同理可得出凸極式：相量圖：相對與發(fā)電機，即可作出相應的電動機的相量圖。3．功角特性：在同步發(fā)電機中，我們令電流流出的方向為正方向，而在電動機中，理論上，我們?nèi)匀豢梢赃@樣，但為了大家好理解，我們設電流流入的方向為正方向。這樣，我們可以仿照同步發(fā)電機列出同步電動機的功角特性表達示： 即：這樣，我們就可以畫出凸極同步電動機的功角特性曲線。為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小容量同步電動機的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應電勢此時電動機的電磁功率并不為零，仍有有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉(zhuǎn)。當三相同步電動機定子對稱繞組接到三相對稱電源上的時候，就會產(chǎn)生三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁通勢氣，簡稱電樞磁通勢，其空間向量用表示。假設電樞磁通勢的轉(zhuǎn)向為逆時針方向，其轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁通勢的大小為式中為每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；是每相繞組的基波繞組系數(shù)；是每相電流的有效值；是電機的極對數(shù)。 在同步電動機穩(wěn)定運行時，它的轉(zhuǎn)子也是逆時針方向以同步速旋轉(zhuǎn)著，而且轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組還流過直流勵磁電流。由勵磁電流產(chǎn)生的基波磁通勢，稱為勵磁磁通勢，其空間向量用表示。由于勵磁電流是直流電流，勵磁磁通勢相對于轉(zhuǎn)子式靜止的，但轉(zhuǎn)子本身以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)著，所以勵磁磁通勢相對于定子也是逆時針方向以同步速旋轉(zhuǎn)。勵磁磁通勢的大小為式中為一對磁極的匝數(shù)；為勵磁繞組的分布系數(shù)，對于凸極同步電動機，=1；是勵磁電流。 這樣，作用在同步電動機的主磁路上就有兩個磁通勢，即勵磁磁通勢和電樞磁通勢，它們都以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)，但兩者在空間位置上不一定重合在一起，可以是一前一后地旋轉(zhuǎn)。同步電動機的電動勢相量圖同步電動機的功率因數(shù)是超前還是滯后，和發(fā)電機一樣決定于勵磁狀態(tài)。 先看一下同步電動機的V型曲線，注意到：1）過勵時，電動機從電網(wǎng)中吸入超前的無功電流，2）欠勵時，從電網(wǎng)中吸入滯后的無功功率電流，顯然，電動機的功率因數(shù)是可以通過改變勵磁電流來進行調(diào)節(jié)的。我們知道，感應電動機必須從電網(wǎng)吸收激磁電流來建立磁場，所以現(xiàn)代電網(wǎng)的功率因數(shù)經(jīng)常是滯后性的。而同步電動機在過勵時，能夠從電網(wǎng)吸入超前電流。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應電動機接在同一電網(wǎng)上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。同步電動機能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，這是它最可貴的優(yōu)點。第三章 同步電機變頻調(diào)速交流電機與直流電機相比具有一下特點：（1） 單機容量不受限制 眾所周知，直流電機由于換向器的換向能力限制了電機的容量和速度，直流電機的極限容量和速度之積約為，而交流電機單機容量可突破這一限制。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式，變頻調(diào)速同步電機的單機容量已可以做到56MW（2） 體積小、重量輕、占地面積小由于交流電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、占地面積比直流電機大大減小。而直流電機不僅單機體積大，而且為了減小轉(zhuǎn)動慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯(lián)方式，占地面積很大。交流電機有可能與機械合為一體，形成機械一體化產(chǎn)品，大大簡化機械結(jié)構(gòu)，減少體積和重量，提高可靠性，從而打破了主流電機安裝在主電室中，遠離機械的格局。（3） 轉(zhuǎn)動慣量小 交流電機的轉(zhuǎn)動慣量遠小于直流電機的，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。（4） 動態(tài)響應好 由于交流電動機轉(zhuǎn)動慣量大大減小，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。因此，交流電機較直流電機有更好的動態(tài)響應特性。下表列出了當前交流調(diào)速與直流調(diào)速的技術(shù)性能比較。 直流調(diào)速 交流調(diào)速電機電壓 1200V 1500~6000V功率因數(shù) ~交換器效率 ~調(diào)速范圍 %~100% 0~100%調(diào)速精度 % %速度響應 15~30rad/s 40~100rad/s（5）維護簡單化 由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減小。（6）節(jié)約能源 交流同步電機的效率比直流電機提高2%~3%。交流調(diào)速可以采用同步電機也可以采用異步電機。同步電機與異步電機各有其特點，近20年來，世界各國電氣公司和學術(shù)界對此爭論不休，但進入20世紀90年代，對于大容量交流電機調(diào)速，世界各國已基本趨向于同步電機。下表列出了同步電機與異步電機有關(guān)數(shù)據(jù)的比較。 同步電機和異步電機的比較