【導(dǎo)讀】題目12KW-4極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的電磁方案及控制。專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電機(jī)電器061班。學(xué)生姓名：劉飛學(xué)號(hào)：6101106014. 學(xué)士學(xué)位論文要求裝訂成冊(cè)并應(yīng)包含以下主要內(nèi)容。為畢業(yè)設(shè)計(jì)工作檢查的主要依據(jù)。業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程中的周次。評(píng)閱和畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯的主要檔案資料，是學(xué)士學(xué)位論文成冊(cè)的主。根據(jù)原始數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一臺(tái)符合技術(shù)要求的同步電動(dòng)機(jī)，并。給出三個(gè)方案，分析電機(jī)的材料利用率與效率的關(guān)系，掌握設(shè)計(jì)節(jié)。序號(hào)各階段工作內(nèi)容起訖日期實(shí)施地點(diǎn)。電機(jī)繞組和沖片，并進(jìn)行CAD制。案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　

【正文】 ，可以得到一族曲線。如圖 39。39。39。39。2P 39。39。39。2P 39。2P 2P 。 把各條 V 形曲線上的功率因數(shù)相同的點(diǎn)連接起來(lái)，得到等功率因數(shù)線。曲線族上各運(yùn)行點(diǎn)的功率因數(shù)就可以由曲線查出。 同步電動(dòng)機(jī)比較突出的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，能在超前的功率因數(shù)下運(yùn)行，改善電網(wǎng)功率因數(shù)。由 V 形曲線特性可以看出，要讓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在超前功率因數(shù)下，必須增大勵(lì)磁電流，使電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)。因此要求設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須保證足夠的勵(lì)磁容量。 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的過(guò)程，稱(chēng)為起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流后，轉(zhuǎn)子將形成固定極性的磁極。在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)將定子繞組接入電網(wǎng)，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于靜止的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的某一極性磁極，例如 N 極，一會(huì)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(huì)鄰近且超前于轉(zhuǎn)子的 N 極，產(chǎn)生排斥力，使轉(zhuǎn)子減速。在定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)，在轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性作用下，無(wú)法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的平均電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子無(wú)法與定子磁場(chǎng)保持同步旋轉(zhuǎn)，從而無(wú)法直接起動(dòng)。 通常，同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有以 下幾種。 第二章 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理 11 可以采用小型的輔助動(dòng)力設(shè)備，如直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)，將同步電動(dòng)機(jī)拖到同步轉(zhuǎn)速或者接近同步轉(zhuǎn)速，再通過(guò)整步或者自同步法將同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)上運(yùn)行。這種方法需要設(shè)備多，操作復(fù)雜。由于輔助動(dòng)力設(shè)備一般容量較小，約為電動(dòng)機(jī)的 5%15%，所以適合于同步電動(dòng)機(jī)的空載起動(dòng)。 采用變頻電源向電動(dòng)機(jī)供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動(dòng)機(jī)的額定頻率。頻率的逐漸變化使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)保持相對(duì)靜止，產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。加速到電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速后， 再將電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行。該方法需要專(zhuān)門(mén)的變頻電源，會(huì)增加設(shè)備投資。 現(xiàn)代同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法來(lái)起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)。 起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組回路里串聯(lián)一個(gè) 10 倍于勵(lì)磁繞組電阻的電阻后再閉合，將定子投入電網(wǎng)，按異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。待轉(zhuǎn)速升至接近與同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再投入勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)牽入同步。 起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路，因?yàn)槠饎?dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)很高，勵(lì)磁繞組會(huì)感應(yīng)很高的電壓，有可能破壞絕緣。 第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 12 第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 同步電 動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn) 交流同步電機(jī)與直流電機(jī)調(diào)速的比較 交流同步電機(jī)與直流電機(jī)相比具有以下特點(diǎn)： （ 1）單機(jī)容量不受限制 大家都知道，直流電機(jī)因?yàn)閾Q向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度，直流電機(jī)的容量上限和速度的乘積約等于 6m axn 3. 0 10NP ? ? ?。而交流同步電機(jī)單機(jī)容量可以突破這一限制。實(shí)際上交流電機(jī)可以充分利用電力電子器件的能力來(lái)提高供電電壓，采用先進(jìn)的電機(jī)冷卻方法，變頻調(diào)速同步電機(jī)的單機(jī)容量已 可以做到 56MW。 （ 2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 以某鋼廠 2050mm 熱連軋機(jī)為例，直流主傳動(dòng)電機(jī) 2 4500? kw（ 250/578（ r/min）雙電樞傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2tm? ；而主傳動(dòng)交流同步電機(jī) 9000kw（ 250/578（ r/min）單電樞傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2tm? ，減少為 直流電機(jī)的 1/，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度響應(yīng)時(shí)間由 120ms 縮短到 70ms，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和 產(chǎn)量。 （ 3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 由于交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大大減少，并且交流變頻同步電機(jī)沒(méi)有換向火花對(duì)過(guò)載能力的限制，電機(jī)可以具有更大的動(dòng)態(tài)加速電流。因此，交流電機(jī)較直流電機(jī)有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?，F(xiàn)代熱軋和冷軋機(jī)都采用了軋板精度和板形自動(dòng)控制，要求軋機(jī)傳動(dòng)的速度控制系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)達(dá)到 60rad/s，而直流電機(jī)由于換向火花限制了電機(jī)電流變化率，使速度響應(yīng)僅僅達(dá)到 15rad/s。 （ 4）維護(hù)簡(jiǎn)單化 由于交流電機(jī)無(wú)須換向器，所以維護(hù)量大大減少。某厚板軋機(jī)直流傳動(dòng)年維修量 145h，而采用交流傳動(dòng)后只需 36h，僅僅為直流傳動(dòng)的 1/4. （ 5）節(jié)約能源 交流同步電機(jī)的效率比直流電機(jī)提高 2%3%。 同步電機(jī)與異步電機(jī)調(diào)速比較 （ 1）可靠性與維護(hù)量 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，它沒(méi)有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對(duì)于籠型異第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 13 步電機(jī)的維護(hù)只限于軸承。而同步電機(jī)則在其滑環(huán)上有少量的維護(hù)量，但與直流電機(jī)換向器相比，它的維護(hù)量要少的多。 （ 2）功率因數(shù) 同步電 機(jī)由于獨(dú)立的轉(zhuǎn)子激磁調(diào)節(jié)控制，可使其定子功率因數(shù)保持為 1，即cos 1?? 。而異步電機(jī)則完全不同，電機(jī)的激磁功率必須通過(guò)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。為了改善 電機(jī)的功率因數(shù)，可以降低電機(jī)的磁通密度，但受到了電機(jī)的材料設(shè)計(jì)限制；另一種提高功率因數(shù)的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，因而又會(huì)進(jìn)一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機(jī)功率因數(shù)低是一個(gè)很難克服的缺陷。 （ 3）變頻器容量 由于異步電機(jī)的激磁能量是從定子側(cè)供給的，同時(shí)異步電機(jī)功率因數(shù)低于同步電機(jī)，視在功率高于同步電機(jī)，故異步電機(jī)調(diào)速的變換器容量比同步電機(jī)大30%左右。 （ 4）電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于異步電機(jī)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(jī)的定子必須具有較大的視在功率。為了提高其功率因數(shù)，異步電機(jī)盡可能將氣隙減少，但減少氣隙要求電機(jī)制造工藝具有更高的加工精度，而細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的橈度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)和制作更加困難。所以，異步電機(jī)常常設(shè)計(jì)成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵心直徑，電機(jī)結(jié)構(gòu)短粗。由于同步電機(jī)激磁從轉(zhuǎn)子提供，其氣隙可以較大，制造相對(duì)容易，同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造相對(duì)容易，同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 5）控制精度 在異步電機(jī)的磁場(chǎng)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。為了消除這一影響，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)控制。而同步電機(jī)激磁電流是單獨(dú)控制的，電機(jī)磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。 （ 6）弱磁化 根據(jù)異步電機(jī)原理，異步電機(jī)弱磁恒功率運(yùn)行時(shí)，其最大轉(zhuǎn)矩 maxM 隨電機(jī)頻率的增加呈二次方減少， m axm ax 2m ax()NNMM ff?。 其中 ， maxNM 為額定頻率時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩， Nf 為 額定頻率， maxf 為最高頻率。當(dāng)電機(jī)弱磁比達(dá)到 3，即最高頻率是第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 14 額定頻率的 3 倍時(shí)，異步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為額定頻率最大轉(zhuǎn)矩的 1/9，即max max19 NMM?。由此可見(jiàn)，對(duì)于弱磁比超過(guò) 的卷取機(jī)、冷連軋機(jī)等傳動(dòng)，異步電機(jī)必須采取增加容量或提高電壓的方法來(lái)提高弱磁時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。顯然，在這種場(chǎng)合，同步電機(jī)要優(yōu)越于異步電機(jī)。 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的分類(lèi) 當(dāng)前在大功率同步電機(jī)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(lèi)。 （ 1）交交變頻調(diào)速系統(tǒng) 交交變頻調(diào)速系統(tǒng)由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，具有過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著輸出頻率低、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響大等缺點(diǎn)。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)分為有環(huán)流和無(wú)環(huán)流方式。交交變頻調(diào)速適合于低速運(yùn)轉(zhuǎn)、大過(guò)載、負(fù)載劇烈變化、四象限可逆運(yùn)轉(zhuǎn)等場(chǎng)合。主要應(yīng)用于軋機(jī)主傳動(dòng)、礦井提升傳動(dòng)及水泥球磨機(jī)傳動(dòng)等。 （ 2）負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng) 負(fù)載環(huán)流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種電流型變頻器，由整流器 、逆變器、及平波電抗器等組成，運(yùn)用同步電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)激磁的容性無(wú)功功率來(lái)提供晶閘管換流，故稱(chēng)為負(fù)載換流。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(cè)器信號(hào)加以控制，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。由于這種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極檢測(cè)器和逆變器代替了直流電機(jī)的換向器和電刷的功能，故這種電機(jī)系統(tǒng)曾被稱(chēng)為“無(wú)換向器電機(jī)”。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、過(guò)載能力低等缺點(diǎn)。負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)主要用于過(guò)載能力不大、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。 （ 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。其發(fā)展趨勢(shì)為采用自換流來(lái)取代外換流。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。功率器件的開(kāi)關(guān)將不受電網(wǎng)及電勢(shì)的約束，具有更大的隨意性。變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，裝置體積縮小。傳統(tǒng)的交交變頻與交直交變頻技術(shù)將面臨變革。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(duì)象所需的可變頻率和電壓。目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者正在積極研究采用自關(guān)斷器件的交交變頻器，也稱(chēng)為矩陣變換器，期望這一新型變頻 器可以突破晶閘管交交變頻的輸出頻率限制和滯后無(wú)功損害，第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 15 同時(shí)避免交直交變頻的兩次換能損失和中間直流電容及電感儲(chǔ)能的問(wèn)題。 同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場(chǎng)相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)是復(fù)雜耦合的，不能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解 耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長(zhǎng)期以來(lái)成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。 現(xiàn)在 有兩種 普遍適用的 方法 ： 矢量控制 和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)坐標(biāo)變化，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。 1985 年，德國(guó)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)。該技術(shù)以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。并且 變頻技術(shù)所應(yīng)用到的行業(yè)越來(lái)越廣泛 ,和能源相關(guān)的行業(yè)都能用到 . 如 生活中空調(diào) ,冰箱 ,洗衣機(jī)等等 ,工業(yè) :起重機(jī)等等 .這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。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(guò)檢測(cè)到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它也不 需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，從而也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時(shí)也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動(dòng)機(jī)模型，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進(jìn)一步得到高性能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。 交流同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的 數(shù)學(xué)模型 根據(jù)電機(jī)原理，對(duì)于一般電機(jī)（包含直流電機(jī)、交流同步電機(jī)、異步電機(jī)）的電 磁轉(zhuǎn)矩，可以由電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子的兩個(gè)變量的矢量積來(lái)表示。這些變量為磁第三章 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 16 鏈，包括定子磁鏈 S? 、轉(zhuǎn)子磁鏈 R? 、氣隙磁鏈 ?? 等，電流，包括定子電流 si 和轉(zhuǎn)子電流 ri 。 由交流同步電機(jī)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(shí) 0sm sst??? ??? ?? （ ） 所以（ 2）式也可以寫(xiě)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(dá)式 1 2 1 3111sm s st fi a i a