【導讀】題目12KW-4極變頻調速同步電動機的電磁方案及控制。專業(yè)班級：電機電器061班。學生姓名：劉飛學號：6101106014. 學士學位論文要求裝訂成冊并應包含以下主要內容。為畢業(yè)設計工作檢查的主要依據。業(yè)設計進程中的周次。評閱和畢業(yè)設計答辯的主要檔案資料，是學士學位論文成冊的主。根據原始數據和參考數據設計一臺符合技術要求的同步電動機，并。給出三個方案，分析電機的材料利用率與效率的關系，掌握設計節(jié)。序號各階段工作內容起訖日期實施地點。電機繞組和沖片，并進行CAD制。案及控制系統(tǒng)的設計

　　

【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相同的點連接起來，得到等功率因數線。曲線族上各運行點的功率因數就可以由曲線查出。 同步電動機比較突出的優(yōu)點是可以通過改變勵磁電流來調節(jié)無功功率，能在超前的功率因數下運行，改善電網功率因數。由 V 形曲線特性可以看出，要讓電動機運行在超前功率因數下，必須增大勵磁電流，使電動機勵磁處于過勵狀態(tài)。因此要求設計電動機時，必須保證足夠的勵磁容量。 同步電動機的起動 電動機轉 子從靜止加速到額定轉速運行的過程，稱為起動。同步電動機轉子勵磁繞組中通入直流電流后，轉子將形成固定極性的磁極。在轉子靜止時將定子繞組接入電網，定子產生的旋轉磁場以同步轉速相對于靜止的轉子運動。定子旋轉磁場的某一極性磁極，例如 N 極，一會鄰近且超前于轉子的 S 極，產生吸引力，牽引轉子加速；一會鄰近且超前于轉子的 N 極，產生排斥力，使轉子減速。在定子磁場轉速與轉子轉速相差較大時，在轉子機械慣性作用下，無法產生驅動轉子旋轉的平均電磁轉矩，轉子無法與定子磁場保持同步旋轉，從而無法直接起動。 通常，同步電動機的起動方法有以 下幾種。 第二章 同步電動機的運行原理 11 可以采用小型的輔助動力設備，如直流電動機、異步電動機或其他動力機，將同步電動機拖到同步轉速或者接近同步轉速，再通過整步或者自同步法將同步電動機并聯到電網上運行。這種方法需要設備多，操作復雜。由于輔助動力設備一般容量較小，約為電動機的 5%15%，所以適合于同步電動機的空載起動。 采用變頻電源向電動機供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動機的額定頻率。頻率的逐漸變化使得電機的轉子始終與定子旋轉磁場保持相對靜止，產生平均電磁轉矩拖動轉子旋轉。加速到電機的同步轉速后， 再將電機并入電網運行。該方法需要專門的變頻電源，會增加設備投資。 現代同步電動機一般都是做成凸極式的，大多在轉子上裝設阻尼繞組，可利用異步電動機的啟動方法來起動同步電動機。 起動時，勵磁繞組回路里串聯一個 10 倍于勵磁繞組電阻的電阻后再閉合，將定子投入電網，按異步電動機起動。待轉速升至接近與同步轉速時，再投入勵磁，使電動機牽入同步。 起動時勵磁繞組不能開路，因為起動時，轉子與定子磁場的相對運動速度會很高，勵磁繞組會感應很高的電壓，有可能破壞絕緣。 第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 12 第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 同步電 動機變頻調速的特點 交流同步電機與直流電機調速的比較 交流同步電機與直流電機相比具有以下特點： （ 1）單機容量不受限制 大家都知道，直流電機因為換向器的換向能力限制了電機的容量和速度，直流電機的容量上限和速度的乘積約等于 6m axn 3. 0 10NP ? ? ?。而交流同步電機單機容量可以突破這一限制。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法，變頻調速同步電機的單機容量已 可以做到 56MW。 （ 2）轉動慣量小 以某鋼廠 2050mm 熱連軋機為例，直流主傳動電機 2 4500? kw（ 250/578（ r/min）雙電樞傳動，轉動慣量為 2tm? ；而主傳動交流同步電機 9000kw（ 250/578（ r/min）單電樞傳動，其轉動慣量為 2tm? ，減少為 直流電機的 1/，使整個傳動系統(tǒng)的速度響應時間由 120ms 縮短到 70ms，提高了產品質量和 產量。 （ 3）動態(tài)響應好 由于交流電機轉動慣量大大減少，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?，F代熱軋和冷軋機都采用了軋板精度和板形自動控制，要求軋機傳動的速度控制系統(tǒng)響應應達到 60rad/s，而直流電機由于換向火花限制了電機電流變化率，使速度響應僅僅達到 15rad/s。 （ 4）維護簡單化 由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減少。某厚板軋機直流傳動年維修量 145h，而采用交流傳動后只需 36h，僅僅為直流傳動的 1/4. （ 5）節(jié)約能源 交流同步電機的效率比直流電機提高 2%3%。 同步電機與異步電機調速比較 （ 1）可靠性與維護量 異步電機的轉子結構非常簡單，它沒有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對于籠型異第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 13 步電機的維護只限于軸承。而同步電機則在其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的維護量要少的多。 （ 2）功率因數 同步電 機由于獨立的轉子激磁調節(jié)控制，可使其定子功率因數保持為 1，即cos 1?? 。而異步電機則完全不同，電機的激磁功率必須通過定子側獲得，因此，定子電流 始終是滯后的，其功率因數一般在 左右。為了改善 電機的功率因數，可以降低電機的磁通密度，但受到了電機的材料設計限制；另一種提高功率因數的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，因而又會進一步惡化功率因數。顯然，異步電機功率因數低是一個很難克服的缺陷。 （ 3）變頻器容量 由于異步電機的激磁能量是從定子側供給的，同時異步電機功率因數低于同步電機，視在功率高于同步電機，故異步電機調速的變換器容量比同步電機大30%左右。 （ 4）電機尺寸和轉動慣量 由于異步電機的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步 電機的定子必須具有較大的視在功率。為了提高其功率因數，異步電機盡可能將氣隙減少，但減少氣隙要求電機制造工藝具有更高的加工精度，而細長結構的橈度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調速異步電機的設計和制作更加困難。所以，異步電機常常設計成較大的定子和轉子鐵心直徑，電機結構短粗。由于同步電機激磁從轉子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機可以設計成細長結構，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設計，制造相對容易，同步電機可以設計成細長結構，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設計。 （ 5）控制精度 在異步電機的磁場定向控制系統(tǒng)中，磁 通控制取決與轉子電阻參數，而該電阻隨溫度變化。為了消除這一影響，必須進行轉子參數辨識控制。而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故轉矩控制精度高。 （ 6）弱磁化 根據異步電機原理，異步電機弱磁恒功率運行時，其最大轉矩 maxM 隨電機頻率的增加呈二次方減少， m axm ax 2m ax()NNMM ff?。 其中 ， maxNM 為額定頻率時的最大轉矩， Nf 為 額定頻率， maxf 為最高頻率。當電機弱磁比達到 3，即最高頻率是第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 14 額定頻率的 3 倍時，異步電機最大轉矩為額定頻率最大轉矩的 1/9，即max max19 NMM?。由此可見，對于弱磁比超過 的卷取機、冷連軋機等傳動，異步電機必須采取增加容量或提高電壓的方法來提高弱磁時的最大轉矩。顯然，在這種場合，同步電機要優(yōu)越于異步電機。 同步電動機調速系統(tǒng)的分類 當前在大功率同步電機調速領域按電力電子變換器，即晶閘管交交變頻器、晶閘管負載換流交直交 變頻器、 IGBT/IGCT 交直交變頻器，可以將調速系統(tǒng)分為以下三大類。 （ 1）交交變頻調速系統(tǒng) 交交變頻調速系統(tǒng)由三組反并聯晶閘管可逆橋式變流器組成，具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時也存在著輸出頻率低、電網功率因數低、旁頻諧波影響大等缺點。交交變頻調速系統(tǒng)分為有環(huán)流和無環(huán)流方式。交交變頻調速適合于低速運轉、大過載、負載劇烈變化、四象限可逆運轉等場合。主要應用于軋機主傳動、礦井提升傳動及水泥球磨機傳動等。 （ 2）負載換流交直交變頻調速系統(tǒng) 負載環(huán)流交直交變頻調速系統(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，運用同步電機轉子過激磁的容性無功功率來提供晶閘管換流，故稱為負載換流。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轉子磁極位置檢測器信號加以控制，以實現變頻調速。由于這種調速系統(tǒng)的結構形式類似于直流電機，轉子磁極檢測器和逆變器代替了直流電機的換向器和電刷的功能，故這種電機系統(tǒng)曾被稱為“無換向器電機”。它具有結構簡單、輸出頻率高等優(yōu)點，但也存在著低頻轉矩脈動大、過載能力低等缺點。負載換流交直交變頻調速系統(tǒng)主要用于過載能力不大、高速運轉的場合。 （ 3）可關斷器件交直交變頻 調速系統(tǒng) 隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，電力電子變流技術也在不斷變革。其發(fā)展趨勢為采用自換流來取代外換流。由于采用了自關斷器件，傳統(tǒng)的晶閘管換流技術將被逐步取代。功率器件的開關將不受電網及電勢的約束，具有更大的隨意性。變流器拓撲結構進一步簡化，裝置體積縮小。傳統(tǒng)的交交變頻與交直交變頻技術將面臨變革。理想的變流器是采用自關斷器件將電網固定頻率和電壓的電能，經電力電子變換器一次換能，變換為負載對象所需的可變頻率和電壓。目前，國內外科學工作者正在積極研究采用自關斷器件的交交變頻器，也稱為矩陣變換器，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功損害，第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 15 同時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能的問題。 同步電動機直接轉矩控制系統(tǒng) 電機調速的控制性能，可以歸結為主要是對電機轉矩的控制。長期以來，直流電機廣泛應用于電機調速領域，這是因為直流電機的電樞電流與磁場相互正交，可以分別控制，具有良好的轉矩控制性能。而交流電機的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉矩與磁場是復雜耦合的，不能簡單地實現解 耦控制，所以交流電機的轉矩控制長期以來成為電機調速領域的難題。 現在 有兩種 普遍適用的 方法 ： 矢量控制 和直接轉矩控制。矢量 控制系統(tǒng)的特點是通過坐標變化，把交流電機在按磁鏈定向的同步旋轉坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機調速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調速性能。這一原理的基本出發(fā)點是考慮到交流電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確地控制電磁轉矩。 1985 年，德國魯爾大學的 狄普布洛克 教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。并且 變頻技術所應用到的行業(yè)越來越廣泛 ,和能源相關的行業(yè)都能用到 . 如 生活中空調 ,冰箱 ,洗衣機等等 ,工業(yè) :起重機等等 .這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤實現 PWM 脈寬調制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉矩，獲得轉矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不 需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型，而只需關心電磁轉矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉矩模型，磁鏈模型和轉矩模型就構成了完整的電動機模型，因而能方便地實現無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設置轉速調節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉矩控制了。 交流同步電機直接轉矩控制的 數學模型 根據電機原理，對于一般電機（包含直流電機、交流同步電機、異步電機）的電 磁轉矩，可以由電機定子或轉子的兩個變量的矢量積來表示。這些變量為磁第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 16 鏈，包括定子磁鏈 S? 、轉子磁鏈 R? 、氣隙磁鏈 ?? 等，電流，包括定子電流 si 和轉子電流 ri 。 由交流同步電機數學模型，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??? ? ????? ? ??? （ ） 當考慮到定子磁鏈 s? 矢量與 M 軸重合時 0sm sst??? ??? ?? （ ） 所以（ 2）式也可以寫成 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? 關系式可以推導出 smi 的表達式 1 2 1 3111sm s st fi a i a