【正文】 決與變化的頻率。但是對(duì)于相同的，電機(jī)可以有不同的設(shè)計(jì)選擇，電機(jī)可以制成直徑小而鐵芯長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，也可以做成直徑大而鐵芯短的短粗結(jié)構(gòu)。那么同步電機(jī)的電磁功率可以進(jìn)一步推導(dǎo)為從式中可以看出，同步電機(jī)的功率由速度n、定子鐵芯長(zhǎng)度L、定子鐵芯直徑D、磁通密度J來(lái)決定。同步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)MMF，由分布在各定子槽中的定子電流產(chǎn)生。我們用電機(jī)氣隙中的電磁力F、電機(jī)氣隙的半徑來(lái)表示電磁轉(zhuǎn)矩，那么電機(jī)的電磁功率為其中，D為電機(jī)定子內(nèi)徑。但對(duì)于變頻調(diào)速同步電機(jī)，f是可以變化的，那么電機(jī)極數(shù)的選擇是具有更大的靈活性。根據(jù)交流電機(jī)原理，交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f和電機(jī)極對(duì)數(shù)關(guān)系式為，其中，為電機(jī)極對(duì)數(shù)，電機(jī)極數(shù)為2。在勵(lì)磁控制時(shí)，電壓的大小保持不變。在同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，同步電動(dòng)機(jī)輸入電壓達(dá)到最大限度時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不再升高，即使改變電壓也也會(huì)使電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)失步。由于轉(zhuǎn)矩控制時(shí)不能控制轉(zhuǎn)速的大小，所以，在某些轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制主要用于起動(dòng)或停止的過(guò)渡過(guò)程中。當(dāng)模擬量信號(hào)為0～10v時(shí)，為正轉(zhuǎn)矩，即電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令（從電動(dòng)機(jī)的輸出軸看是逆時(shí)針轉(zhuǎn)）。轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，變頻器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤負(fù)載速度的變化，但輸出頻率的變化受設(shè)定的加速和減速時(shí)間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時(shí)間設(shè)得短一些。先是根據(jù)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值計(jì)算出轉(zhuǎn)差頻率，并與變頻器獲得的反饋速度或是直接推算的電動(dòng)機(jī)速度相加，在速度限制下輸出同步頻率。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相媲美，而且可以控制同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。第三項(xiàng)是電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與阻尼繞組磁動(dòng)勢(shì)相互作用的轉(zhuǎn)矩，如果沒(méi)有阻尼繞組，或者在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)阻尼繞組中沒(méi)有感應(yīng)電流，該項(xiàng)為零，只有在動(dòng)態(tài)中，產(chǎn)生阻尼電流，才有阻尼轉(zhuǎn)矩，幫助同步電動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。第二項(xiàng)、是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。將（3）式代入（1）和（2）式當(dāng)中，整理之后可以得到同步電動(dòng)機(jī)的電壓矩陣方程式： = （4）同步電動(dòng)機(jī)在d、q軸上的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程為 （5）把式（3）中的和表達(dá)式代入式（5）的轉(zhuǎn)矩方程并整理后得 （6）觀察式(5）各項(xiàng)，不難看出每一項(xiàng)轉(zhuǎn)矩的物理意義。電壓定向控制就是保持電壓不變，而改變勵(lì)磁電流。矢量控制可分為：磁場(chǎng)定向控制與電壓定向控制的同步電機(jī)矢量控制。 同步電動(dòng)機(jī)矢量控制為了獲得高動(dòng)態(tài)性能，同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以采用矢量控制，其原理與異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理相同。、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。（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)矩隨電機(jī)頻率的增加呈二次方減小。為了消除這一影響，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)控制，該課題一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者科研攻關(guān)的難題。同步電機(jī)的體積要比異步電機(jī)小得多。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。（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。顯然，異步電機(jī)功率因數(shù)低是一個(gè)很難克服的缺陷。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。因此，同步電機(jī)的維護(hù)量和異步電機(jī)的基本相同。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，他的維護(hù)量要少得多。下表列出了同步電機(jī)與異步電機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)的比較。交流調(diào)速可以采用同步電機(jī)也可以采用異步電機(jī)。 直流調(diào)速 交流調(diào)速電機(jī)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(yīng) 15~30rad/s 40~100rad/s（5）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)量大大減小。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。（3） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于直流電機(jī)的，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。而直流電機(jī)不僅單機(jī)體積大，而且為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯(lián)方式，占地面積很大。第三章 同步電機(jī)變頻調(diào)速交流電機(jī)與直流電機(jī)相比具有一下特點(diǎn)：（1） 單機(jī)容量不受限制 眾所周知，直流電機(jī)由于換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度，直流電機(jī)的極限容量和速度之積約為，而交流電機(jī)單機(jī)容量可突破這一限制。因此，如將同步電動(dòng)機(jī)在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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。我們知道，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)必須從電網(wǎng)吸收激磁電流來(lái)建立磁場(chǎng)，所以現(xiàn)代電網(wǎng)的功率因數(shù)經(jīng)常是滯后性的。同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)是超前還是滯后，和發(fā)電機(jī)一樣決定于勵(lì)磁狀態(tài)。勵(lì)磁磁通勢(shì)的大小為式中為一對(duì)磁極的匝數(shù)；為勵(lì)磁繞組的分布系數(shù)，對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，=1；是勵(lì)磁電流。由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的基波磁通勢(shì)，稱(chēng)為勵(lì)磁磁通勢(shì)，其空間向量用表示。電樞磁通勢(shì)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(jī)的極對(duì)數(shù)。當(dāng)三相同步電動(dòng)機(jī)定子對(duì)稱(chēng)繞組接到三相對(duì)稱(chēng)電源上的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)氣，簡(jiǎn)稱(chēng)電樞磁通勢(shì)，其空間向量用表示。這樣，我們可以仿照同步發(fā)電機(jī)列出同步電動(dòng)機(jī)的功角特性表達(dá)示： 即：這樣，我們就可以畫(huà)出凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線。一、基本方程式：電動(dòng)勢(shì)：同理可得出凸極式：相量圖：相對(duì)與發(fā)電機(jī)，即可作出相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的相量圖。3）轉(zhuǎn)子軸線滯后與定子軸線一個(gè)功角，此時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)，所以我們可以斷定電機(jī)為電動(dòng)機(jī)。同步電機(jī)的三種運(yùn)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(dòng)性質(zhì)顯然是發(fā)電機(jī)。4） 相數(shù)m ：一般m=3。對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言：輸出的是機(jī)械功率。2）額定電流：流過(guò)定子繞組的線電流 。同步電機(jī)的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運(yùn)行時(shí)，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。2）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。這是根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙的分布情況來(lái)定義的。當(dāng)大型同步電機(jī)沖片外圓的直徑大于1m時(shí)，由于材料標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼合起來(lái)疊裝而成。同步電機(jī)的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。研究電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理就顯得很有必要。同步電動(dòng)機(jī)正朝著永磁方向發(fā)展，而且永磁同步電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的工作特性和高效率等優(yōu)點(diǎn)正被廣泛地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速只跟電網(wǎng)的頻率有關(guān)與負(fù)載無(wú)關(guān)，同時(shí)具備類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性，及其功率因數(shù)能高達(dá)1，較一般感應(yīng)電機(jī)而言，效率較高。 vector control。 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。 隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速在同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，分析矢量控制算法，提出轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制方法，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比分析，選擇合適的電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本學(xué)位論文屬于 不保密□。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果。同時(shí)還可以避免由于不同功率的電機(jī)使用不同的定子沖片和轉(zhuǎn)子沖片尺寸所造成重新設(shè)計(jì)模具的浪費(fèi)，可以提高所生產(chǎn)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。方案齊全便于用戶(hù)選用，且對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并做出了分析比較。方案二，為材料最省方案，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機(jī)的所用材料最省。：進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)時(shí)，既釆用手算的方法，又釆用計(jì)算機(jī)編程的方法進(jìn)行計(jì)算。盡量減少材料的使用，主要是鐵和銅的耗用量，使之更加經(jīng)濟(jì)。采用的方法主要是手算和計(jì)算機(jī)程序算相結(jié)合的方法。方案三：在方案一的基礎(chǔ)上,通過(guò)減小每槽導(dǎo)體數(shù),在保持磁密不變的情況下,相應(yīng)的增加電機(jī)鐵心的長(zhǎng)度,從而達(dá)到減小銅耗,最終達(dá)到提高效率的目的。使硅鋼片充分的利用。其次，進(jìn)行電樞繞組的選擇：,確定繞組的每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù),即:.,即：.，確定電樞繞組的線規(guī)，即。三、 本課題研究?jī)?nèi)容本課題主要是研究設(shè)計(jì)20kw同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前，美國(guó)Cree公司、德國(guó)西門(mén)子公司、日本東芝公司，還有歐洲ABB公司等投入巨資研制一種碳化硅（SIC）電力電子器件，其中PN耐壓等級(jí)可達(dá)10KV以上。 控制技術(shù)方面有，將矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)引入中壓變頻器，以及研究開(kāi)發(fā)使用與中壓變頻器的PWM技術(shù)。當(dāng)今多電平中壓變頻器已成為交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域，是熱點(diǎn)課題之一。中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)實(shí)踐已有20多年了，逐步走上了實(shí)際應(yīng)用階段尤其高壓全控型功率器件產(chǎn)生以來(lái)，中壓變頻器的應(yīng)用趨勢(shì)迅速加快了。（4） 中壓變頻裝置（我國(guó)稱(chēng)為高壓變頻裝置）的研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)。（3） PWM模式的改進(jìn)和進(jìn)化。矩陣式變化器是一種可供選擇的交交變化器結(jié)構(gòu)，其輸出頻率可提高到45Hz以上。今后幾年內(nèi)串并聯(lián)諧振式變頻器將有商品化的產(chǎn)品推出。抑制電磁干擾的有效方法也是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。（2） 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與開(kāi)發(fā)。近幾年來(lái)，不依賴(lài)電機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開(kāi)始引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中，成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向。各種控制結(jié)構(gòu)所依據(jù)的都是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此，為了建立交流調(diào)速系統(tǒng)的合理適用的控制機(jī)構(gòu)，仍需對(duì)交流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)、特點(diǎn)及內(nèi)在規(guī)律作深入研究和探討。（1） 以取代直流調(diào)速系統(tǒng)為目標(biāo)的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)。用低成本制造高質(zhì)量的產(chǎn)品的過(guò)程技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)進(jìn)程中。利用數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)仿真，可以不經(jīng)過(guò)試驗(yàn)階段，直接進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，并且可以在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察評(píng)價(jià)產(chǎn)品的工作狀況。為了應(yīng)對(duì)這些要求，縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)周期，能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)、低成本的產(chǎn)品，需要把過(guò)去生產(chǎn)中的技術(shù)信息、專(zhuān)門(mén)技術(shù)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等，引入到開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中。最近，伴隨著全球化的國(guó)際成本競(jìng)爭(zhēng)，要求產(chǎn)品具有高質(zhì)量、優(yōu)良的安全性、方便的維修和解體性及零件壽命評(píng)價(jià)體系。進(jìn)來(lái)對(duì)于成本和質(zhì)量的一些觀念正在發(fā)生變化。在帶有減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式中，如果取消減速機(jī)而使用變頻器控制電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可以改善傳動(dòng)效率和降低噪聲。（2）節(jié)能技術(shù)在工業(yè)和工廠自動(dòng)化（FA）領(lǐng)域，風(fēng)機(jī)、泵、輸送機(jī)械、機(jī)床等機(jī)械的電動(dòng)機(jī)，在家電領(lǐng)域的空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)家用電器電動(dòng)機(jī)，一般都是直接或通過(guò)減速機(jī)，以某個(gè)速度連續(xù)運(yùn)行，或者由on/off開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)行。有關(guān)的軸承有滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、動(dòng)壓流體軸承、磁懸浮軸承和靜壓流體軸承等。機(jī)械損耗以摩擦損耗和風(fēng)阻損耗為主。將這些低損耗的電磁硅鋼片疊合起來(lái)，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）使磁路最優(yōu)，改善電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)以減小加工誤差。②鐵損。盡量減小勵(lì)磁繞組和電動(dòng)機(jī)子繞組的電阻，就可以減小銅損。把勵(lì)磁的永久磁鐵換成高性能磁鐵，可以減少電樞電流。為了減少銅損，通常采用兩種方法，即減少通過(guò)繞組的電流和減少繞組的電阻。①銅損。（1）高效率技術(shù) 如果將電動(dòng)機(jī)的損耗分類(lèi)，可以分為銅筍、鐵損、機(jī)械損耗及漂移負(fù)荷損耗。這是因?yàn)楦鞣N電動(dòng)機(jī)都源于共同的理論基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)方面，電動(dòng)機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成，原則上是轉(zhuǎn)子安裝在電動(dòng)機(jī)的中心位置，對(duì)稱(chēng)的配置定子。同時(shí)，為了滿(mǎn)足各種機(jī)器設(shè)備對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求，現(xiàn)在正在開(kāi)展穩(wěn)健的技術(shù)開(kāi)發(fā)。同步電動(dòng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)上比異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但采用變頻調(diào)速后在交流傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)和異步電動(dòng)機(jī)有著重要的作用。鋼鐵工業(yè)中的初軋機(jī)要求其傳動(dòng)系統(tǒng)具有大容量、低轉(zhuǎn)速、頻率快速的正反轉(zhuǎn)、過(guò)載能力大等特點(diǎn)，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于僅在啟動(dòng)過(guò)程中作自控式同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，變頻裝置的容量相對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)要小的多。大容量不調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)，存在啟動(dòng)困難的問(wèn)題。當(dāng)電力系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)，要求水輪機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，于是水庫(kù)里的水流入下水庫(kù)貯存。大容量同步電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)用途是作為抽水蓄能機(jī)組。近些年來(lái)，矢量控制技術(shù)的成