【正文】 o adjust its power factor, power factor can increase to , or even ahead. However, because synchronous motor starting trouble, heavy step and even when the risk of oscillation, general industrial equipment rarely used in synchronous motor drag. Since the frequency of power electronic transformer technology developed and widely applied later, the situation is quite different, with voltage frequency coordination control, synchronous motors and induction motors will be variable speed motors as a member of the family, the original power supply because fixed frequency synchronous motor hindered wider application of the problems have been solved. In this paper, based on previous studies, introduced the threephase synchronous motor machine design features, and frequency control system design were tried.Keyword:Synchronous motor, motor design, variable speed system目錄摘要 IAbstract II第一章 同步電機概論 1 1 1 2 4 4第二章 同步電動機的工作特性 7 7 8 10第三章 電機設計基本方法 11 11 11第四章 電磁設計方案計算 14 14 14第五章 電磁設計結果分析 40 40 40 42第六章 同步電動機變頻調速系統(tǒng)設計 43 43 43 44第七章 Auto CAD 2004繪圖 49 CAD簡介 49 49 50 51參考文獻 54總結 55致謝 56第一章 同步電機概論同步電機和異步電機一樣是一種常用的交流電機。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉速恒為常數(shù)而與負載的大小無關?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機以同步發(fā)電機為主，而隨著變頻調速技術的成熟運用，同步電動機也越來越廣泛的應用于各種電力拖動領域。同步電機一般把電樞繞組放置在定子上，把磁極放置在轉子上，勵磁繞組套在磁極上。以同步發(fā)電機方式運行時，勵磁繞組中通入直流電流，電機內產生磁場，由原動機拖動電機的轉子旋轉，磁場與定子導體之間有了相對運動，在定子繞組中就會感應交流電動勢。以同步電動機方式運行時，在電機的電子繞組上加三相交流電，電機里將產生旋轉磁場。于是旋轉磁場帶動磁鐵轉動，速度為n=60f/p。變頻調速技術的運用使得同步電動機的速度可調，再加上同步電動機的功率因數(shù)可調，使得同步電動機成為同步電機的一種重要的運行方式。這時電機不帶任何機械負載，依靠調節(jié)轉子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調節(jié)電網(wǎng)電壓，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。按用途來分，有發(fā)電機、電動機、補償機。按通風方式分，有開啟式、防護式、封閉式。圖11 汽輪發(fā)電機圖12 水輪發(fā)電機按電動機帶動的負載分，有均勻負載、交變負載和沖擊負載的電動機。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代社會使用的交流電能99%由同步發(fā)電機產生。因此，驅動球磨機、壓縮機等大功率、低轉速的機械設備，常采用同步電機。按照結構形式分類，同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。由于同步電機的電樞功率很大，電壓很高，所以不容易通過滑環(huán)導入或導出。因此旋轉電樞式電機只適用于小容量的同步電機，同步電機的基本結構形式是旋轉磁極式。定子部分：由鐵心、電樞繞組、機座及端蓋等結構部件組成。定子沖片一般分段疊裝，每段之間有通風槽片，構成徑向通風。電樞繞組為三相對稱交流繞組，一般多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內。大型同步電機的機座大都采用鋼板焊接結構。轉子部分：由轉子鐵心、轉軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環(huán)等組成。隱極式轉子呈圓柱形，一般無明顯磁極。隱極式轉子的機械強度很高，所以多用于高速同步電機。隱極電機的氣隙是均勻的，圓周上各處的磁阻相同。凸極式轉子制造很方便，且容易制成多極，但是機械強度低，大多用于中速或低速的場合，例如水輪發(fā)電機。此外，磁極的極靴上裝有阻尼繞組。阻尼繞組在同步發(fā)電機中起到機制轉子機械震蕩的作用；在同步電動機中起到啟動繞組的作用。同步電機主要用作同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機。在電動機方面，傳統(tǒng)的同步電機最大的缺點就是頻率一定時轉速也固定，這限制了同步電動機在很多場合的應用。在調相機方面，它可以向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。防護型式同步電機常用的防護型式有封閉式，防護式，氣候防護式以及開啟式。根據(jù)這三種基本安裝結構，電動機安裝型式有臥式安裝，立式安裝軸伸向下， 立式安裝軸伸向上。2）同步電動機銘牌額定數(shù)據(jù)(1) 額定容量或額定功率：同步電機的額定容量是指出線端的額定視在功率，單位為或者；額定功率是指發(fā)電機輸出的額定有功功率，或指電動機軸上輸出的額定機械功率，單位為或者；對于補償機則使用額定視在功率(或者無功功率)來表示。(3) 額定電流：是指額定運行時，流過同步電機定子繞組的線電流，單位為。(5) 額定頻率：指額定運行時的頻率，我國標準工頻規(guī)定為。(7) 額定效率：指額定運行時的電機效率。3）同步電動機主要技術指標效率：電機輸出機械功率與輸入電功率之比,通常用百分數(shù)表示功率因數(shù)：電機輸入有效功率與視在功率之比定子槽滿率：繞組截面積和定子槽截面積比定子繞組電密I：定子繞組電流密度氣隙磁密B：氣隙磁通密度，與氣隙磁動勢成正比噪聲：發(fā)電機在空載穩(wěn)態(tài)運行時A計權聲功率Db(A)振動：發(fā)電機在空載穩(wěn)態(tài)運行時振動速度有效值第二章 同步電動機的工作特性（1）磁場定義：三相同步電動機運行時有兩個旋轉磁場: 定子旋轉磁場以及轉子旋轉磁場。形成原因：電氣方式形成。它的旋轉速度即為同步速度，為；旋轉方向為從超前電流的相轉向滯后電流的相；當某相電流達到最大值瞬間，旋轉磁勢振幅恰好轉到該相繞組軸線處。同步電機作為電動機運行，只要其定子三相繞組流通對稱三相電流，就將在氣隙中產生旋轉磁通勢，建立旋轉磁場。轉子旋轉磁場：直流勵磁的旋轉磁場。形成原因：以機械方式形成。當轉子旋轉時, 以機械方式形成旋轉磁通勢，在氣隙中形成另一種旋轉磁場。（2）電動勢定義：兩個旋轉磁場切割繞組而產生。電動勢：定子繞組：感應頻率與同步轉速相同地電動勢。轉子繞組：一般情況下轉子和磁場同速，無感應電動勢。切割靜止的定子繞組時，旋轉磁場在定子三相繞組中感應出的頻率相同、時間相位卻不同的感應電動勢。穩(wěn)態(tài)對稱運行時，無論定子磁場或轉子磁場均以同步轉速旋轉，同轉子繞組沒有相對運動，也不會在轉子繞組中產生感應電動勢。同步電動機的空氣隙間存在兩種不同方式產生的旋轉磁場，所以，當兩個磁場的空間位置不同時，根據(jù)磁極間同性相斥、異性相吸原理，它們之間會產生相互作用的電磁力。但由于負載的影響，兩個磁場間的相對位置卻不同。轉矩性質和運行方式：轉子磁場順著旋轉方向滯后定子磁場運行：拖動轉矩+電動機運行方式轉子磁場順著旋轉方向滯后定子磁場運行時，轉子受到與其轉向相同的電磁轉矩作用。（1）凸極同步電動機雙反應原理凸極同步電動機的氣隙延電樞圓周是不均勻的，直軸上氣隙比較小，交軸上氣隙比較大。同樣大小的電樞磁動勢作用直軸磁路上和作用交軸磁路產生的磁通因此存在很大差別。因而在不計磁飽和時，可以根據(jù)雙反應理論（一般情況下，如果電樞磁動勢既不作用于直軸、也不在交軸而在空間任意位置處，可以把電樞磁動勢分解成直軸與交軸兩個分量、再用對應的直軸磁導與交軸磁導分別計算出直軸與交軸電樞磁通、然后把它們的效果疊加起來。實踐證明，在不計磁飽和時，這種方法的效果滿足要求。b）a）電樞磁動勢分解成直軸和交軸磁動勢b）直軸和交軸電樞反應圖2–1 凸極同步電機的雙反應理論（2）電動勢以及電壓平衡方程電動勢：主磁通與電樞磁通，也即直軸、交軸電樞磁通切割定子繞組且在定子繞組內感應處相應地勵磁電動勢以及電樞反應電動勢。上述關系可表示如下： —— –— –— –——電壓平衡方程：凸極同步電動機定子電樞任一相的電勢方程功率傳遞過程：電網(wǎng)輸入電功率—〉很小部分消耗于定子銅耗—〉大部分通過定、轉子磁場相互作用，電功率轉換成機械功率—〉轉子獲得的總電磁功率—〉扣除定子鐵耗，機械損耗，附加損耗—〉軸上輸出機械功率圖22 同步電動機功率流程圖第三章 電機設計基本方法（1）準備階段準備階段需要我們準備以下方面：首先熟悉國家標準，收集相近電機產品樣本和技術資料，并聽取生產以及使用單位地意見和要求；然后在國家標準有關規(guī)定及分析相應資料的基礎上，編制技術任務書或者技術建議書。通過反復運算來求得最精確結果。通常，首先根據(jù)技術條件書或技術任務書或技術建議書中規(guī)定的防護型式、安裝方式與冷卻方式，然后考慮電磁計算中所選負荷的高低，來選取合適的通風冷卻系統(tǒng)；然后安排產品的總體結構，繪制總裝配草圖。（4）變頻調速系統(tǒng)設計由于同步電動機的轉速完全取決于控制電源的頻率，與供電電源的頻率具有嚴格的關系，因此通過變頻調速系統(tǒng)的設計可以使同步電動機速度可調，應用范圍更廣泛。主要尺寸是指電樞鐵心直徑D和長度。電機基本尺寸D和有如下兩種方式確定：1. 計算法：①根據(jù)電機的額定功率,計算出計算功率P’；②根據(jù)P’,n選擇合適的電磁負荷A和,由公式得到；其中=，取 ；雙 ③根據(jù)P’,n查表（由系列，極數(shù)）得λ=/ , =；④由以上??中方程組可解得D，⑤查表的規(guī)定的D，2. 類比法（幾何相似定律）：取D1=D2得：（導線截面積S,繞線匝數(shù)分別成比例）（2）氣隙對電機性能的影響氣隙是指定子與轉子之間的空隙，在凸極同步電動機中，延電樞圓周方向氣隙磁場是不均勻分布的。氣隙偏大則會導致空載電流增大、功率因數(shù)降低。氣隙的大小需要綜合考慮才可以，對于功率較小的電機一般氣隙要選得較小。在采用圓導線的半閉口槽中，一般用槽滿率來表示槽內導線的填充程度。槽滿率也不能過低，過低的話，會造成槽的浪費，而且不利于槽內導線的散熱，~。第四章 電磁設計方案計算電磁設計方案的計算是根據(jù)設計要求，即提供的數(shù)據(jù)以及技術要求來進行同步電動機的電磁方案的計算。本次復算通過對公式的勘誤，額定數(shù)據(jù)的檢查，主要尺寸的比對以及單位的統(tǒng)一進行檢查。在計算結果的檢查方面，自制了復算程序，通過程序驗證了結果的可靠性。這樣的變化使得電樞鐵心長變短，從而使得電機的各項材料用量減少，達到了節(jié)省材料的目的。這樣的變化也使得電樞鐵心長變短，各項材料用量減少，同樣打到了節(jié)省材料的目的。從而可以得出結論，如果想要節(jié)省材料，可以從三方面入手，第一可以增加每槽導體數(shù)，第二可以增加氣隙磁密，第三可以增加勵磁繞組電密。（2）同步電動機損耗及效率表52 損耗及效率單位：（w/kg）方案一方案二方案三氣隙磁密850085008800每槽導體數(shù)101110電樞齒部鐵耗電樞軛部鐵耗磁極極掌表面鐵耗總鐵耗電樞繞組銅耗勵磁損耗附加損耗375375375機械損耗總損耗（kw）效率93%%%從表52可以看出，無論增加每槽導體數(shù)還是增加氣隙磁密都會降低效率。（3）同步電動機電磁負荷表53 電磁負荷方案一方案二方案三電樞齒部磁密電樞軛部磁密145601456015074氣隙磁密850085008800磁極表面氣隙磁密脈動幅值線負荷勵磁繞組電密從電樞齒部磁密的要求可以看出，電樞齒部磁密是一個非常重要的參數(shù)，必須滿足15800~16600的范圍，這使得選取氣隙磁密時的范圍縮小到8500~8800的一個很小的范圍內，從而使得通過調節(jié)氣隙磁密來改善同步電動機的技術指標帶來了困難。電樞繞組電密規(guī)定范圍為800~900，而通過其計算公式可知，當同步電動機的額定數(shù)據(jù)和主要尺寸已給出的情況下，電樞繞組電密只與線規(guī)S有關。一般來講，每槽導體數(shù)都是偶數(shù)，而方案二卻選擇了一個奇數(shù)，這就是因為線規(guī)不能改變的結果。在計算第一個方案的時候，曾經遇到過轉子磁軛磁密的數(shù)據(jù)超過了16000，大到轉子磁場強度連表都查不到的情況。通過對三個方案的選擇與計算，發(fā)現(xiàn)了幾條規(guī)律：第一條，要想省材料，可以增加每槽導體數(shù)，增加氣隙磁密，增加勵磁繞組電密；第二條，要想提高效率，請將第一條反過來執(zhí)行。（2）自控變頻調速系統(tǒng)用電動機本身軸上所帶轉子位置檢測器或電動機反電動勢波形提供的轉子位置信號來控制變頻裝置換相時刻的系統(tǒng)。我們知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是，由此可知，只要控制好和，便可以達到控制磁通的目的，因此，