【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(shè)計基本方法 11 11 11第四章 電磁設(shè)計方案計算 14 14 14第五章 電磁設(shè)計結(jié)果分析 40 40 40 42第六章 同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)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(jié) 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(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無關(guān)?，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(diào)速技術(shù)的成熟運用，同步電動機也越來越廣泛的應(yīng)用于各種電力拖動領(lǐng)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(zhuǎn)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(nèi)產(chǎn)生磁場，由原動機拖動電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁場與定子導(dǎo)體之間有了相對運動，在定子繞組中就會感應(yīng)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。于是旋轉(zhuǎn)磁場帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，速度為n=60f/p。變頻調(diào)速技術(shù)的運用使得同步電動機的速度可調(diào)，再加上同步電動機的功率因數(shù)可調(diào)，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(fù)載，依靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(diào)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(fēng)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(fù)載分，有均勻負(fù)載、交變負(fù)載和沖擊負(fù)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(chǎn)生。因此，驅(qū)動球磨機、壓縮機等大功率、低轉(zhuǎn)速的機械設(shè)備，常采用同步電機。按照結(jié)構(gòu)形式分類，同步電機可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)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(dǎo)入或?qū)С?。因此旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式是旋轉(zhuǎn)磁極式。定子部分：由鐵心、電樞繞組、機座及端蓋等結(jié)構(gòu)部件組成。定子沖片一般分段疊裝，每段之間有通風(fēng)槽片，構(gòu)成徑向通風(fēng)。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(nèi)。大型同步電機的機座大都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子部分：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環(huán)等組成。隱極式轉(zhuǎn)子呈圓柱形，一般無明顯磁極。隱極式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速也固定，這限制了同步電動機在很多場合的應(yīng)用。在調(diào)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(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)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(shù)指標(biāo)效率：電機輸出機械功率與輸入電功率之比,通常用百分?jǐn)?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(quán)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(zhuǎn)磁場: 定子旋轉(zhuǎn)磁場以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。形成原因：電氣方式形成。它的旋轉(zhuǎn)速度即為同步速度，為；旋轉(zhuǎn)方向為從超前電流的相轉(zhuǎn)向滯后電流的相；當(dāng)某相電流達(dá)到最大值瞬間，旋轉(zhuǎn)磁勢振幅恰好轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢，建立旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場：直流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場。形成原因：以機械方式形成。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時, 以機械方式形成旋轉(zhuǎn)磁通勢，在氣隙中形成另一種旋轉(zhuǎn)磁場。（2）電動勢定義：兩個旋轉(zhuǎn)磁場切割繞組而產(chǎn)生。電動勢：定子繞組：感應(yīng)頻率與同步轉(zhuǎn)速相同地電動勢。轉(zhuǎn)子繞組：一般情況下轉(zhuǎn)子和磁場同速，無感應(yīng)電動勢。切割靜止的定子繞組時，旋轉(zhuǎn)磁場在定子三相繞組中感應(yīng)出的頻率相同、時間相位卻不同的感應(yīng)電動勢。穩(wěn)態(tài)對稱運行時，無論定子磁場或轉(zhuǎn)子磁場均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同轉(zhuǎn)子繞組沒有相對運動，也不會在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。同步電動機的空氣隙間存在兩種不同方式產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，所以，當(dāng)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(chǎn)生相互作用的電磁力。但由于負(fù)載的影響，兩個磁場間的相對位置卻不同。轉(zhuǎn)矩性質(zhì)和運行方式：轉(zhuǎn)子磁場順著旋轉(zhuǎn)方向滯后定子磁場運行：拖動轉(zhuǎn)矩+電動機運行方式轉(zhuǎn)子磁場順著旋轉(zhuǎn)方向滯后定子磁場運行時，轉(zhuǎn)子受到與其轉(zhuǎn)向相同的電磁轉(zhuǎn)矩作用。（1）凸極同步電動機雙反應(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)的直軸磁導(dǎo)與交軸磁導(dǎo)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(yīng)圖2–1 凸極同步電機的雙反應(yīng)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(nèi)感應(yīng)處相應(yīng)地勵磁電動勢以及電樞反應(yīng)電動勢。上述關(guān)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(zhuǎn)子磁場相互作用，電功率轉(zhuǎn)換成機械功率—〉轉(zhuǎn)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(shè)計基本方法（1）準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段需要我們準(zhǔn)備以下方面：首先熟悉國家標(biāo)準(zhǔn)，收集相近電機產(chǎn)品樣本和技術(shù)資料，并聽取生產(chǎn)以及使用單位地意見和要求；然后在國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定及分析相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書或者技術(shù)建議書。通過反復(fù)運算來求得最精確結(jié)果。通常，首先根據(jù)技術(shù)條件書或技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)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(fù)荷的高低，來選取合適的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；然后安排產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)，繪制總裝配草圖。（4）變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計由于同步電動機的轉(zhuǎn)速完全取決于控制電源的頻率，與供電電源的頻率具有嚴(yán)格的關(guān)系，因此通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計可以使同步電動機速度可調(diào)，應(yīng)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(fù)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(dǎo)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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)線的半閉口槽中，一般用槽滿率來表示槽內(nèi)導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)線的散熱，~。第四章 電磁設(shè)計方案計算電磁設(shè)計方案的計算是根據(jù)設(shè)計要求，即提供的數(shù)據(jù)以及技術(shù)要求來進行同步電動機的電磁方案的計算。本次復(fù)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(jié)果的檢查方面，自制了復(fù)算程序，通過程序驗證了結(jié)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(dá)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)荷表53 電磁負(fù)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(fù)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(nèi)，從而使得通過調(diào)節(jié)氣隙磁密來改善同步電動機的技術(shù)指標(biāo)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(dāng)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(guān)。一般來講，每槽導(dǎo)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(jié)果。在計算第一個方案的時候，曾經(jīng)遇到過轉(zhuǎn)子磁軛磁密的數(shù)據(jù)超過了16000，大到轉(zhuǎn)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(dǎo)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(diào)速系統(tǒng)用電動機本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測器或電動機反電動勢波形提供的轉(zhuǎn)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(dá)到控制磁通的目的，因此，