【正文】 1]．《電機(jī)設(shè)計(jì)》 陳世坤編 機(jī)械工業(yè)出版社 [2]．《電機(jī)學(xué)》 李發(fā)海等合編 科學(xué)出版社 [3]. 《電機(jī)學(xué)》 辜承林 陳橋夫 熊永前 華中科技大學(xué)出版社 [4]．《 AUTOCAD2020 入門與提高》 張躍峰等編 清華大學(xué)出版社 [5].上海電器科學(xué)研究所《中小型電機(jī)手冊》編寫組 .中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1994 [6].徐廣人 ,唐任遠(yuǎn) ,安忠 良 . 永磁同步電動機(jī)氣隙磁場分析 [J]沈陽電力高等專本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 科學(xué)校學(xué)報(bào) , 2020,(02) . [7].李燁 ,嚴(yán)欣平 . 永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景 [J]微電機(jī) (伺服技術(shù) ), 2020,(04) 南 昌 大 學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。 作者簽名： 日期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。 （請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”） 作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 摘要 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR （ 2020— 2020 年） 題 目 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 電氣工程及其自動化 專業(yè)班級： 電機(jī)電器 061 班 學(xué)生姓名： 王 徽 學(xué)號： 6101106024 指導(dǎo)教師： 黃劭剛 職稱： 教授 起訖日期： ~ 摘要 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)號： 6101106024 學(xué)生姓名： 王徽 指導(dǎo)老師：黃劭剛 摘要 本文從同步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)的基本理論和特性入手，簡單的介紹了同步電機(jī)的基本特點(diǎn)、型號、用途、工作特性，主要結(jié)構(gòu)，技術(shù)指標(biāo)等， 這些都是為同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備的。 所以應(yīng)該全方面的看待問題，在計(jì)算中上下連接，在一切都符合技術(shù)指標(biāo)要求的前提下作 。 第一套方案是選定各項(xiàng)數(shù)據(jù)按照 計(jì)算程序來初步設(shè)計(jì)一臺電機(jī)，使其符合同步發(fā)電機(jī)的效率、溫升等 要求，第二套方案是在方案 1 的基礎(chǔ)上重新選擇數(shù)據(jù)使同步發(fā)電機(jī)的效率和溫升達(dá)到最佳，最后一套方案是在方案 2的基礎(chǔ)上再想辦法使同步發(fā)電機(jī)的使用材料最節(jié)省。因此，在實(shí)際的電機(jī)設(shè)計(jì)中必須全面照顧，綜合考慮 ,最后得到一個(gè)既省材料效率又高的最優(yōu)方案。 通過這三個(gè)方案，使我更深入了解了同步電機(jī)設(shè)計(jì)的步驟和方法，同時(shí)對CAD 軟件的應(yīng)用，制圖等的一系列的細(xì)節(jié)操作更加熟練。與各種形式 的能量相比，電能具有明顯的優(yōu)越性，適宜用于大量生產(chǎn)、集中管理、遠(yuǎn)距離傳輸和自動控制。 將電能從最初的能源形式轉(zhuǎn)化過來的重要橋梁，又是再將大部分電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。法拉第發(fā)明的盤式電機(jī)，這事一種真正的直流電機(jī)。 同步電動機(jī)是 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電動機(jī)。轉(zhuǎn)速 N 決定于電源頻率 F，故電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。常用于多機(jī)同步傳動系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設(shè)備 (如軋鋼機(jī) )等 。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與 定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機(jī)。為此，在很多時(shí)候，同步電動機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的 。 其 特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間又不變得關(guān)系 n= sn =60f/p， sn 成為同步轉(zhuǎn)速。 與異步電機(jī)相比 ,同步電動機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1． 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速恒定 (同步速 )，只與電源頻率有關(guān)，不隨負(fù)載和電壓的變化而變化； 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 2． 運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的過載能力； 3． 功率因數(shù)較高，因?yàn)橥诫妱訖C(jī)可以通過調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流提高功率因數(shù)，可在功率因數(shù)為 1 的狀態(tài)下運(yùn)行；還能改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，即在領(lǐng)先的功率因數(shù)下運(yùn)行； 4． 運(yùn)行效率高，低速運(yùn)行時(shí)尤為明顯；對于大容量電動機(jī)，同步電動機(jī)體積反而比異步電動機(jī)??； 5． 隨著電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，同步電動機(jī)也能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，在大容 量電力拖動場合，同步電動機(jī)的控制性能優(yōu)于異步電動機(jī)。如按用途分，有發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和調(diào)相機(jī)。前者在小容量同步電機(jī)中得到某些應(yīng)用，后者廣泛用于高電壓、中大容量的同步電機(jī)，并成為同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式。隱極同步電機(jī)的氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子成圓柱形；凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極弧范圍氣隙較小，極間部分氣隙較大。由于汽輪機(jī)是告訴的原動機(jī)，故火電站中的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一般做成二級隱極式 。由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)一般都做成凸極式。 通常 ,同步電機(jī)的主要類型有： １． 汽輪發(fā)電機(jī) 定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由 , 或其它厚度的電工鋼片疊成。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。 為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子，其外形常做成一個(gè)細(xì)長的圓柱體。 勵(lì)磁繞組為同心式30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 繞組，以銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi) ２． 水輪發(fā)電機(jī) 水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與 汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為 1～ 2mm 的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。磁極與磁極軛部采用 T 形或鴿尾形連接 。 中小型同步電機(jī)多做成臥式的。當(dāng)鐵心外徑小于１ m 時(shí)骼整圓沖片，大于 1m 時(shí)，用扇形片。大容量高電壓多用開口槽；小容量低電壓多用半閉口槽。在容量較大的電機(jī)里，磁軛仍用鋼板沖成的扇形片疊成；在小容量或高速電機(jī)里多用鑄鋼鑄成。它的優(yōu)點(diǎn)是可以提高硅鋼片的有效利用率，并把定子磁軛和機(jī)座合二為一，以節(jié)省鋼材。軸承也有兩種：滑動軸承與滾動軸承。 同步電機(jī)還可以作為電動機(jī)使用，對不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械，常用同步電動機(jī)來驅(qū)動。 此外，同步電機(jī)還可以人微言輕同步補(bǔ)償機(jī)使用，它實(shí)際上 是一臺按在交流電網(wǎng)上空轉(zhuǎn)的同步電動機(jī)，專門向電網(wǎng)發(fā)出戌感性或容性的無功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。 主要結(jié)構(gòu)部件 同步電動機(jī)的定子與異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，由機(jī)座、定子鐵芯、電樞繞組等組成。 同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 由磁極、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、滑環(huán)、電刷等組成，在電刷和滑環(huán)通入直流電勵(lì)磁，產(chǎn)固定磁極。 凸極特點(diǎn)： 氣隙不均勻，有明顯的磁極，轉(zhuǎn)子鐵芯短粗，適用于轉(zhuǎn)速低于 1000r/min，極對數(shù) p≥3 的電動機(jī)。 圖 1 直線同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1 同步電動機(jī)的定子由機(jī)座、定子鐵心和電 樞繞組等組成。 同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)速高低和容量大小分為凸極式和隱極式兩種。 凸極同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)軸、磁極、磁軛、阻尼繞組和滑環(huán)等組成。 隱極同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為圓柱體，勵(lì)磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，隱極式同步電動機(jī)的空氣隙是均勻的。 同步電機(jī)型號和額定值 例如： W630KW4 極數(shù) 額定容量 30KW 同步電動機(jī)的主要額定數(shù)據(jù)為 ： 額定容量 nP ：指電動機(jī)軸上輸出的有功功率，單位： kw 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 額定電壓 nU ：指定子三相繞組上的線電壓，單位： V； 額定電流 nI ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，流過定子繞組的線電流，單位： A； 額定轉(zhuǎn)速 n ： 指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的同步轉(zhuǎn)速，單位： r/min； 額定功率因數(shù) 39。N? ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率； 額定勵(lì)磁電壓 fnU ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電壓，單位： V 額定勵(lì)磁電流 fnI ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流，單位 ： A ： NNNN IUP ?co s3? 第二章 同步電機(jī)的工作特性 長期以來，人們認(rèn)為通過調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以改善電機(jī)的運(yùn)行特性。 同步電機(jī)的工作原理 磁場的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場，即建立起主磁場。 切割運(yùn)動：原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場）。通過引出線，即可提供交流電源。 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系 1．同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行 發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行 空載運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡單的運(yùn)行方式 ,其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢 fF (勵(lì)磁磁勢 )單獨(dú)建立 ,稱勵(lì)磁磁場 . 此時(shí)電機(jī)定子的三相繞組只有勵(lì)磁電流 fI 感生出的空載電動勢 0E (三相對稱 )，其大小隨 fI 的增大而增加。反映空載電動勢 0E 與勵(lì)磁電流 fI 關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性 。 2． 漏磁通 ： 除 0? 外的所有諧波成分 ， 及勵(lì)磁磁場中僅與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通 ， 漏磁通 不參與電機(jī)的機(jī)電能 量轉(zhuǎn)換 二 ,空載特性 0E = f( fI )或 0E = f( fF ) 1． 空載運(yùn)行時(shí) ， 勵(lì)磁電勢隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系 ， 稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性 。 三相基波電勢有效值為 0E = 0 。 空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律 ： 勵(lì)磁電流較小時(shí) ，30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 由于磁通較小 ， 電機(jī)磁路沒有飽和 ， 空載特性呈直線 (將其延長后的射線稱氣隙線 )， E0 隨著勵(lì)磁電流的增大 ， 磁路逐漸飽和 ， 磁化曲線開始進(jìn)入飽和段 。 3． 空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn) 得到 .試驗(yàn)測定的方法與直流發(fā)電機(jī)類似 ，同步電機(jī) 的空載特性也常用標(biāo)么值表示 ， 空載電勢以額定電壓為基值 ， 此時(shí)的勵(lì)磁電流 (稱為額定勵(lì)磁電流 )為勵(lì)磁電流的基值 。 4． 空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用 : ① 空載特性結(jié)合短路特性 (在后面介紹 )可以求取 同步電機(jī) 的參數(shù) ； ② 根據(jù)設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性 ,可判斷該電機(jī)的磁路是否過于飽和或者材料是否充分利用 ； ③ 發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障 。 飽和系數(shù) k =勵(lì)磁磁動勢 /氣隙磁動勢 =ac/ab= 0E / nU 。電樞磁動勢對勵(lì) 磁磁動勢的影響就叫做電樞反應(yīng)。 2. aF? 和 fF? 性質(zhì)比較：①均是幅值不變的旋轉(zhuǎn)磁動勢； ②均是階梯波，基波為正弦波； ③轉(zhuǎn)速為 n1。 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 ① 內(nèi)功率因數(shù)角 Ψ：空載電動勢 E0和電樞電流 Ia之間的夾角，與電機(jī)本身參數(shù)和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)； ②外功率因數(shù)角 φ：與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)； ③功率角（功角） δ： E0和 U 之間的夾角；且有 Ψ =φ +δ （電感性負(fù)載） ④直軸（ d 軸）：主磁極軸線（縱軸）； ⑤ 交軸（ q軸）：轉(zhuǎn)子相臨磁極軸線 間