【正文】 并考慮到 2 2 2dqi i ji?? 后，可以得到轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式在直軸和交軸的表達式， 直軸（ d軸）分量 22 0rdRi t????? （ 2） 第二章 同步電動機變頻調(diào)速及其控制系統(tǒng) 11 交軸（ q 軸）分量 ? ?22 0qrdRi dt?? ???? 根據(jù)磁鏈計算 公式， r? =Li，轉(zhuǎn)子感應電流在 dq 坐標系上的轉(zhuǎn)子磁鏈計算式為 直軸（ d 軸）分量 1 2 2r m d dL i L i? ?? 交軸（ q 軸）分量 1 2 20 m q qL i L i?? 因此 2122mrddLiiLL?? ? ? （ 3） 212mqqLiiL? ? ? 式子中 2L —— 轉(zhuǎn)子電感（自感）； mL —— 定子與轉(zhuǎn)子間的互感 將式子（ 3）代入（ 2），整理后就可以得到如下的轉(zhuǎn)子磁鏈方程 22 2 1m mddIT I idt ?? （ 4） 121 qmiddt T I? ?? ? ? 式子中： 22 2LT R?—— 轉(zhuǎn)子電路的時間常數(shù)； ddt??? —— 轉(zhuǎn)子角速度 2 rm mI L??—— 轉(zhuǎn)子勵磁電流 由此可見，轉(zhuǎn)子的磁鏈 r? （或者勵磁電流 I2m ）只與定子電流的直軸（ d 軸）分量 1di 有關(guān)。 定子電壓平衡方程 同步電機用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的定子電流交軸分量可以通過建立定子電壓平衡方程來求出，根據(jù)定子磁鏈的變化率，定子電壓的平衡方程式 1 1 1rdRi udt??? （ 5） 在圖一中，如果將轉(zhuǎn)子的磁鏈 dq 坐標系作為參考，以矢量形式表示定子磁第二章 同步電動機變頻調(diào)速及其控制系統(tǒng) 12 鏈 r? 為 ? ? ? ?1 1 1 212 mmqqddr L i L i j L i L i? ? ? ? ? 當轉(zhuǎn)子磁鏈軸以 ddt? 速度旋轉(zhuǎn)時，定子磁鏈的全微分表達式為： rr rjtd ddt dt?? ? ????? =? ? ? ?12121 1 1 1 2 1 1 2qqdd m m q m q d m dd i d id i d iL L j L L L i L i j L i L id t d t d t d t ddd t d t?????? ? ? ? ? ? ? ??????? ?? 代人式子（ 5），并考慮到1 1 1dqi i ji??，1 1 1dqu u ju??后，可得到， 111 1 1 1 211dd mmqqddd i d iddR i L L i L L i ud t d t d t d t??? ? ??? （ 6） 121 1 1 1 112qq mmqqddd i d iddR i L L i L L i ud t d t d t d t??? ? ? 將（ 3）式代人（ 6）式中，消去轉(zhuǎn)子電流后可得到 22111 md qddK ITdi dR i L u L id t d t?? ? ?? （ 7） 2111 11 mqq dd kIdi dR i L u L id t d t ??? ? ?? 式子中， 2122mLR R RL???? ????， 212mLLL L??, 22mLK L? 同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩同樣可以用轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流正交分量（交軸分量）的乘積進行表示，從式子（ 7）中可見，在同步電機中，相當于用2mkI代替了永磁同步電機的常數(shù) K，因此可以得到同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩為： 2 1m qM kI i? (8) 由（ 4）式與（ 8）式可見，通過矢量變換，市現(xiàn)率定子電流在轉(zhuǎn)子磁鏈坐標第二章 同步電動機變頻調(diào)速及其控制系統(tǒng) 13 系的解耦，定子電流的直 軸（ d 軸）分量1di決定了轉(zhuǎn)子的磁鏈 r? ，定子電流的交軸（ q 軸）分量1qi決定了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，這樣就大大簡化了多變量強耦合交流電機的控制問題。 但是，需要注意的是感應電機和同步電機的控制不同，同步電機可以通過控制使得定子電流的直軸（ d 軸）分量為零。 同步電機的矢量控制系統(tǒng) 從（ 4）（ 7）（ 8）式子中可以看到，同步電機矢量控制的前提是需要知道實際電機 的全部參數(shù)，但是對于通用型的變頻器，由于生產(chǎn)制造廠家的不同，變頻器的參數(shù)就無法得知，這樣就很難進行正確的控制，為此，矢量控制變頻的一個重要的問題是變頻器必須根據(jù)用戶設定的參數(shù)，事先建立同步電機的數(shù)學模型，才能實施控制，從某種意義上說這是一種預測控制。 同步電動機的矢量控制有兩種形式，開環(huán)和閉環(huán)，采用矢量控制的變頻器不僅可以提高速度控制的進度，還可以大大提高變頻調(diào)速的調(diào)速范圍，目前，其性能已接近交流伺服電機，因此，高性能的變頻器一般都采用矢量控制技術(shù)。 同步電機閉環(huán)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成原理如圖所示，考慮 到變頻器的閉環(huán)與開環(huán)的通用性，原則上閉環(huán)系統(tǒng)只在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上進行修補，因此，與開環(huán)系統(tǒng)相比較，閉環(huán)系統(tǒng)在速度反饋與頻率控制通道采用了自測電機。 第三章 電磁設計基本理論 14 第三章 電機設計基本理論 電機設計過程和內(nèi)容 （ 1）準備階段 首先是熟悉國家標準，收集相近電機的產(chǎn)品樣本（或樣機）和技術(shù)資料（包括試驗數(shù)據(jù)），并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求；然后在國家標準有關(guān)規(guī)定及分析相應資料的基礎上，編制技術(shù)任務書或技術(shù)建議書。 （ 2）電磁設計 本階段的任務是根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務書（技術(shù)建議書）的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過 計算和方案比較，來確定與所設計電機電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。 （ 3）結(jié)構(gòu)設計 結(jié)構(gòu)設計的任務是確定電機的機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格及性能要求，包括必要的機械計算及通風和溫升計算。 通常，首先根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務書（技術(shù)建議書）中規(guī)定的防護型式、安裝方式與冷卻方式，再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(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)，繪制總裝配草圖。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對總裝配草圖進行必要的修改。 主要尺寸的確定 一、確定 定子繞組 a) 先假定一個槽滿率，設為 80%，根據(jù)槽滿率計算公式 SdK AAF ?/? 確定 dA 導線所占面積 . b) 由公式 DNJAA d ?/ ?? 得出 DNAJA d ?/?? 根據(jù)上式選取 A 值 . c) 由公式 DmIZA ?/? 推出 Z . d) 計算每槽導體數(shù) 。根據(jù)已知條件設計繞組 ,確定 1m 、 2m 、 1n 、 2n . e) 根據(jù)計算出的數(shù)據(jù) ,進行計算驗證 . 二、確定鐵心長度 a) 由給定的參數(shù)計算槽節(jié)距 Z? ,平均齒寬 ZB ,電樞卡氏系數(shù) cK ，定子斜槽因數(shù) ckK ，每極磁通 p? 等。 b) 由經(jīng)驗在電樞齒磁密 ZB 范圍內(nèi)選取一合適值，再由公式第三章 電磁設計基本理論 15 ??? BbKB Zs ZZ 1?求出 ?B 。 c) 由公式??? ???LB P? 計算出 ?L 。 電磁設計 同步發(fā)電機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù) 1）、 性能指標 效率，功率因數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，起動電流倍數(shù)，繞組和鐵心的溫升，起動過程中的最小轉(zhuǎn)矩 minT 。 2）、 額定數(shù)據(jù) 額定功率 PN[kW] 額定電壓 UN[V] 額定電流 IN[A] 額定轉(zhuǎn)速 nN[r/min] 額定功率因素 cosφ N 額定勵磁電壓 Uf[V] 額定勵磁電流 if[A] 額定溫升 [℃ 氣隙對電機性能的影響 通常氣隙 ? 選取得盡可能小，以降低空載電流，因為電機的功率因數(shù) ?cos 主要決定于空載電流。但是氣隙不能過小，否則除影響機器可靠性外，還會使諧波磁場及諧波電抗增大，導致啟動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小，諧波轉(zhuǎn)矩和附加損 耗增加，進而造成較高溫升和較大噪聲。氣隙 ? 的數(shù)值基本上決定于定子內(nèi)經(jīng)、軸的直徑和軸承間的轉(zhuǎn)子長度。因為機座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時都有一定偏差；而軸直徑和軸承間距離決定了軸的高度；定轉(zhuǎn)子裝配在一起后，定子鐵心內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻度，其值對電機運行性能有很大影響。氣隙大小要綜合上述兩個方面，并根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和所設計電機的特點加以確定 。 槽滿率對電機性能的影響 槽滿率是導線有規(guī)則排列所占的面積與槽的有效面積之比。即 SdK AAF ?/? %100? 其中： dA —— 導線所占面積 sA? —— 電機槽的有效面積 第三章 電磁設計基本理論 16 KF —— 槽滿率 當槽滿率變小時，電樞繞組電密會變大，相應的電樞發(fā)熱參數(shù)升高，因而不利槽內(nèi)導線的散熱。同時，槽滿率變小會導致電樞繞組每相電阻變大，使得電組銅耗上升，降低了電機的效率。較高的槽滿率值不僅可以縮小槽面積，鐵心尺也可應縮小，提高材料的利用率；而且有利于槽內(nèi)導線的散熱。但是高槽滿率會 給嵌線帶來困難并增加嵌線工時。槽滿率太高了在嵌線時極易引起絕緣損傷，將造成電機報廢等比較嚴重的后果。 結(jié)構(gòu)設計 結(jié)構(gòu)設計和機械計算是電機設計的一個組成部分，它主要是電磁設計完成后進行的。其目的是解決機械部分的設計問題對它的要求是從結(jié)構(gòu)上來保證電機性能、制造時的經(jīng)濟合理和運行可靠等。 此次設計沒有進行結(jié)構(gòu)設計，所以在此對它只作簡單的介紹。 影響電機總體結(jié)構(gòu)的因素很多，例如電機的類別、運行條件、原動機或被傳動機械的種類及傳動方式、電機的容量與轉(zhuǎn)速、冷卻方式、防護型式、軸承型式和數(shù)目、安裝方式等等。 結(jié)構(gòu) 設計的基本內(nèi)容和原則 大致內(nèi)容： 1）確定電機的總體結(jié)構(gòu)型式，包括防護型式、軸承型式和數(shù)目、軸伸型式、 安裝方式、通風系統(tǒng)等。 2）確定零部件的結(jié)構(gòu)型式、材料、形狀、尺寸、加工精度、形位誤差、 表面粗糙度和技術(shù)要求等。 3）確定某些零部件（例如轉(zhuǎn)子鐵心與軸，機座與端蓋）之間的機械連接方法、配合種類等等。 4）核算零部件的機械性能。 考慮下列原則： 1）應保證電機在規(guī)定期限內(nèi)能安全可靠的運行。 2）所用的結(jié)構(gòu)型式一般應符合有關(guān)國家標準的規(guī)定，并滿足使用部門及環(huán)境保護方面所提出的要求。 3）要盡量使零部件符合 “標準化、系列化、通用化 ”的要求，盡可能采用標準件和標準規(guī)格的材料，注意零部件的通用。 4）應具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。 5）應考慮電機的裝拆和維修方便，并注意運輸條件與使用單位的技術(shù)條件。 6）應適當注意電機的外形美觀 。第四章 電磁設計方案及計算 17 第四章 電磁設計方案及計算 電磁設計思路 首先要確定所要設計的發(fā)電機的主要規(guī)格，例如功率、功率因數(shù)、頻率等，然后根據(jù)給出的定轉(zhuǎn)子圖紙計算出定子外徑、內(nèi)徑、氣隙大小等，關(guān)鍵是鐵心長度確定和電樞繞組的選擇，這直接關(guān)系到設計的成敗。鐵心長度確定和電樞繞組的選擇用以下方法： 由電樞齒磁密 ZB 計算公式??? BbKB Zs ZZ 1?氣隙磁密 ?B 計算公式??? ???LB P?可以得出ZZsPZ BbKL ???????1? ，其中 ZB 在 1580016600 中取值，槽節(jié)距 Z? ,平均齒寬 ZB ,每極磁通 p? 等由 給定的參數(shù)算出。 根據(jù)槽滿率計算公式 SdK AAF ?/? 和線負荷公式 DNJAA d ?/ ?? 可以得出線負荷 A 和電樞繞組電密 J 之間關(guān)系 DNFAJA Ks ?? /?? ，其中先假定一個槽滿率設為 80%，得出 JA/ 一個比值關(guān)系，然后在 A 范圍 150260 和 J 范圍800950 選取。再由線負荷 A 公式 DmIZA ?/? 得出每相串聯(lián)導體數(shù) Z ，再根據(jù)已知條件選擇繞組節(jié)距 ,確定 1m 、 2m 、 1n 、 2n 及每槽導體數(shù)。 確定好鐵心長度和選擇好電樞繞組后，然后按照三相同步發(fā)電機計算 程序進行計算。得出以下： 電磁設計計算步驟 一、主要規(guī)格 (千瓦） P 24 24 24 ?Cos m 3 3 3 f 50 50 50 ?? CosPPN / AU 400 400 400 3/AN UU ? （安） NNN mUPI /10 3?? （轉(zhuǎn) /分） Nn 1000 1000 1000 第四章 電磁設計方案及計算 18 yK 柴油機發(fā)電 水輪機發(fā)電 定子 級 磁場 級 nnfP /120? 6 6 6 二 .主要尺寸 yD 34 34 34 直徑 D pD/??? ? m? 處直徑 ?2?? DDm ymoD ymD 8 8 8 21. 周邊速度 (米 /秒） 6000/NnDV ?? ? L 1??LLm 長 ?? 2??LL LKLstn ?? ?stK msTmmn LKL ?? ?sTmK 三、磁場波形 ??/ 28. 氣隙比值 ??/m 29. 極抱百分值 ? 30. 磁極抱角 ? ?a (查曲線 1 及 2)[用公式計算見附錄一 ] BK (查曲線 1 及 2) 第四章 電磁設計方案及計算 19 H ( ) *2 * [ c os ]22mm mH DD ???? δ δ （ D δ δ ）（ δ ） （ δ ） * HDR ??? ?2/ 四、電樞鐵心及電樞繞組 N 36 36 36 （ 1）每圈扇形片數(shù) t 6 6 6 （ 2）重疊數(shù) n 2 2 2 （ 3）每片槽數(shù) tN/ 10 10 10 （ 4）扇形片高 201/ 2 / 2 * c o snc y iih D D X??? ? （ 1 8 0 / t） （ 5）扇形片寬 0* sincybD? （ 180 /t） 17 17 17 （ 6）無軸流拼片條件 2ntp 4 4 4 37. 每極每相槽數(shù) mpNq /? 2 2 2 38. 電樞繞組節(jié)距 1dy 2dy 1sy 2sy 0 0 5/6 3/6 1m 0 0 0 2m 0 0 0 1n 11 12 11 2n 11 12 11 39. 每槽導體數(shù) 22 24 22 40. 每根導線并繞根數(shù) n 3 3 3 數(shù) a 2 3 4 數(shù) 1 2 1 22 ()pZ m m n na? ? ? ? 264 288 264 Kdp s in 9 0 s in 9 0 s in 9 0 s in 9 01 1 2 2 1 1 2 21 2 1 2m y d m y d n y s n y sm m n n? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? A1 DZmIAN ?/? 7 裸徑 d 絕緣徑 39。d 第四章 電磁設計方案及