20kw4極變頻調速同步電動機電磁方案及控制系統(tǒng)設計電機電器本科畢業(yè)論文

1、 題 目 20kw-4極變頻調速同步電動機電磁方案 及控制系統(tǒng)設計 說 明1. 畢業(yè)設計任務書由指導教師填寫，并經專業(yè)學科組審定，下達到學生。2. 進度表由學生填寫，至少每兩周交指導教師簽署審查意見，并作為畢業(yè)設計工作檢查的主要依據。進度表中的周次是指實際的畢業(yè)設計進程中的周次。3. 學生根據指導教師下達的任務書獨立完成開題報告，于3周內提交給指導教師批閱。4. 本任務書在畢業(yè)設計完成后，與論文一起交指導教師，作為論文評閱和畢業(yè)設計答辯的主要檔案資料，是學士學位論文成冊的主要內容之一。1、 畢業(yè)設計的主要內容和基本要求 （一） 主要內容 1.分析同步電動機結構，運行原理 2 闡述同步電動機的設

2、計思路 3 進行20kw-4極同步電動機設計，給出三套電磁設計方案 4三套電磁方案的比較分析 5設計電機的定子沖片、轉子沖片、定轉子繞組，并給出設計圖紙 1、技術要求：額定功率: 20kw 額定電壓: 400v相 數：三相y接法 額定功率因數：0.95額定轉速：1500r/min 額定頻率：50hz 效率：88.5% 定子槽滿率：80 85% 2、原始數據： 定子外徑 ：30 定子內徑：20.93定子槽數 ：36 氣隙長度：0.0853、參考數據定子繞組電密：7 9.5a/mm2 氣隙磁密：0.73 0.88t（4極） 0.7 0.75t（6極）4、設計要求： 根據原始數據和參考數據設計一臺符

3、合技術要求的同步電動機，并給出三個 方案，分析 電機的材料利用率與效率的關系，掌握設計節(jié)能電機和節(jié)約材料電機的方法，并設計交流變頻調速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電動機的高性能運行。2、 畢業(yè)設計圖紙內容及張數 1、定子沖片圖 1張 2、轉子沖片圖 1張 3、繞組聯(lián)接圖 1張三、畢業(yè)設計應完成的軟硬件的名稱、內容及主要技術指標（例如：軟件、電路板、機電裝置、新材料、新制劑、結構模型或其他）軟件：cad、matlab四、畢業(yè)設計進度計劃序號各階段工作內容起訖日期實施地點1畢業(yè)實習第一周第三周2論文的開題報告第四周第五周3復算電機的各種參數第六周第九周4上機設計三個優(yōu)化方案第十周第十二周5用autocad制圖第

4、十二周第十三周6寫畢業(yè)論文第十四周第十五周7論文答辯第十五周第十六周5、 主要參考資料1電機設計 陳世坤編 機械工業(yè)出版社 2電機學 李發(fā)海等合編 科學出版社 3. 電機學 戴文進 徐龍權 清華大學出版社4交流電機及系統(tǒng)的分析 高景德 李發(fā)海 清華大學出版社5.電機與電力拖動 邱阿瑞 電子工業(yè)出版社6.交流調速控制系統(tǒng) 李德華 電子工業(yè)出版社六、畢業(yè)設計進度表（本表至少每兩周由學生填寫一次，交指導教師簽署審查意見）第一、二周（ 月 日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日第三、四周（ 月 日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日第五、六周（ 月

5、日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日第七、八周（ 月 日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日第九、十周（ 月 日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日第十一周至畢業(yè)設計工作結束（ 月 日至 月 日）學生主要工作：指導教師審查意見：簽名： 年 月 日七、其他（學生提交）1開題報告1份 2外文資料譯文1份（2000字以上，并附資料原文） 3論文1份（8000字以上） 指 導 教 師： 學科組負責人： 學生開始執(zhí)行 任務書日期： 學生姓名： 送交畢業(yè)設計日期： 本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目：20kw-4極電勵磁同

6、步電動機電磁方案 及控制系統(tǒng)設計 一、 選題的依據及意義在用電系統(tǒng)中，電動機作為主要的動力設備而廣泛地應用于工農業(yè)生產、國防、科技及社會生活等各個方面。電動機負荷約占總發(fā)電量的60%70%，成為用電量最多的電氣設備。根據采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動機擁有量最多，提供給工業(yè)生產的電量多半是通過交流電動機加以利用的。交流電動機的誕生和發(fā)展已有一百多年的歷史，至今已研究、制造了形式多樣、用途各異的各種容量、各種品種的交流電動機。交流電動機分為同步電動機和異步異步電動機兩大類。電動機的轉子轉速與定子電流的頻率保持嚴格不變的關系，即是同步電動機；反之，若不保持

7、這種關系，即是異步電動機。根據統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機中用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民經濟中的重要地位。眾所周知，直流電動機的轉速容易控制和調節(jié)，在額定轉速以下，保持勵磁電流的恒定，可用改變電樞電業(yè)的方法實現(xiàn)轉矩調速；在額定轉速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調速。采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。因此，長期以來的變速傳動領域中，直流調速一直占據主導地位。但是，由于直流電動機本身結構上存在機械式換向器和電刷這一致命弱點，這給直流調速系統(tǒng)的開發(fā)和應用帶來了一系列限制，即：機械式換向器表面的線速度及換向電流、電壓有一極限

8、容許值，這就限制了單機的轉速和功率。如要超過極限容許值，則大大加大電機制造的成本和難度，以及調速系統(tǒng)的復雜性。因此，在工業(yè)生產中，對一些要求特高轉速、特大功率的場合則根本無法采用直流調速方案。為了使機械換向器能夠可靠工作，往往增大電樞和換向器直徑，導致電機轉動慣量很大。對于快速響應的生產工藝，采用直流調速方式難以實現(xiàn)。機械換向器必須經常檢查和維修，電刷必須定期更換。這就表明了直流調速系統(tǒng)維檢工作量大，維修費用高，同時停機檢修的更換電刷也直接影響了正常生產。在一些易燃易爆的場合，一些多粉塵、多腐蝕性氣體的生產場合不能或不宜使用直流電動機。由于直流電動機在應用中存在著這樣的一些限制，使得直流調速系

9、統(tǒng)的應用也相應受到了局限。交流電機有兩種：異步電機和同步電機。同步電機主要作發(fā)電機用，電力系統(tǒng)中的電能幾乎全是通過同步發(fā)電機產生的；但同步電機也作電動機適用，如應用于某些大型生產機械的拖動系統(tǒng)中，其功率達數百或數千千瓦。同步電動機有其獨特的優(yōu)點：穩(wěn)定運行時轉速恒定（同步速），只與電源頻率有關，不隨負載和電壓的變化而變化；運行穩(wěn)定性好，具有較強的過載能力；功率因數較高，因為同步電動機可以通過調節(jié)其勵磁電流提高功率因數，可在功率因數為1的狀態(tài)下運行；還能改善電網的功率因數，即在領先的功率因數下運行；運行效率高，低速運行時尤為明顯；對于大容量電動機，同步電動機體積反而比異步電動機??；隨著電力電子技術

10、與控制技術的進步和發(fā)展，同步電動機也能實現(xiàn)變頻調速，在大容量電力拖動場合，同步電動機的控制性能優(yōu)于異步電動機。隨著電力電子技術的發(fā)展，同步電動機歷來只能恒速運行的狀況已被改變，同步電動機和一部電動機一樣都能調速，過去阻礙同步電動機廣泛應用的起動、振蕩和失步等問題已經得到解決。同步電動機變頻調速的應用領域十分廣泛，其功率覆蓋面大，從數瓦德微型同步電動機到數千瓦的大型同步電動機。超大型抽水蓄能電動發(fā)電機的變頻起動也屬于同步電動機變頻調速之列。同步電動機變頻調速的基本原理和方法以及所用的變頻裝置都和異步電動機變頻調速大體相同。但是，同步電動機變頻調速也有其獨自的一些優(yōu)點。同步電動機轉速與電源的基波頻

11、率之間保持著嚴格的同步關系 數中p為電動機的極對數。從式中看出，只要精確地控制變頻電源的基波頻率就能準確地控制電動機的轉速。同步電動機可以通過調節(jié)轉子勵磁來調節(jié)電機的功率因數，這對于改善電網的功率因數有利。若電動機運行在=1的狀態(tài)下，電機的電樞電流最小，變頻器容量可減小。同步電動機對負載轉矩擾動具有較強承受能力，這是因為只要同步電動機的公角作適當變化就能改變電磁轉矩，而轉速始終維持在原同步速不變。同時，轉動部分的慣性不會影響同步電動機對轉矩的快速響應。因此，同步電動機比較適合于要求對負載轉矩變化作出快速反應的交流調速系中。同步電動機在低頻時也能運行，因為它能從轉子進行勵磁以建立必要的磁場，故它

12、的調速范圍比較寬。 在同步電動機調速系統(tǒng)中，從電動機的輸入頻率看，有兩種：一為頻率他控式，二為頻率自控式。所謂頻率他控式是指，給同步電動機供電的變頻器的輸出頻率是由轉速給定信號決定的。這種調速系統(tǒng)一般多采用開環(huán)控制，因此，像接在工頻電網上運行的同步電動機一樣，存在著轉子振蕩及失步等問題。他控式恒壓頻比的同步電動機調速系統(tǒng)目前多用于小容量場合，例如永磁同步電動機、磁阻同步電動機。頻率自控式則不然，變頻器的輸出頻率不是隨意由外部給定的，而是由電動機本身轉速決定的。這樣一來，就不存在轉子失步問題，即永遠同步運行。實際上，只要在電動機轉軸上安裝了磁極位置檢測器，使其輸出信號與電機電樞繞組感應電動勢的頻

13、率同步，就可實現(xiàn)頻率自控。自控式同步電機又可分為兩種類型。（1）負載換相自控式同步電動機調速系統(tǒng)主電路長采用交-直-交電流型變頻器，利用同步電動機電流超前電壓的特點，使逆變器的晶閘管工作在自然換向狀態(tài)。國際上簡稱這種系統(tǒng)為lci（load commutated inverter）。目前這種調速系統(tǒng)容量已達到數萬千伏安，電壓等級達到萬伏以上。值得注意的是這種超大容量的系統(tǒng)所用同步電動機滑環(huán)式勵磁系統(tǒng)已改用無刷勵磁機系統(tǒng)。（2）交-交變頻供電的同步電動機調速系統(tǒng)交-交變頻同步電動機調速系統(tǒng)的逆變器采用交-交循環(huán)變流結構，由晶閘管組成，提供頻率可變的三相正弦電流給同步電動機。采用矢量控制后，這種系統(tǒng)

14、具有優(yōu)良的動態(tài)性能，廣泛用于軋鋼機主傳動調速中。交-交變頻同步電動機調速系統(tǒng)容量可以做到很大，達到10000kva以上。但是調頻范圍最高達到20hz（工頻為50hz），這是這種調速系統(tǒng)的不足之處。 自控式同步電動機調速系統(tǒng)與直流電機調速系統(tǒng)相比，其結構簡單、堅固、耐用，且維護工作量小。近些年來，矢量控制技術的成熟，使高性能自控式同步電機調速系統(tǒng)有很強的競爭力。對某些不要求調速的大型機械負載（功率在一萬乃至幾千萬千瓦），如鋼廠煉鐵高爐用鼓風機，采用功率因數可調的同步電動機拖動較為合適。大容量同步電動機的另一個用途是作為抽水蓄能機組。在抽水蓄能電站中，機組（包括水力機械與同步電機）的運行工況時可逆

15、的。當電力系統(tǒng)高峰負荷時，要求水輪機拖動電動機作發(fā)電機運行，于是水庫里的水流入下水庫貯存。待低谷負荷時，機組中的電機作電動機拖動水泵運行，再把下水庫里的水抽到上水庫，如此循環(huán)工作。大容量不調速同步電動機，存在啟動困難的問題。如在啟動過程中變成自控式同步電動機方式，則可以實現(xiàn)軟啟動，且啟動電流小，啟動平穩(wěn)。由于僅在啟動過程中作自控式同步電動機運行，變頻裝置的容量相對電機來說要小的多。對鼓風機負載，變頻裝置容量只有電機額定容量的1/4；對抽水蓄能機組，僅為1/10左右。鋼鐵工業(yè)中的初軋機要求其傳動系統(tǒng)具有大容量、低轉速、頻率快速的正反轉、過載能力大等特點，并有較強的抗干擾能力。交交電壓型自控式同步

16、電動機傳動系統(tǒng)能較好地滿足這種要求，這種系統(tǒng)還能用于鋼廠的熱連機上。同步電動機雖然結構上比異步電動機復雜，但采用變頻調速后在交流傳動領域內和異步電動機有著重要的作用。二、 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）電動機包括交流電動機、直流電動機和步進電動機等多種類型，這是充分發(fā)揮各種電動機的固有性能而設計成不同類型。同時，為了滿足各種機器設備對電動機的要求，現(xiàn)在正在開展穩(wěn)健的技術開發(fā)。電動機技術研究的基礎，仍然是制造能夠將電能高效率轉化成為機械能的小型、經濟、特性優(yōu)良的能量變換機械。在結構方面，電動機是由定子和轉子組成，原則上是轉子安裝在電動機的中心位置，對稱的配置定子。采取這種的形式是基本的原

17、則。這是因為各種電動機都源于共同的理論基礎。有了上述的觀念，下面開始論述電動機技術開發(fā)的現(xiàn)狀。（1）高效率技術 如果將電動機的損耗分類，可以分為銅筍、鐵損、機械損耗及漂移負荷損耗。下面論述減少這些損耗的主要技術手段。銅損。銅損是由電流通過導體時，產生的焦耳熱所引起的損失。為了減少銅損，通常采用兩種方法，即減少通過繞組的電流和減少繞組的電阻。電動機電流包括勵磁電流和電樞電流，改變電動機的結構，把磁極換成永久磁鐵，就沒有勵磁電流。把勵磁的永久磁鐵換成高性能磁鐵，可以減少電樞電流。電動機繞組包括勵磁繞組和電樞繞組。盡量減小勵磁繞組和電動機子繞組的電阻，就可以減小銅損。為此，改善繞組的制造工藝，提高繞

18、組的占積率，分割核心集中繞組，減少端節(jié)線等措施，是繞組高密度化，達到電阻值目的。鐵損。鐵損是渦流損耗和磁滯損耗，為了降低這些損耗，提高電磁硅鋼片的含硅量，以改善材質。硅鋼片的使用厚度標準由0.5t降至0.35t一下的薄硅鋼片。將這些低損耗的電磁硅鋼片疊合起來，采用計算機輔助設計（cae）使磁路最優(yōu)，改善電動機制造技術以減小加工誤差。機械損耗。機械損耗以摩擦損耗和風阻損耗為主。為了降低這些損耗，應研究低耗電量、耐用、低磨損的軸承制造技術。有關的軸承有滑動軸承、滾動軸承、動壓流體軸承、磁懸浮軸承和靜壓流體軸承等。從這些軸承中，選擇最合適的軸承使用。（2）節(jié)能技術在工業(yè)和工廠自動化（fa）領域，風機

19、、泵、輸送機械、機床等機械的電動機，在家電領域的空調、冰箱、洗衣機家用電器電動機，一般都是直接或通過減速機，以某個速度連續(xù)運行，或者由on/off開關控制電動機斷續(xù)運行。若采用變頻器控制這些電動機，就可以根據負荷的狀態(tài)使這些機械工作在最高效率點，電動機運行在最優(yōu)的工作點，形成高效率的運行組合。在帶有減速機的驅動方式中，如果取消減速機而使用變頻器控制電動機直接驅動，可以改善傳動效率和降低噪聲。（3）高可靠、低價格化技術 把高質量的產品盡快地以低成本制造出來是生產產品的出發(fā)點。進來對于成本和質量的一些觀念正在發(fā)生變化。低價格化是原材料、零件加工、組裝、質檢工序等各項成本決定的。最近，伴隨著全球化的

20、國際成本競爭，要求產品具有高質量、優(yōu)良的安全性、方便的維修和解體性及零件壽命評價體系。此外，對于可再生材料和環(huán)境問題的應對措施，提出了要求，即在價格方面考慮可重復利用的成本。為了應對這些要求，縮短新產品的開發(fā)、設計周期，能夠生產出高品質、低成本的產品，需要把過去生產中的技術信息、專門技術、專家經驗等，引入到開發(fā)設計過程中。這就是利用計算機工程設計（cae）、計算機輔助設計（cad）和計算機輔助制造（cam）等計算機輔助設計方法。利用數據庫和計算機仿真，可以不經過試驗階段，直接進行性能評價，并且可以在計算機屏幕上觀察評價產品的工作狀況。由于利用計算機很容易更改設計，從開發(fā)、設計到制造及可靠性評價

21、的一系列工作，都可以在短時間內高效率地完成。用低成本制造高質量的產品的過程技術也正在開發(fā)進程中。縱觀交流調速的發(fā)展過程和現(xiàn)狀，可以看出現(xiàn)代交流調速技術今后的發(fā)展趨勢和動向。（1） 以取代直流調速系統(tǒng)為目標的高性能交流調速系統(tǒng)的進一步研究與開發(fā)。 十年來的實踐表明，矢量控制理論及其他現(xiàn)代控制理論的應用尚待隨著交流調速的發(fā)展而不斷完善，從而進一步提高交流調速系統(tǒng)的控制性能。各種控制結構所依據的都是被控對象的數學模型，因此，為了建立交流調速系統(tǒng)的合理適用的控制機構，仍需對交流電動機數學模型的性質、特點及內在規(guī)律作深入研究和探討。特別是交流調速系統(tǒng)的綜合與校正理論及工程設計方法是今后交流調速系統(tǒng)的重要

22、研究課題。近幾年來，不依賴電機模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經網絡等智能化控制方法開始引入到交流調速系統(tǒng)中，成為交流調速控制理論、控制技術新的研究發(fā)展方向。取消通過機械連接的測速發(fā)電機及其他測速傳感器，實現(xiàn)無硬件測速傳感器的交流調速系統(tǒng)一有應用，但是轉速推算精度和控制的實時性有待于進一步深入研究與開發(fā)。（2） 新型拓撲結構功率變換器的研究與開發(fā)。目前，電力電子逆變器正朝著高頻化、大功率方向發(fā)展，這使裝置內部電壓，電流發(fā)生劇變，不但使器件承受很大的電壓、電流應力，而且在輸入、輸出引線及周圍空間里產生高頻電磁噪聲，引發(fā)電氣設備誤動作，這種公害成為電磁干擾。抑制電磁干擾的有效方法也是采用軟開關技術。具

23、有軟開關功能的諧振變流器在國內外都在積極進行研究與開發(fā)。今后幾年內串并聯(lián)諧振式變頻器將有商品化的產品推出。 針對交-交變頻器輸出頻率低的缺點，與20世紀80年代人們開始研究矩陣式變流器。矩陣式變化器是一種可供選擇的交-交變化器結構，其輸出頻率可提高到45hz以上。近期以來，已有研究成果發(fā)表，可望在不久的將來能達到實用化階段。（3） pwm模式的改進和進化。 近年來，隨著中壓變頻器的興起，對于電壓空間矢量控制pwm模式進行了改進和優(yōu)化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點電壓偏移問題，研究了電壓矢量合成pwm模式（不產生中點電壓偏移時的電壓長矢量、短矢量、零矢量的組合），已取得了具有實用價值的研究

24、成果；用于級聯(lián)式多電平中壓變頻器的脈沖移相pwm技術已有應用。（4） 中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的研究與技術開發(fā)。中壓是指電壓等級為230010000v，中、大功率是指公率等級在300kw以上。中壓、大容量的交流調速系統(tǒng)研究與開發(fā)實踐已有20多年了，逐步走上了實際應用階段尤其高壓全控型功率器件產生以來，中壓變頻器的應用趨勢迅速加快了。其中，目前應用較多的是采用igbt、igct三電平中壓變頻器及級聯(lián)式多電平中壓變頻器。當今多電平中壓變頻器已成為交流調速研究的新領域，是熱點課題之一。中壓變頻器今后發(fā)展方向和研究課題為： 裝置安全技術方面有，功率器件串聯(lián)技術，隔離技術，絕緣技術，保護技術

25、，遙控技術及通信技術，電磁兼容技術，諧波抑制技術等。 控制技術方面有，將矢量控制技術、直接轉矩控制技術引入中壓變頻器，以及研究開發(fā)使用與中壓變頻器的pwm技術。中壓變頻技術的發(fā)展受到了電力電子器件耐壓等級不高的限制。當前，美國cree公司、德國西門子公司、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耐壓等級可達10kv以上。預計今后10年內，碳化硅器件會有突破性的發(fā)展，新一代的中壓變頻器將隨之誕生。三、 本課題研究內容本課題主要是研究設計20kw同步電動機。首先根據給定的功率，功率因數，相數，頻率及額定相電壓確定同步電動機的主要規(guī)格，即：容量，額定相

26、電壓，額定相電流，同步轉速。其次，進行電樞繞組的選擇：1.根據線負荷的范圍,確定繞組的每相串聯(lián)導體數,即:.2.根據公式確定每槽導體數,即：.3.根據槽滿率，確定電樞繞組的線規(guī)，即，。再次，確定電機鐵心的長度。1.先確定硅鋼片磁密，使硅鋼片充分的利用。2.根據第二步確定的繞組可以確定每極磁通。3.根據每極磁通及氣隙磁密,可確定鐵心的長度.最后,根據前兩步確定的數據,進行電機參數的計算.本課題的主要計算過程如下：1.主要規(guī)格的確定2.主要尺寸的確定3.電樞鐵心及電樞繞組的確定4.磁路計算5.穩(wěn)態(tài)電抗計算6.短路比計算7.勵磁繞組計算8.短路電流，過載能力及暫態(tài)電抗計算9.額定負載時的損耗及效率計

27、算10主要材料重的計算11控制回路的設計12.定子、轉子、三相繞組圖的繪制四、 本課題研究方案本課題的研究方案主要有三個，方案一是根據計算程序，首先選擇電樞繞組的規(guī)格和每槽導體數,然后算出定子鐵心長度,最后計算出符合國家有關標準和技術要求的電機參數；方案二：在方案一的基礎上，通過增加每槽導體數，減小電機的鐵心長度，從而達到在滿足技術要求的基礎上，節(jié)省材料，主要是節(jié)省硅鋼片的用量的目的。方案三：在方案一的基礎上,通過減小每槽導體數,在保持磁密不變的情況下,相應的增加電機鐵心的長度,從而達到減小銅耗,最終達到提高效率的目的。 方案三與方案一主要是通過增加材料耗用來提高效率為目的，方案二與方案一主要

28、是通過犧牲效率來達到節(jié)省材料的目的。采用的方法主要是手算和計算機程序算相結合的方法。五、 研究目標、主要特色及工作進度1.研究目標：根據用戶提出的產品規(guī)格，技術要求，設計出滿足用戶要求的性能好，體積小，結構簡單，運行可靠的電動機。盡量減少材料的使用，主要是鐵和銅的耗用量，使之更加經濟。主要研究通過增加材料的耗用來達到提高效率和以犧牲效率來達到節(jié)省材料的目的。2.主要特色：進行電動機的電磁設計時，既釆用手算的方法，又釆用計算機編程的方法進行計算。本課題研究了三個方案，方案一為折中方案，在滿足技術要求的基礎上設計的方案。方案二，為材料最省方案，在滿足技術要求的基礎上使電機的所用材料最省。方案三，為

29、效率最高方案，在滿足技術要求的基礎上使電機的效率達到最高。方案齊全便于用戶選用，且對三個方案進行了詳細的研究，并做出了分析比較。 本課題的另一重要特色，是指在定子沖片和轉子沖片尺寸給定的情況下，設計出用戶所要求功率的電動機，這有利于產品的標準化生產。同時還可以避免由于不同功率的電機使用不同的定子沖片和轉子沖片尺寸所造成重新設計模具的浪費，可以提高所生產電機的經濟性。3. 工作進度：起訖日期工作內容備注第一周第三周論文的開題報告第四周第五周畢業(yè)實習第六周第九周用autocad制圖第十周第十二周復算電機的各種參數及設計控制方案第十二周第十三周上機設計三個優(yōu)化方案第十四周第十五周寫畢業(yè)論文第十五周第

30、十六周論文答辯六、參考文獻1電機設計 陳世坤編 機械工業(yè)出版社 2電機學 李發(fā)海等合編 科學出版社 3. 電機學 辜承林 陳橋夫 熊永前 華中科技大學出版社4交流電機及系統(tǒng)的分析 高景德 李發(fā)海 清華大學出版社5.電機與電力拖動 邱阿瑞 電子工業(yè)出版社6.交流調速控制系統(tǒng) 李德華 電子工業(yè)出版社學士學位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日

31、期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不保密。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：20kw-4極電勵磁同步電動機電磁方案及控制系統(tǒng)設計 摘要本論文介紹了同步電動機的結構及其運行原理，重點分析同步電動機電磁結構及其對電機性能的影響，提出數個電磁設計方案，并對比來分析電磁方案

32、的優(yōu)缺點：效率提高，電機體積會相應的增大，材料成本會增加；縮小電機體積，成本降低，效率也降低。通過對比分析，選擇合適的電機設計參數，從而實現(xiàn)同步電動機優(yōu)化設計。在設計的基礎上，分析同步電動機啟動和調速性能。 隨著電力電子技術和計算機控制技術的不斷發(fā)展，變頻調速在同步電動機的調速系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，分析矢量控制算法，提出轉矩控制和弱磁控制方法，根據要求設計出同步電機變頻調速系統(tǒng)。關鍵字：同步電動機；電磁方案設計；變頻調速；矢量控制 design of electromagnetic and control system for 10kw-6p electric excitation synchron

33、ous motor abstract this paper introduces the structure of an synchronous motor and the operating principles，and analyze electromagnetic structure of the synchronous motor and the impact on motor performance . a number of electromagnetic designs are developed and compared to analyze the advantages an

34、d disadvantages of electromagnetic ：with higher efficiency the volume of the motor is correspondingly increased, and costs will increase ; the volume and material costs are reduced with reduceing efficiency . and the appropriate motor design parameters are choosed by comparative analysis to develop

35、optimal design of synchronous motor in the design, synchronous motor starting and speed performances are analyzed . with the power electronics and computer control technology developing, frequency control is applied to electric synchronous motor speed control system .the paper analyzes vector contro

36、l algorithm and proposes torque control and field weakening control method, and designs frequency control system of a synchronous motor on requestkeyword: synchronous motor; electromagnetic design; vector control; frequency control目錄摘要abstract緒論第一章 同步電機概論 1.1同步電機的額定值1.2同步電機的用途1.3同步電機的三種運行方式第二章 同步電動機

37、的運行分析 2.1同步電動機的基本方程式、相量圖及功角特性2.2同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行2.3同步電動機無功功率的調節(jié)第三章 同步電機變頻調速分析 3.1同步電機與直流電機調速的比較3.2同步電機和異步電機調速的比較 3.3 同步電動機矢量控制 3.4坐標變換 3.5同步電動機轉矩控制 3.6同步電動機勵磁控制 3.7交流變頻調速同步電機 3.7.1同步電機極數與頻率的選擇 3.7.2同步電機電壓的選擇第四章 自控式同步電動機及其控制系統(tǒng) 4.1自控式同步電動機的分類及應用范圍 4.1.1自控式同步電動機的分類 4.1.2自控式同步電動機的應用領域 4.2自控式同步電動機的工作原理和運行性能 4.

38、2.1工作原理 4.2.2運行性能第五章 同步電動機的電磁方案設計 5.1 同步電動機設計思路 5.2 同步電動機設計 5.3 數據對比 5.4 同步電機設計方案對比分析 5.5 同步電動機設計工作總結 5.6 同步電動機cad附圖第六章 調速控制系統(tǒng)硬件組成 6.1 調速系統(tǒng)主電路 6.2 控制電路 6.3 調速系統(tǒng)舉例第七章 auto cad 2006繪圖 7.1定子沖片圖 7.2轉子沖片圖 7.3單相繞組圖第八章總結 參考文獻（references）致 謝外文資料原文及譯文 前言隨著電力電子技術和計算機控制技術的不斷發(fā)展，變頻調速在同步電動機的調速系統(tǒng)中的實現(xiàn)，使同步電動機的應用場合大為

39、擴大。同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉速只跟電網的頻率有關與負載無關，同時具備類似直流電動機優(yōu)良的調節(jié)特性，及其功率因數能高達1，較一般感應電機而言，效率較高。同步電動機從勵磁角度，可分為電勵磁和永磁同步電動機。同步電動機正朝著永磁方向發(fā)展，而且永磁同步電動機因其優(yōu)良的工作特性和高效率等優(yōu)點正被廣泛地開發(fā)和應用。同步電動機用于多軸控制系統(tǒng)。研究電勵磁同步電動機結構和原理就顯得很有必要。第一章 同步電機1.1同步電機的主要結構同步電機是由定子及轉子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉子產生磁場。同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。同步電機的定子有時也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等

40、部件所組成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。同步電機的轉子有兩種結構型式，即凸極式和隱極式。這是根據定轉子之間的氣隙的分布情況來定義的。如下圖：1）凸極式：有上圖可見，轉子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉子作成圓柱形，氣隙均勻分布。 區(qū)別：對于高速旋轉 的同步電機，在轉子結構上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉的電機，由于轉子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構。1.2同步電機的額定值同步電機的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞

41、組上的線電壓。電壓的單位用v或kv表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率 。對于電動機而言：輸出的是機械功率。，單位是kw。4） 相數m ：一般m=3。5）額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定為50hz.6）額定轉速：額定轉速即為電機的同步速，在一定極數及頻率時，它的轉速是定值。1.3同步電機的三種運行方式同步電機的三種運行方式如右圖：1）轉子軸線超前定子軸線，產生的電磁轉矩為制動性質顯然是發(fā)電機。2）轉子軸線和定子軸線相重合，此時的功角為零，電磁轉矩為0，所以這是一種從發(fā)電機向電動機過度的臨界狀態(tài)。3）轉子軸線滯后與定子軸線一個功角，此時產生的電

42、磁轉矩為驅動性質，所以我們可以斷定電機為電動機。第二章 三相同步電動機2.1同步電動機的基本方程式、相量圖及功角特性同步電動機的電勢平衡方程式及相量圖，可以通過同步發(fā)電機的電勢平衡方程式及相量圖轉化求得。一、基本方程式：1、電動勢：同理可得出凸極式：2、相量圖：相對與發(fā)電機，即可作出相應的電動機的相量圖。3功角特性：在同步發(fā)電機中，我們令電流流出的方向為正方向，而在電動機中，理論上，我們仍然可以這樣，但為了大家好理解，我們設電流流入的方向為正方向。這樣，我們可以仿照同步發(fā)電機列出同步電動機的功角特性表達示： 即：這樣，我們就可以畫出凸極同步電動機的功角特性曲線。為了結構上的簡單，在某些小容量同

43、步電動機的轉子上不安放直流勵磁繞組，因此轉子就不能產生磁場，感應電勢此時電動機的電磁功率并不為零，仍有有了電磁功率就有電磁轉矩，因此轉子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉。2.2同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行當三相同步電動機定子對稱繞組接到三相對稱電源上的時候，就會產生三相合成基波旋轉磁通勢氣，簡稱電樞磁通勢，其空間向量用表示。假設電樞磁通勢的轉向為逆時針方向，其轉速為同步速。電樞磁通勢的大小為式中為每相繞組的串聯(lián)匝數；是每相繞組的基波繞組系數；是每相電流的有效值；是電機的極對數。 在同步電動機穩(wěn)定運行時，它的轉子也是逆時針方向以同步速旋轉著，而且轉子上的勵磁繞組還流過直流勵磁電流。由勵磁電流產生的基波磁

44、通勢，稱為勵磁磁通勢，其空間向量用表示。由于勵磁電流是直流電流，勵磁磁通勢相對于轉子式靜止的，但轉子本身以同步轉速逆時針方向旋轉著，所以勵磁磁通勢相對于定子也是逆時針方向以同步速旋轉。勵磁磁通勢的大小為式中為一對磁極的匝數；為勵磁繞組的分布系數，對于凸極同步電動機，=1；是勵磁電流。 這樣，作用在同步電動機的主磁路上就有兩個磁通勢，即勵磁磁通勢和電樞磁通勢，它們都以同步轉速逆時針方向旋轉，但兩者在空間位置上不一定重合在一起，可以是一前一后地旋轉。同步電動機的電動勢相量圖2.3同步電動機無功功率的調節(jié)同步電動機的功率因數是超前還是滯后，和發(fā)電機一樣決定于勵磁狀態(tài)。 先看一下同步電動機的v型曲線，

45、注意到：1）過勵時，電動機從電網中吸入超前的無功電流，2）欠勵時，從電網中吸入滯后的無功功率電流，顯然，電動機的功率因數是可以通過改變勵磁電流來進行調節(jié)的。我們知道，感應電動機必須從電網吸收激磁電流來建立磁場，所以現(xiàn)代電網的功率因數經常是滯后性的。而同步電動機在過勵時，能夠從電網吸入超前電流。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應電動機接在同一電網上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數提高。同步電動機能夠改善電網的功率因數，這是它最可貴的優(yōu)點。第三章 同步電機變頻調速3.1同步電機與直流電機調速的比較交流電機與直流電機相比具有一下特點：（1） 單機容量不受限制 眾所周知，直流電機由于換向器的換向能力限

46、制了電機的容量和速度，直流電機的極限容量和速度之積約為，而交流電機單機容量可突破這一限制。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方式，變頻調速同步電機的單機容量已可以做到56mw（2） 體積小、重量輕、占地面積小由于交流電機結構簡單、體積小、重量輕、占地面積比直流電機大大減小。而直流電機不僅單機體積大，而且為了減小轉動慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯(lián)方式，占地面積很大。交流電機有可能與機械合為一體，形成機械一體化產品，大大簡化機械結構，減少體積和重量，提高可靠性，從而打破了主流電機安裝在主電室中，遠離機械的格局。（3） 轉動慣量小 交流電機的轉動慣量遠小

47、于直流電機的，大大提高了產品的質量和產量。（4） 動態(tài)響應好 由于交流電動機轉動慣量大大減小，并且交流變頻同步電機沒有換向火花對過載能力的限制，電機可以具有更大的動態(tài)加速電流。因此，交流電機較直流電機有更好的動態(tài)響應特性。下表列出了當前交流調速與直流調速的技術性能比較。 直流調速 交流調速電機電壓 1200v 15006000v功率因數 0.7 0.61.0交換器效率 0.98 0.960.97調速范圍 0.1%100% 0100%調速精度 0.01% 0.01%速度響應 1530rad/s 40100rad/s（5）維護簡單化 由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減小。（6）節(jié)約能源 交流

48、同步電機的效率比直流電機提高2%3%。3.2同步電機和異步電機調速的比較交流調速可以采用同步電機也可以采用異步電機。同步電機與異步電機各有其特點，近20年來，世界各國電氣公司和學術界對此爭論不休，但進入20世紀90年代，對于大容量交流電機調速，世界各國已基本趨向于同步電機。下表列出了同步電機與異步電機有關數據的比較。 同步電機和異步電機的比較 異步電機im 同步電機sm額定功率/kw 6000 6000轉速n/(r/min) 60/120 60/120電機功率因數 0.89 1.0效率 0.939 0.955相對轉動慣量 134% 100%相對定子重量 116% 100%相對轉子重量 109% 100%磁通變化時間常數/ms 3.05 0.355相對變頻器容量 354% 258%相對激磁功率 0 10%電網輸入功率因數 0.67 0.85（1） 可靠性與維