1、密级： xxxx UNIVERSIT学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（ 年）题 目 20kw-4 极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统设计学 院： 信息工程学院 系 电气工程及其自动化系 专业班级： 电机电器 级 班 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 教授 起讫日期： 本科生毕业设计任务书（工科及部分理科专业适用）题目：20kw-4 极电励磁同步电动机电磁方案及控制系统设计 题目来源：省部级以上 市厅级 横向 自选题目性质：理论研究 应用与理论研究 实际应用研究学 院： 信息工程学院 系： 电气工程及其自动化 专业班级： 电机电器 061 班 学生姓名： xx
2、x 学号 xxx 起讫日期： 指导教师： xxx 职称： 教授 指导教师所在单位： 电气与自动化工程系 学院审核（签名）： 审核日期： 二 0 一 0 年制说 明1. 毕业设计任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到学生。2. 进度表由学生填写，至少每两周交指导教师签署审查意见，并作为毕业设计工作检查的主要依据。进度表中的周次是指实际的毕业设计进程中的周次。3. 学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，于 3 周内提交给指导教师批阅。4. 本任务书在毕业设计完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业设计答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。1、毕业设计的主要
3、内容和基本要求（一） 主要内容1.分析同步电动机结构，运行原理2 阐述同步电动机的设计思路3 进行 20KW-4 极同步电动机设计，给出三套电磁设计方案4 三套电磁方案的比较分析5 设计电机的定子冲片、转子冲片、定转子绕组，并给出设计图纸1、技术要求：额定功率 : 20KW 额定电压 : 400VNPNU相 数：三相 Y 接法 额定功率因数：0.95额定转速 ：1500r/min 额定频率 ：50Hzn f 效率 ：88.5% 定子槽满率：80 85% 2、原始数据： 定子外径 ：30 定子内径：20.93定子槽数 ：36 气隙长度：0.0853、参考数据定子绕组电密：7 9.5A/mm 2
4、气隙磁密：0.73 0.88T（4 极） 0.7 0.75T（6 极）4、设计要求：根据原始数据和参考数据设计一台符合技术要求的同步电动机，并给出三个 方案，分析 电机的材料利用率与效率的关系，掌握设计节能电机和节约材料电机的方法，并设计交流变频调速控制系统，实现电动机的高性能运行。2、毕业设计图纸内容及张数1、定子冲片图 1 张2、转子冲片图 1 张3、绕组联接图 1 张三、毕业设计应完成的软硬件的名称、内容及主要技术指标（ 例 如 ： 软 件 、 电 路 板 、 机 电 装 置 、 新 材 料 、 新 制 剂 、 结 构 模 型 或 其 他 ）软 件 ： CAD、 MATLAB四、毕业设计
5、进度计划序号 各阶段工作内容 起讫日期 实施地点1 毕业实习 第一周第三周2 论文的开题报告 第四周第五周3 复算电机的各种参数 第六周第九周4 上机设计三个优化方案 第十周第十二周5 用 Autocad 制图 第十二周第十三周6 写毕业论文 第十四周第十五周7 论文答辩 第十五周第十六周5、主要参考资料1 电机设计 陈世坤编 机械工业出版社 2 电机学 李发海等合编 科学出版社 3. 电机学 戴文进 徐龙权 清华大学出版社4 交流电机及系统的分析 高景德 李发海 清华大学出版社5.电机与电力拖动 邱阿瑞 电子工业出版社6.交流调速控制系统 李德华 电子工业出版社六、毕业设计进度表（本表至少每
6、两周由学生填写一次，交指导教师签署审查意见）第一、二周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日第三、四周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日第五、六周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日第七、八周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日第九、十周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日第十一周至毕业设计工作结束（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：签名： 年 月 日七、其他（学生提交）1开题报告 1 份 2外文资
7、料译文 1 份（2000 字以上，并附资料原文） 3论文 1 份（8000 字以上） 指 导 教 师： 学科组负责人： 学生开始执行任 务 书 日 期 ： 学 生 姓 名 ： 送交毕业设计日 期 ： 本科生毕业设计（论文）开题报告题 目：20kw-4 极电励磁同步电动机电磁方案及控制系统设计学 院： 信息工程学院 系 自动化系 专 业： 电气工程及其自动化（电机电器方向）班 级： 电机电器 061 班 学 号： xxx 姓 名： xxx 指导教师： xxx 填表日期： 2010 年 3 月 22 日一、 选题的依据及意义在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技
8、及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的 60%70%，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。交流电动机的诞生和发展已有一百多年的历史，至今已研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品种的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步异步电动机两大类。电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即是同步电动机；反之，若不保持这种关系，即是异步电动机。根据统计，交流电动机用电量占电机中用电量的 85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重
9、要地位。众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流的恒定，可用改变电枢电业的方法实现转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来的变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来了一系列限制，即：机械式换向器表面的线速度及换向电流、电压有一极限容许值，这就限制了单机的转速和功率。如要超过极限容许值，则大大加大电机制造的成本和难度，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产
10、中，对一些要求特高转速、特大功率的场合则根本无法采用直流调速方案。为了使机械换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导致电机转动惯量很大。对于快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实现。机械换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。这就表明了直流调速系统维检工作量大，维修费用高，同时停机检修的更换电刷也直接影响了正常生产。在一些易燃易爆的场合，一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能或不宜使用直流电动机。由于直流电动机在应用中存在着这样的一些限制，使得直流调速系统的应用也相应受到了局限。交流电机有两种：异步电机和同步电机。同步电机主要作发电机用，电力系统中的电能几乎全是通过同步发电机产
11、生的；但同步电机也作电动机适用，如应用于某些大型生产机械的拖动系统中，其功率达数百或数千千瓦。同步电动机有其独特的优点：稳定运行时转速恒定（同步速） ，只与电源频率有关，不随负载和电压的变化而变化；运行稳定性好，具有较强的过载能力；功率因数较高，因为同步电动机可以通过调节其励磁电流提高功率因数，可在功率因数为 1 的状态下运行；还能改善电网的功率因数，即在领先的功率因数下运行；运行效率高，低速运行时尤为明显；对于大容量电动机，同步电动机体积反而比异步电动机小；随着电力电子技术与控制技术的进步和发展，同步电动机也能实现变频调速，在大容量电力拖动场合，同步电动机的控制性能优于异步电动机。随着电力电
12、子技术的发展，同步电动机历来只能恒速运行的状况已被改变，同步电动机和一部电动机一样都能调速，过去阻碍同步电动机广泛应用的起动、振荡和失步等问题已经得到解决。同步电动机变频调速的应用领域十分广泛，其功率覆盖面大，从数瓦德微型同步电动机到数千瓦的大型同步电动机。超大型抽水蓄能电动发电机的变频起动也属于同步电动机变频调速之列。同步电动机变频调速的基本原理和方法以及所用的变频装置都和异步电动机变频调速大体相同。但是，同步电动机变频调速也有其独自的一些优点。同步电动机转速 与电源的基波频率 之间保持着严格的同步关系1n1f数中 p 为电动机的极对数。160pf从式中看出，只要精确地控制变频电源的基波频率
13、就能准确地控制电动机的转速。同步电动机可以通过调节转子励磁来调节电机的功率因数，这对于改善电网的功率因数有利。若电动机运行在 =1 的状态下，电机的电枢电流最小，变cos频器容量可减小。同步电动机对负载转矩扰动具有较强承受能力，这是因为只要同步电动机的公角作适当变化就能改变电磁转矩，而转速始终维持在原同步速不变。同时，转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的快速响应。因此，同步电动机比较适合于要求对负载转矩变化作出快速反应的交流调速系中。同步电动机在低频时也能运行，因为它能从转子进行励磁以建立必要的磁场，故它的调速范围比较宽。在同步电动机调速系统中，从电动机的输入频率看，有两种：一为频率他控式
14、，二为频率自控式。所谓频率他控式是指，给同步电动机供电的变频器的输出频率是由转速给定信号决定的。这种调速系统一般多采用开环控制，因此，像接在工频电网上运行的同步电动机一样，存在着转子振荡及失步等问题。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永磁同步电动机、磁阻同步电动机。频率自控式则不然，变频器的输出频率不是随意由外部给定的，而是由电动机本身转速决定的。这样一来，就不存在转子失步问题，即永远同步运行。实际上，只要在电动机转轴上安装了磁极位置检测器，使其输出信号与电机电枢绕组感应电动势的频率同步，就可实现频率自控。自控式同步电机又可分为两种类型。（1）负载换相自控式同步电动机
15、调速系统主电路长采用交-直-交电流型变频器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。国际上简称这种系统为 LCI（Load Commutated Inverter） 。目前这种调速系统容量已达到数万千伏安，电压等级达到万伏以上。值得注意的是这种超大容量的系统所用同步电动机滑环式励磁系统已改用无刷励磁机系统。（2）交-交变频供电的同步电动机调速系统交-交变频同步电动机调速系统的逆变器采用交-交循环变流结构，由晶闸管组成，提供频率可变的三相正弦电流给同步电动机。采用矢量控制后，这种系统具有优良的动态性能，广泛用于轧钢机主传动调速中。交-交变频同步电动机调速系统容量可以
16、做到很大，达到 10000KVA 以上。但是调频范围最高达到20HZ（工频为 50HZ） ，这是这种调速系统的不足之处。自控式同步电动机调速系统与直流电机调速系统相比，其结构简单、坚固、耐用，且维护工作量小。近些年来，矢量控制技术的成熟，使高性能自控式同步电机调速系统有很强的竞争力。对某些不要求调速的大型机械负载（功率在一万乃至几千万千瓦） ，如钢厂炼铁高炉用鼓风机，采用功率因数可调的同步电动机拖动较为合适。大容量同步电动机的另一个用途是作为抽水蓄能机组。在抽水蓄能电站中，机组（包括水力机械与同步电机）的运行工况时可逆的。当电力系统高峰负荷时，要求水轮机拖动电动机作发电机运行，于是水库里的水流
17、入下水库贮存。待低谷负荷时，机组中的电机作电动机拖动水泵运行，再把下水库里的水抽到上水库，如此循环工作。大容量不调速同步电动机，存在启动困难的问题。如在启动过程中变成自控式同步电动机方式，则可以实现软启动，且启动电流小，启动平稳。由于仅在启动过程中作自控式同步电动机运行，变频装置的容量相对电机来说要小的多。对鼓风机负载，变频装置容量只有电机额定容量的 1/4；对抽水蓄能机组，仅为 1/10 左右。钢铁工业中的初轧机要求其传动系统具有大容量、低转速、频率快速的正反转、过载能力大等特点，并有较强的抗干扰能力。交交电压型自控式同步电动机传动系统能较好地满足这种要求，这种系统还能用于钢厂的热连机上。同
18、步电动机虽然结构上比异步电动机复杂，但采用变频调速后在交流传动领域内和异步电动机有着重要的作用。二、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）电动机包括交流电动机、直流电动机和步进电动机等多种类型，这是充分发挥各种电动机的固有性能而设计成不同类型。同时，为了满足各种机器设备对电动机的要求，现在正在开展稳健的技术开发。电动机技术研究的基础，仍然是制造能够将电能高效率转化成为机械能的小型、经济、特性优良的能量变换机械。在结构方面，电动机是由定子和转子组成，原则上是转子安装在电动机的中心位置，对称的配置定子。采取这种的形式是基本的原则。这是因为各种电动机都源于共同的理论基础。有了上述的观念，下面开始论
19、述电动机技术开发的现状。（1）高效率技术如果将电动机的损耗分类，可以分为铜笋、铁损、机械损耗及漂移负荷损耗。下面论述减少这些损耗的主要技术手段。铜损。铜损是由电流通过导体时，产生的焦耳热所引起的损失。为了减少铜损，通常采用两种方法，即减少通过绕组的电流和减少绕组的电阻。电动机电流包括励磁电流和电枢电流，改变电动机的结构，把磁极换成永久磁铁，就没有励磁电流。把励磁的永久磁铁换成高性能磁铁，可以减少电枢电流。电动机绕组包括励磁绕组和电枢绕组。尽量减小励磁绕组和电动机子绕组的电阻，就可以减小铜损。为此，改善绕组的制造工艺，提高绕组的占积率，分割核心集中绕组，减少端节线等措施，是绕组高密度化，达到电阻
20、值目的。铁损。铁损是涡流损耗和磁滞损耗，为了降低这些损耗，提高电磁硅钢片的含硅量，以改善材质。硅钢片的使用厚度标准由 0.5t 降至 0.35t 一下的薄硅钢片。将这些低损耗的电磁硅钢片叠合起来，采用计算机辅助设计（CAE）使磁路最优，改善电动机制造技术以减小加工误差。机械损耗。机械损耗以摩擦损耗和风阻损耗为主。为了降低这些损耗，应研究低耗电量、耐用、低磨损的轴承制造技术。有关的轴承有滑动轴承、滚动轴承、动压流体轴承、磁悬浮轴承和静压流体轴承等。从这些轴承中，选择最合适的轴承使用。（2）节能技术在工业和工厂自动化（FA）领域，风机、泵、输送机械、机床等机械的电动机，在家电领域的空调、冰箱、洗衣
21、机家用电器电动机，一般都是直接或通过减速机，以某个速度连续运行，或者由 on/off 开关控制电动机断续运行。若采用变频器控制这些电动机，就可以根据负荷的状态使这些机械工作在最高效率点，电动机运行在最优的工作点，形成高效率的运行组合。在带有减速机的驱动方式中，如果取消减速机而使用变频器控制电动机直接驱动，可以改善传动效率和降低噪声。（3）高可靠、低价格化技术把高质量的产品尽快地以低成本制造出来是生产产品的出发点。进来对于成本和质量的一些观念正在发生变化。低价格化是原材料、零件加工、组装、质检工序等各项成本决定的。最近，伴随着全球化的国际成本竞争，要求产品具有高质量、优良的安全性、方便的维修和解
22、体性及零件寿命评价体系。此外，对于可再生材料和环境问题的应对措施，提出了要求，即在价格方面考虑可重复利用的成本。为了应对这些要求，缩短新产品的开发、设计周期，能够生产出高品质、低成本的产品，需要把过去生产中的技术信息、专门技术、专家经验等，引入到开发设计过程中。这就是利用计算机工程设计（CAE） 、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）等计算机辅助设计方法。利用数据库和计算机仿真，可以不经过试验阶段，直接进行性能评价，并且可以在计算机屏幕上观察评价产品的工作状况。由于利用计算机很容易更改设计，从开发、设计到制造及可靠性评价的一系列工作，都可以在短时间内高效率地完成。用低成本制造高质
23、量的产品的过程技术也正在开发进程中。纵观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展趋势和动向。（1） 以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开发。十年来的实践表明，矢量控制理论及其他现代控制理论的应用尚待随着交流调速的发展而不断完善，从而进一步提高交流调速系统的控制性能。各种控制结构所依据的都是被控对象的数学模型，因此，为了建立交流调速系统的合理适用的控制机构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点及内在规律作深入研究和探讨。特别是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法是今后交流调速系统的重要研究课题。近几年来，不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网
24、络等智能化控制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器，实现无硬件测速传感器的交流调速系统一有应用，但是转速推算精度和控制的实时性有待于进一步深入研究与开发。（2） 新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，这使装置内部电压，电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输入、输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害成为电磁干扰。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在国内外都在积极进行研究与开发。今后几
25、年内串并联谐振式变频器将有商品化的产品推出。针对交-交变频器输出频率低的缺点，与 20 世纪 80 年代人们开始研究矩阵式变流器。矩阵式变化器是一种可供选择的交-交变化器结构，其输出频率可提高到 45Hz 以上。近期以来，已有研究成果发表，可望在不久的将来能达到实用化阶段。（3） PWM 模式的改进和进化。近年来，随着中压变频器的兴起，对于电压空间矢量控制 PWM 模式进行了改进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电压矢量合成 PWM 模式（不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量的组合） ，已取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中压变频器的脉冲移相
26、 PWM 技术已有应用。（4） 中压变频装置（我国称为高压变频装置）的研究与技术开发。中压是指电压等级为 230010000V，中、大功率是指公率等级在 300KW 以上。中压、大容量的交流调速系统研究与开发实践已有 20 多年了，逐步走上了实际应用阶段尤其高压全控型功率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。其中，目前应用较多的是采用 IGBT、IGCT 三电平中压变频器及级联式多电平中压变频器。当今多电平中压变频器已成为交流调速研究的新领域，是热点课题之一。中压变频器今后发展方向和研究课题为：装置安全技术方面有，功率器件串联技术，隔离技术，绝缘技术，保护技术，遥控技术及通信技术，电磁
27、兼容技术，谐波抑制技术等。控制技术方面有，将矢量控制技术、直接转矩控制技术引入中压变频器，以及研究开发使用与中压变频器的 PWM 技术。中压变频技术的发展受到了电力电子器件耐压等级不高的限制。当前，美国 Cree 公司、德国西门子公司、日本东芝公司，还有欧洲 ABB 公司等投入巨资研制一种碳化硅（SIC）电力电子器件，其中 PN 耐压等级可达 10KV 以上。预计今后 10 年内，碳化硅器件会有突破性的发展，新一代的中压变频器将随之诞生。三、 本课题研究内容本课题主要是研究设计 20kw 同步电动机。首先根据给定的功率，功率因数，相数，频率及额定相电压确定同步电动机的主要规格，即：容量，额定相
28、电压，额定相电流，同步转速。其次，进行电枢绕组的选择：1.根据线负荷的范围,确定绕组的每相串联导体数,即: .2.根据公式确定每槽导体数 ,即：NmIDAZndS.3.根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即， 。再次，确NaZmSnd ndA2定电机铁心的长度。1.先确定硅钢片磁密，使硅钢片充分的利用。2.根据第二步确定的绕组可以确定每极磁通 。3.根据每极磁通及气隙磁密,可确定铁心p的长度.最后,根据前两步确定的数据,进行电机参数的计算.本课题的主要计算过程如下：1.主要规格的确定2.主要尺寸的确定3.电枢铁心及电枢绕组的确定4.磁路计算5.稳态电抗计算6.短路比计算7.励磁绕组计算8.短路电流
29、，过载能力及暂态电抗计算9.额定负载时的损耗及效率计算10主要材料重的计算11控制回路的设计12.定子、转子、三相绕组图的绘制四、 本课题研究方案本课题的研究方案主要有三个，方案一是根据计算程序，首先选择电枢绕组的规格和每槽导体数,然后算出定子铁心长度,最后计算出符合国家有关标准和技术要求的电机参数；方案二：在方案一的基础上，通过增加每槽导体数，减小电机的铁心长度，从而达到在满足技术要求的基础上，节省材料，主要是节省硅钢片的用量的目的。方案三：在方案一的基础上,通过减小每槽导体数,在保持磁密不变的情况下,相应的增加电机铁心的长度,从而达到减小铜耗,最终达到提高效率的目的。 方案三与方案一主要是
30、通过增加材料耗用来提高效率为目的，方案二与方案一主要是通过牺牲效率来达到节省材料的目的。采用的方法主要是手算和计算机程序算相结合的方法。五、 研究目标、主要特色及工作进度1.研究目标：根据用户提出的产品规格，技术要求，设计出满足用户要求的性能好，体积小，结构简单，运行可靠的电动机。尽量减少材料的使用，主要是铁和铜的耗用量，使之更加经济。主要研究通过增加材料的耗用来达到提高效率和以牺牲效率来达到节省材料的目的。2.主要特色：进行电动机的电磁设计时，既釆用手算的方法，又釆用计算机编程的方法进行计算。本课题研究了三个方案，方案一为折中方案，在满足技术要求的基础上设计的方案。方案二，为材料最省方案，在
31、满足技术要求的基础上使电机的所用材料最省。方案三，为效率最高方案，在满足技术要求的基础上使电机的效率达到最高。方案齐全便于用户选用，且对三个方案进行了详细的研究，并做出了分析比较。本课题的另一重要特色，是指在定子冲片和转子冲片尺寸给定的情况下，设计出用户所要求功率的电动机，这有利于产品的标准化生产。同时还可以避免由于不同功率的电机使用不同的定子冲片和转子冲片尺寸所造成重新设计模具的浪费，可以提高所生产电机的经济性。3. 工作进度：起讫日期 工作内容 备注第一周第三周 论文的开题报告第四周第五周 毕业实习第六周第九周 用 Autocad 制图第十周第十二周 复算电机的各种参数及设计 控制方案第十
32、二周第十三周 上机设计三个优化方案第十四周第十五周 写毕业论文第十五周第十六周 论文答辩六、参考文献1 电机设计 陈世坤编 机械工业出版社 2 电机学 李发海等合编 科学出版社 3. 电机学 辜承林 陈桥夫 熊永前 华中科技大学出版社4 交流电机及系统的分析 高景德 李发海 清华大学出版社5.电机与电力拖动 邱阿瑞 电子工业出版社6.交流调速控制系统 李德华 电子工业出版社南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的
33、个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：2220kw-4 极电励磁同步电动机电磁方案及控制系统设计专 业： 电机电器 学 号：xxx学生姓
34、名： xxx 指导教师：xxx摘要本论文介绍了同步电动机的结构及其运行原理，重点分析同步电动机电磁结构及其对电机性能的影响，提出数个电磁设计方案，并对比来分析电磁方案的优缺点：效率提高，电机体积会相应的增大，材料成本会增加；缩小电机体积，成本降低，效率也降低。通过对比分析，选择合适的电机设计参数，从而实现同步电动机优化设计。在设计的基础上，分析同步电动机启动和调速性能。随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中得以实现，分析矢量控制算法，提出转矩控制和弱磁控制方法，根据要求设计出同步电机变频调速系统。关键字：同步电动机；电磁方案设计；变频调速；矢量控制23De
35、sign of electromagnetic and control system for 10kw-6p electric excitation synchronous 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
36、 of electromagnetic designs are developed and compared to analyze the advantages and 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
37、appropriate motor design parameters are choosed by comparative analysis to develop 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 t
38、o electric synchronous motor speed control system .the paper analyzes vector control 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; freq
39、uency control24目录摘要Abstract绪论第一章 同步电机概论1.1 同步电机的额定值1.2 同步电机的用途1.3 同步电机的三种运行方式第二章 同步电动机的运行分析2.1 同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性2.2 同步电动机的稳态运行2.3 同步电动机无功功率的调节第三章 同步电机变频调速分析3.1 同步电机与直流电机调速的比较3.2 同步电机和异步电机调速的比较3.3 同步电动机矢量控制3.4 坐标变换3.5 同步电动机转矩控制3.6 同步电动机励磁控制3.7 交流变频调速同步电机3.7.1 同步电机极数与频率的选择3.7.2 同步电机电压的选择第四章 自控式同步电动
40、机及其控制系统4.1 自控式同步电动机的分类及应用范围4.1.1 自控式同步电动机的分类4.1.2 自控式同步电动机的应用领域4.2 自控式同步电动机的工作原理和运行性能4.2.1 工作原理4.2.2 运行性能第五章 同步电动机的电磁方案设计5.1 同步电动机设计思路5.2 同步电动机设计5.3 数据对比5.4 同步电机设计方案对比分析5.5 同步电动机设计工作总结5.6 同步电动机 cad 附图第六章 调速控制系统硬件组成6.1 调速系统主电路6.2 控制电路6.3 调速系统举例第七章 AUTO CAD 2006 绘图7.1 定子冲片图257.2 转子冲片图7.3 单相绕组图第八章 总结参考
41、文献（References）致 谢外文资料原文及译文26前言随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实现，使同步电动机的应用场合大为扩大。同步电动机的稳态转速只跟电网的频率有关与负载无关，同时具备类似直流电动机优良的调节特性，及其功率因数能高达 1，较一般感应电机而言，效率较高。同步电动机从励磁角度，可分为电励磁和永磁同步电动机。同步电动机正朝着永磁方向发展，而且永磁同步电动机因其优良的工作特性和高效率等优点正被广泛地开发和应用。同步电动机用于多轴控制系统。研究电励磁同步电动机结构和原理就显得很有必要。27第一章 同步电机1.1 同步电机的主要结构同步电机
42、是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子产生磁场。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于 1m 时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成 扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。如下图：1）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于
43、转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。1.2 同步电机的额定值同步电机的额定值有：281）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用 V 或 kV 表示。2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。对于电动机而言：输出的是机械功率。 ，单位是 KW。33cos10NNNUPI4） 相数 m ：一般 m=3。5）额定频率:我国额定工业频率规定为 50Hz.6）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。 60Npfn1.3 同步电机的三种运行方式
44、同步电机的三种运行方式如右图：1）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质显然是发电机。2）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转矩为 0，所以这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。3）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们可以断定电机为电动机。29第二章 三相同步电动机2.1 同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。一、基本方程式：1、电动势： 0asUjEIX同理可得出凸极式： 0dqjjI2、相量图：相对与发电机，即可作出相应的电动机的相量图。3功角特性：在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正方向，而在电动机中，理论上，我们仍然可以这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电机列出同步电动机的功角特性表达示：201sin()sin2MdqdUEPmXX20i()idqd即：201sin()sinMdqdUEPmXX这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简单，30在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势 0E此时电动机的电磁功率并不为零，仍有 21()sin2MqdUPmX有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的
