20kw4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统设计电机电器本科毕业论文.doc

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1、20kw-4极电励磁同步电动机电磁方案及控制系统设计 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；

2、变频调速；矢量控制 Design 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 performanc

3、e . a number 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 efficienc

4、y . and the 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

5、is applied to 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

6、control; frequency control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

7、自控式同步电动机及其控制系统 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 7.2转子冲片图 7.3单相

8、绕组图第八章总结 参考文献（References）致 谢外文资料原文及译文 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。第一章 同步电机1.1同步电机的主要

9、结构同步电机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

10、电机，由于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：1）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。4） 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。1.3同步电机的三种运行方式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，

11、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。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：同理可得出凸极式：2、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

12、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： 即：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，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，感应电势此时电动机的电磁功率并不为零，仍有有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。2.2同步电动机的稳态运行当三相同步电动机定子对称绕组接到三相对称电源上的时候，就会产生三相合成基波旋转磁通势气，简称电枢磁通势，其空间向量用表示。假设电枢磁通势的转向为逆时针方向，其转速为同步速。电枢磁通势的大小为式中为每相绕组的串联匝数

13、；是每相绕组的基波绕组系数；是每相电流的有效值；是电机的极对数。 在同步电动机稳定运行时，它的转子也是逆时针方向以同步速旋转着，而且转子上的励磁绕组还流过直流励磁电流。由励磁电流产生的基波磁通势，称为励磁磁通势，其空间向量用表示。由于励磁电流是直流电流，励磁磁通势相对于转子式静止的，但转子本身以同步转速逆时针方向旋转着，所以励磁磁通势相对于定子也是逆时针方向以同步速旋转。励磁磁通势的大小为式中为一对磁极的匝数；为励磁绕组的分布系数，对于凸极同步电动机，=1；是励磁电流。 这样，作用在同步电动机的主磁路上就有两个磁通势，即励磁磁通势和电枢磁通势，它们都以同步转速逆时针方向旋转，但两者在空间位置上

14、不一定重合在一起，可以是一前一后地旋转。同步电动机的电动势相量图2.3同步电动机无功功率的调节同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。 先看一下同步电动机的V型曲线，注意到：1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流，2）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流，显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁电流来建立磁场，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的

15、功率因数，这是它最可贵的优点。第三章 同步电机变频调速3.1同步电机与直流电机调速的比较交流电机与直流电机相比具有一下特点：（1） 单机容量不受限制 众所周知，直流电机由于换向器的换向能力限制了电机的容量和速度，直流电机的极限容量和速度之积约为，而交流电机单机容量可突破这一限制。实际上交流电机可以充分利用电力电子器件的能力来提高供电电压，采用先进的电机冷却方式，变频调速同步电机的单机容量已可以做到56MW（2） 体积小、重量轻、占地面积小由于交流电机结构简单、体积小、重量轻、占地面积比直流电机大大减小。而直流电机不仅单机体积大，而且为了减小转动惯量，常常采用双电枢或三电枢串联方式，占地面积很大

16、。交流电机有可能与机械合为一体，形成机械一体化产品，大大简化机械结构，减少体积和重量，提高可靠性，从而打破了主流电机安装在主电室中，远离机械的格局。（3） 转动惯量小 交流电机的转动惯量远小于直流电机的，大大提高了产品的质量和产量。（4） 动态响应好 由于交流电动机转动惯量大大减小，并且交流变频同步电机没有换向火花对过载能力的限制，电机可以具有更大的动态加速电流。因此，交流电机较直流电机有更好的动态响应特性。下表列出了当前交流调速与直流调速的技术性能比较。 直流调速 交流调速电机电压 1200V 15006000V功率因数 0.7 0.61.0交换器效率 0.98 0.960.97调速范围 0

17、.1%100% 0100%调速精度 0.01% 0.01%速度响应 1530rad/s 40100rad/s（5）维护简单化 由于交流电机无须换向器，所以维护量大大减小。（6）节约能源 交流同步电机的效率比直流电机提高2%3%。3.2同步电机和异步电机调速的比较交流调速可以采用同步电机也可以采用异步电机。同步电机与异步电机各有其特点，近20年来，世界各国电气公司和学术界对此争论不休，但进入20世纪90年代，对于大容量交流电机调速，世界各国已基本趋向于同步电机。下表列出了同步电机与异步电机有关数据的比较。 同步电机和异步电机的比较 异步电机IM 同步电机SM额定功率/kW 6000 6000转速

18、n/(r/min) 60/120 60/120电机功率因数 0.89 1.0效率 0.939 0.955相对转动惯量 134% 100%相对定子重量 116% 100%相对转子重量 109% 100%磁通变化时间常数/ms 3.05 0.355相对变频器容量 354% 258%相对激磁功率 0 10%电网输入功率因数 0.67 0.85（1） 可靠性与维护量 异步电机的转子结构非常简单，它没有滑环和激磁绕组，因此，对于笼形异步电机的维护只限于轴承。而同步电机则在其滑环上有少量的维护量，但与直流电机换向器相比，他的维护量要少得多。现代同步电机电刷的寿命在1.5万个小时左右。尤其是近年来轧机主传动

19、普遍采用隐极式同步电动机，其转子坚固性与笼形电机相近。因此，同步电机的维护量和异步电机的基本相同。（2） 功率因数同步电机由于独立的转子激磁调节控制，可使其定子功率因数保持为1，即=1。而异步电机则完全不同，电机的激磁功率必须通过定子侧获得，因此，定子电流始终是滞后的，其功率因数一般在0.8左右。为了改善电机的功率因数，可以降低电机的磁通密度，但受到了电机的材料设计限制；另一种提高功率因数的方法是降低漏抗，但这样有增加了电流的谐波，因而又会进一步恶化功率因数。显然，异步电机功率因数低是一个很难克服的缺陷。（3） 变频器容量 由于异步电机的激磁能量是从定子册供给的，同时异步电机的功率因数低于同步

20、电机，视在功率高于同步电机，故异步电机测速器容量比同步电机大30%左右。（4） 电机尺寸和转动惯量 由于异步电机的定子电流由磁化电流和有功电流两部分组成，因此，异步电机的定子必须具有较大的视在功率。为了提高其功率因数，异步电机尽可能将电机气隙减少，但减小气隙要求电机制造工艺具有更高的加工精度，而细长结构的挠度也限制了气隙的减少，使大功率变频调速异步电机的设计和制作更加困难。所以，异步电机常常设计成较大的定子和转子铁心直径，电机结构短粗。由于同步电机激磁从转子提供，其气隙可以较大，制造相对容易，同步电机可以设计成细长结构，且长度和直径之比可以优化设计。同步电机的体积要比异步电机小得多。（5） 控

21、制精度在异步电机的磁场定向控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温度变化。为了消除这一影响，必须进行转子参数辨识控制，该课题一直是国内外学者科研攻关的难题。而同步电机激磁电流时单独控制的，电机磁通不随温度变化，故转矩控制精度高。（6） 弱磁化根据异步电机原理，异步电机弱磁恒功率运行时，其最大转矩随电机频率的增加呈二次方减小，。其中，为额定频率时的最大转矩，为额定频率，为最高频率。对于弱磁比超过2.5的卷取机、冷连轧机等传动，异步电机必须采取增加容量或提高电压的方法来提高弱磁时的最大转矩。显然，在这种场合，同步电机要优越于异步电机。3.3 同步电动机矢量控制为了获得高动态性能，同步电

22、动机变压变频调速系统可以采用矢量控制，其原理与异步电动机矢量控制原理相同。矢量控制的基本思路是：通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。矢量控制可分为：磁场定向控制与电压定向控制的同步电机矢量控制。磁场定向控制就是将同步电动机通过坐标转换，把同步电动机等效成直流电动机，然后保持主磁通不变，而调节转矩电流分量。电压定向控制就是保持电压不变，而改变励磁电流。3.4坐标变换矢量变换控制是基于坐标变换，其原则有三条：1. 在不同坐标下产生的磁动势相同（即模型等效原则）2. 变换前后功率不变3. 电流变换矩阵与电压变换矩阵统一按照坐标变换原理，将ABC坐标变换到d

23、、q同步旋转坐标系，并用p表示微分算子，则三个钉子电压方程变换成（1）中的两个方程： （1） 三个转子电压方程不变，因为它们已经是在d、q轴上了，可以改写成 （2）由（1）中可以看出，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系以后，dq轴电压方程等号右侧由电阻压降、脉变电动势和旋转电动势三项构成，其物理意义与异步电动机中的相同，而在式（2）的转子d、q方程中没有旋转电动势项，因为转子转速就是同步转速，转差角速度S=0.在两相同步旋转d、q坐标系上的磁链方程为 （3）式中 等效两相定子绕组d轴自感，； 等效两相定子绕组q轴自感，； 等效两相定子绕组漏感； d轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机的

24、d轴电枢反应电感； q轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴电枢反应电感； 励磁绕组自感，； d轴阻尼绕组自感； q轴阻尼绕组自感；由于有凸极效应，在d轴和q轴上的电感是不一样的。将（3）式代入（1）和（2）式当中，整理之后可以得到同步电动机的电压矩阵方程式： = （4）同步电动机在d、q轴上的转矩和运动方程为 （5）把式（3）中的和表达式代入式（5）的转矩方程并整理后得 （6）观察式(5）各项，不难看出每一项转矩的物理意义。第一项、 、 是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。第二项、是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转

25、矩。称为磁阻转矩，这是凸极电机特有的同步电动机转矩控制的转矩在隐极电动机中，该项为0。第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项为零，只有在动态中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。根据以上同步电动机数学模型可以求出更准确的矢量控制算法。3.5同步电动机转矩控制采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制同步电动机产生的转矩。转矩控制功能框图转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同，上图是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转

26、差频率，并与变频器获得的反馈速度或是直接推算的电动机速度相加，在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器并不起直接作用，也无法控制速度。转矩控制时，变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化，但输出频率的变化受设定的加速和减速时间影响，如需要加快跟踪的速度，需要将加速和减速时间设得短一些。转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向（即正转和反转）无关。当模拟量信号为010v时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是逆时针转）;当模拟量信号为10v0时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是顺

27、时针转）。由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。3.6同步电动机励磁控制在同步电动机变频调速系统中，同步电动机输入电压达到最大限度时，电机转速不再升高，即使改变电压也也会使电磁转矩小于负载转矩，导致电机失步。减小同步电动机励磁电流，从而减弱励磁磁通，电磁转矩将增大，从而提高电机转速。在励磁控制时，电压的大小保持不变。在坐标变换之后，弱磁控制等效于减小励磁磁通，感应电动势减小，电流急剧增加，由于，转速迅速上升至，从、也可以说明这点。3.7交流变频调速同步电机3.7.1同步电

28、机极数与频率的选择根据交流电机原理，交流同步电机转速n与频率f和电机极对数关系式为，其中，为电机极对数，电机极数为2。对于电网频率供电f=50Hz的恒速电机，电机的转速只与极数有关。但对于变频调速同步电机，f是可以变化的，那么电机极数的选择是具有更大的灵活性。由电机原理可知，同步电机的电磁功率为电机电磁转矩与旋转角频率之积，其中。我们用电机气隙中的电磁力F、电机气隙的半径来表示电磁转矩，那么电机的电磁功率为其中，D为电机定子内径。 同步电机气隙磁通表示为其中，为气隙磁通；B为平均气隙磁通密度；L为定子铁芯长度。同步电机定子旋转磁势MMF，由分布在各定子槽中的定子电流产生。同步电机的电流密度可以

29、表示为安培匝数其中，C为每槽绕组导体数；为相数；N为每相串联匝数；I为相电流的有效值。那么同步电机的电磁功率可以进一步推导为从式中可以看出，同步电机的功率由速度n、定子铁芯长度L、定子铁芯直径D、磁通密度J来决定。当电机的磁通密度B和电流密度J一定时，对于一定的转速，同步电机电磁功率正比于电机定子铁芯体积系数由于同步电机的输出功率是电磁转矩与角速度的乘积，可以推出，无论电机转速和功率如何，电磁转矩正比于电机的铁芯体积系数对于变频调速同步电机，在相同的磁密和电密条件下，电机重量和体积的大小取决于电机的输出转矩。但是对于相同的，电机可以有不同的设计选择，电机可以制成直径小而铁芯长的细长结构，也可以

30、做成直径大而铁芯短的短粗结构。在电机设计理论中引入了电机主要尺寸比系数其中，为同步电机的极距。根据电机的几何尺寸关系，可以推出对于变频调速同步电机，电机的转速不仅与极数有关，还取决与变化的频率。在一定转速条件下，电机极数减少必须相应增加电机磁通。当磁通密度不变时，电机磁通的增加必须加大磁轭的面积，这意味着要增加电机的铁磁材料。由此可见，在转速不变情况下，减小电机的极数，即减少电机的频率，实际上增加了电机的重量，也增加了电机的成本。因此，从减少电机重量和成本的角度出发，选择技术多的电机使其运行在较高频率下是有利的。对于变频调速同步电机的转速、极数、频率和选择，要综合考虑电机的尺寸、重量、成本、效

31、率、转动惯量、机械强度等诸多因素。在相同额定转速情况下，从电机重量和成本角度出发选择极数多、频率高的同步电机为好，而对电机调速的动态性能要求高、重点考虑转动惯量时，则选择极数少频率低的方案有利。3.7.2同步电机电压常规同步电机是由50HZ电网电压供电所以同步电机的定子电压等级取决于电网供电电压。我国交流同步电机根据电网供电电压等级，分为400V低电压、6kV及10kV高电压三个电压等级。交流变频调速同步电机是由电力电子变换器供电，电机定子电压并不是依赖于电网供电电压，而取决于电力电子变化器的电力电子元器件电压水平和变频器的拓扑结构。对于交流同步电机调速系统的大功率变频器，主要是采用晶闸管元件

32、的交交变频器、采用晶闸管负载换流的交直交电流型变频器以及采用可关断器件IGBT、IGCT、GTO、IEGT等的脉宽调制PWM电压型变频器。电压型变频器又分两电平和三电平等不同的电路拓扑结构，在相同电子元件电压等级条件下三电平变频器输出电压为两电平变频器的两倍。采用晶闸管元件的交交变频器广泛用于大功率低转速传动的大型轧钢机、提升机的同步电机驱动；而采用晶闸管变流器负载换流的同步电机则多用于大型同步电机的软启动。第四章 自控式同步电动机及其控制系统4.1自控式同步电动机的分类及应用范围自控式同步电动机调速一般用于拖动轧钢机、造纸机以及数控机床用伺服电机等要求高精度，高静、动态性能的场合；也可以用于

33、拖动风机、泵类负载等只需求调速节能但对特性要求不高的一些场合。有些大容量同步电动机，为了能平稳的起动，在起动过程中，改接成自控式同步电动机运行，待起动完毕，再把同步电动机直接并联在电网上运行。因此，针对不同的使用场合，需要采取不同的控制方法。自控式同步电机调速系统的装置如下图：4.1.1自控式同步电动机的分类自控式同步电动机是由同步电动机、变频器及磁极位置检测器组成的电机系统。如果再配上控制装置，就构成了自控式同步电动机调速系统。根据所用变频器的结构的不同，自控式同步电动机有以下四种基本类型。（1）交直交电流型自控式同步电动机（2）交直交电压型自控式同步电动机（3）交交电流型自控式同步电动机（

34、4）交交电压型自控式同步电动机4.1.2自控式同步电动机的应用领域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。近年来，矢量控制技术的成熟，使高性能自控式同步电动机调速系统具有很强的竞争力。大容量不调速同步电动机存在起动困难的弊端。如在启动过程中变成自控式同步电动机方式，则可实现软启动，而且起动电流小，起动平稳。由于仅在起动过程中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得多。4.2交直交电流型自控式同步电动机的工作原理和运行性能4.2.1工作原理上图为逆变桥系三相全控桥式电路。工作时，桥上的晶闸管必须成对导通，并且分别属于共阴极组和共阳极组

35、中的一个元件，以保证电流的通路。桥臂上的每个晶闸管导通时间为120电角度，每隔60电角度换相一次。元件导通的次序按+A、-B，+A、-C,+B、-C,+B、-A,+C、-A,+C、-B进行，并完成一个循环。在这种所谓六拍触发供电方式下，同步电机电枢绕阻里流过电流的波形，在理想情况下（不考虑换流重叠，且平波电感为无穷大）为周期性方波电流。方波电流产生的电枢磁动势如下图所示： （a） （b）4.2.2运行性能1）电动势向量图 交直交电流型自控式同步电动机的电枢绕组空载电动势近于正弦波，其A相电动势为式中，是电动势的幅值；是角频率；t是时间；是初相角。电动势的波形如下图所示：2）电磁转矩式中，P是极

36、对数；是机械角度；，分别是d，q轴的电感系数。上式还可写成式中 从上式可以看出，平均电磁转矩T由两部分组成：一为励磁电磁转矩，二为凸极电磁转矩。如果是隐极式同步电动机，则不存在凸极电磁转矩。 励磁电磁转矩的大小，除了与负载电流及气隙主磁通乘积成正比外，还与换流超前角、换流重叠角有关，比直流电机的电磁转矩表达式要复杂些。3）整流电压与电动机转速n的关系从上式看出，这种电机的调速特性与直流电动机的基本相同，即改变整流桥输出电压及电动机的励磁大小就可以进行调速。对自控式同步电动机，如果采用随负载变化而自动控制角的大小，那么从式中可以看出，它会影响电动机的转速。例如，随着负载的增加而加大时，将会导致电

37、动机转速上升，有时候甚至会出现电机运行不稳定的问题。4）功率因数直流自控式同步电动机调速系统有两个功率因数：一个是电动机本身的，一个是整个系统的。电动机本身的功率因数可以近似地用下式计算：如果从电流电源看整个变频装置的功率因数时，由于采用的是三相可控桥式整流电路，其功率因数，式中，是整流桥的控制角。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根据交流电机原理，交流同步电机转速n与频率f和电机极对数关系式为，其中，为电机极对数，电机极数为2。对于电网频率供电f=50Hz的恒速电机，电机的转速只与极数有关。但对于变频调速同步电机，f是可以变化的，那么电机极数的选择是具有更大的灵活性。由

38、电机原理可知，同步电机的电磁功率为电机电磁转矩与旋转角频率之积，其中。我们用电机气隙中的电磁力F、电机气隙的半径来表示电磁转矩，那么电机的电磁功率为其中，D为电机定子内径。 同步电机气隙磁通表示为其中，为气隙磁通；B为平均气隙磁通密度；L为定子铁芯长度。同步电机定子旋转磁势MMF，由分布在各定子槽中的定子电流产生。同步电机的电流密度可以表示为安培匝数其中，C为每槽绕组导体数；为相数；N为每相串联匝数；I为相电流的有效值。那么同步电机的电磁功率可以进一步推导为从式中可以看出，同步电机的功率由速度n、定子铁芯长度L、定子铁芯直径D、磁通密度J来决定。当电机的磁通密度B和电流密度J一定时，对于一定的

39、转速，同步电机电磁功率正比于电机定子铁芯体积系数由于同步电机的输出功率是电磁转矩与角速度的乘积，可以推出，无论电机转速和功率如何，电磁转矩正比于电机的铁芯体积系数对于变频调速同步电机，在相同的磁密和电密条件下，电机重量和体积的大小取决于电机的输出转矩。但是对于相同的，电机可以有不同的设计选择，电机可以制成直径小而铁芯长的细长结构，也可以做成直径大而铁芯短的短粗结构。在电机设计理论中引入了电机主要尺寸比系数其中，为同步电机的极距。根据电机的几何尺寸关系，可以推出对于变频调速同步电机，电机的转速不仅与极数有关，还取决与变化的频率。在一定转速条件下，电机极数减少必须相应增加电机磁通。当磁通密度不变时

40、，电机磁通的增加必须加大磁轭的面积，这意味着要增加电机的铁磁材料。由此可见，在转速不变情况下，减小电机的极数，即减少电机的频率，实际上增加了电机的重量，也增加了电机的成本。因此，从减少电机重量和成本的角度出发，选择技术多的电机使其运行在较高频率下是有利的。对于变频调速同步电机的转速、极数、频率和选择，要综合考虑电机的尺寸、重量、成本、效率、转动惯量、机械强度等诸多因素。在相同额定转速情况下，从电机重量和成本角度出发选择极数多、频率高的同步电机为好，而对电机调速的动态性能要求高、重点考虑转动惯量时，则选择极数少频率低的方案有利。5.2 同步电动机设计方案一，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。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。 三个设计方案方案一方案二方案三一、额定数据和技术要求1 额定功率2020202相数3333额定线电压4004004004额定相电压230.94230.94230.945额定频率5050506极数4447额定效率