24kw-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计南昌大学电机电器本科毕业论文原稿word版

24kw-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计南昌大学电机电器本科毕业论文原稿word版内容摘要：

的。 （ 2）转子 转子的组成部分有转子铁芯与轴、转子绕组、阻尼绕组、护环和中心环组成。 转子铁心与轴是用导磁性能好、机械强度高的合金刚锻造而成。 绕线转子要利用滑环和电刷， 基本技术要求 ㈠、同步发电机铭牌额定数据 同步电机的额定值有 : a) 额定容量 ； b) 额定功率 ； c) 额定电压 ； d) 额定频率 ； e) 额定电流 ； f) 额定功率因数 ； g) 额定效率 ； h) 额定转速 ； i) 额定励磁电流和额定励磁电压。 ㈡、主要技术指标 同步发电机主要技术指标有 : a) 效率 η： 电 动机输出机械功率与输入电功率之比 ,通常用百分数表示 ； b) 功率因数 COSφ： 电动机输入有效功率与视在功率之比 ； c) 堵转电流 Ik： 电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的稳态电流有效值 ； 第一章 同步电机概 述 4 d) 堵转转矩 Tk： 动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生的最小测得值 ； e) 最大转矩 maxT ：电动机在额定电压、额定频率和运行温度下 ,转速不发生突降时所产生的最大转矩。 同步电动机的励磁方式 同步电动机有他的励磁电源，这个励磁电源装置叫做同步电动机的励磁系统同步电动机有不同的 励磁方式，电机不同，可能用到的励磁系统也是不同的，但是，对于励磁系统必须是要有一定的规范，以下是一些基本要求： 1）当电动机从空载运行到满载或者是过载的过程中，同步电动机的励磁系统必须动能提供可靠的稳定的励磁电流，而且尽量使能够简单，有实用性。 2）有的一些一步启动的电动机，他要求能重载启动，或者是自启动。 启动的过程中能自动实现下面的一些功能，当转速小于 倍的同步转速的时候，励磁绕组能够附加短路电阻，当转速等于 倍的同步转速的时候，将附加电阻能够立即的清除掉。 3）我们通常尽量改善电网的功率因数 ，于是大中型的同步电动机应该是按照功率因数不变或者是输出功率不变来进行励磁电流的调节的。 4）还有很重要的的，当电网的电压不稳的时候，励磁系统应该能实行强制的励磁 5）当电动机停止运行或者是非正常的停运时，励磁系统应该能快速的灭磁。 目前主要的励磁系统有两类，直流发电机励磁系统和静止的整流器励磁系统。 直流发电机励磁系统改变直流励磁机的励磁电流就能控制同步电动机的励磁电压，进而就能控制励磁电流了。 励磁调节其的用途是对励磁电流能进行调节，然后是它能运行在给定的数值之上。 改变励磁的给定值的大小，就能改变励磁电流 的大小，但因为直流励磁机的维护很不方便。 费用较高，因此用的比较少。 目前用的比较广泛的是静止整流器励磁系统，它的主电路一般而言，是采用三相桥控式整流电路。 然后给同步电动机的励磁绕组提供电源。 当电动机正常运行的的时候，就采用恒定电流励磁的控制方式。 这样励磁电流就可以不受到电网电压波动的影响。 恒定电流励磁可以调节的范围很广，这样就能够对电动机的功率因素进行很好的控制。 静止整流器励磁系统具有良好的可靠性能。 响应的速度也很快。 因此，使用十分广。 同步电动机的工作原理 同步电动机的工作原理与异步电机不大一样， 他的工作原理主要是根据气隙第一章 同步电机概 述 5 磁场和转子磁场中的磁拉力而形成的，当三相电源接通到定子三相绕组后，定子三相绕组就会产生三相电流，从而在定子上形成旋转磁势的旋转磁场。 转子笼型启动绕组被旋转磁场切割，产生了启动转矩和启动电流，电机转速慢慢升高的过程中，当转速上升到 倍的同步转速的时候，投入励磁，产生主磁场，在气隙磁场和主磁场之间产生的同步转速距的作用下，电动机被带入同步。 牵入同步后，电动机就开始正常的运行了。 实际上，只有当赚的转速时等于同步速的时候，同步电动机才能输出平稳的同步转矩。 我们可以把这样的 S 极和 N 极之 间的磁拉力看成是转子主磁场和气隙磁场之间存在着一种弹簧关系的联系。 当电动机空载运行的时候，弹簧也就像是处于没有别拉伸的状态，这个时候，主磁场和气隙磁场的轴线就是重合的，电磁转矩的大小就是零，当电动机带上负载以后，弹簧就好像是被拉伸了，这时主磁场和气息磁场就被拉开了一个角度，从而产生了一定的同步电磁转矩。 如果负载越大，气息磁场和主磁场之间的轴线角度就被拉开的越大，同步电动机的电磁转矩也就越来越大，就像弹簧一样，被拉得越长，弹性越大。 主磁场和气息磁场之间的轴线夹角称之为功率角。 当然，弹簧被拉升的长度是有限的，同 步电动机的电磁转矩也必须有一定的限度，如果超出了这个限度，同步机就会失去同步而不能正常的工作了。 同步电动机的转子主磁场和气隙磁场之间的磁拉力，会产生一个电磁转矩，这个电磁转矩就称之为同步转矩。 当同步电动机稳定运行的时候，他的转速与所加的负载大小就无关了。 电动机就始终保持在同步转速之下，当负载越大的时候，电磁转矩也就越大，功率角也就越大，同步点电动机得到的输入功率也就越大。 当电动机的负载不变时，级在恒定的负载转矩运行下，从电网输入的电流中，有功分量基本上是保持不变的，而无功分量的大小就会随着电动机的功率因数 的和励磁电流的改变而改变。 当功率因素为 1 的时候，无功电流分量就等于 0，电枢电流就达到最小值，这个时候的励磁就称之为正常励磁。 当功率因数小于 1 的时候，无功电流的分量就会大于 0，电枢电流就会大于正常励磁时候的电流，如果这个时候励磁电流大于正常工作时候的电流，就称之为过励情况。 如果这时的励磁电流小于正常时候工作电流就称之为欠励。 由此看来，调节同步电动机的励磁电流就可以改变同步电动机的功率因素角，可以看到，过励的时候，功率因数是超前的，而欠励的时候，功率因数是滞后的。 第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 6 第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 同步电动机的变频调速 1）整流电路的基本形式 整流的作用是将交流输入转换成直流输出，由于电网的额定频率一般为50HZ，它对电力电子器件的工作频率要求不高，且不需要关断，为此，几乎所有的逆变器都是使用二极管或晶闸管作为整流器件。 从电路的结构上，变频器与交流伺服驱动器中的整流电路可以分为单相桥式整流与三相桥式整流；两种。 单相供电的逆变器的功率较小，为了简化结构，提高靠性，大多数的场合都很使用二极管整流。 从控制形式上，整流可以分为不可控整流（二极管整流 ） 与可控整流（晶闸管整流）两种。 可控整流的最大优点是 输出可以调节，并可以使用回馈制动节能。 但控制的电路比不可控整流复杂，生产成本高，一般用于大功率的变频器，或是向多组逆变电路同时供电的公用的额整流电路（称为电源模块）。 2） 电路的基本形式 逆变电路是将直流转换频率可调的交流的电路，根据控制方式的不同，逆变控制主要有电流控制型，电压控制型，与 PWM 控制型，电流控制型与电压控制型的逆变的共同特点是：负载电流或电压的调节在整流电路或直流电路母线上的中间电路上实现，频率的控制只是在逆变环节上进行，但是， PWM 逆变却可以在逆变电路中同时进行电压的调节和频率的控制。 电 流控制和电压控制型逆变一般用于交通运输，冶金，矿山等大型逆变器。 而中小型的电气设备控制用的变频器与交流伺服驱动器通常都采用 PWM 控制型。 为了适应大型逆变器的高压，大电流的控制要求，电流控制型和电压控制型的逆变器常常使用晶闸管， PWM 控性的逆变由于工作频率高，就必须使用 IGBT等可控关断的电力电子器件。 3） PWM 逆变的原理 晶体管脉宽调制（简称 PWM）是一种通过电力电子器件通与断将直流转换成一定形状的脉冲序列的技术，在交流调速系统中，这一脉冲序列可等效代替正弦波。 PWM 控制的关键是如何将直流电压转换成电 机控制所需的正弦波。 下面简要介绍一下 PWM 的基本原理。 根据采样控制理论，当面积相等，形状不同的窄脉冲加到一个惯性环节上，第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 7 其产生的效果基本相同，根据这一原理，如果将矩形波进行 N 等分，就可以用 N个面积相等窄脉冲进行等效了。 这样，如果脉冲的幅值保持不变，则可通过改变脉冲的宽度来调节矩形波的幅值，这就是说，方波 PWM 调制或 PWM 直流调（直流斩波）的基本原理。 同样，如果将正弦波 N 等分，并将每一个区域看成一个宽度相等的，幅值不同的窄波冲，这样的窄脉冲便可以用一列幅值相等宽度不等，同时面积与等分的矩形脉冲串来代替， 这就是正弦波 PWM 调制的基本原理。 同步电动机的控制系统 同步电机的坐标转换 同步电机的转矩与磁场是定子旋转磁场，转子磁场，定子电流，转子电流等多个变量共同作用的结果 ，直接分析就很麻烦，因此，先进性坐标变换。 由于同步电动机的转子方面是不对称的，于是就可以将坐标轴放在不对称的转子上，因此选用坐标系统 d， q， 0。 坐标系统的转换就是变量的转换，即将一组变量用另一组变量来代替。 假定原来的一组变量为 1x ， 2x ， 3x ， … ， nx ，令 nyyyy...321=11 12 121 22 212........ . .. . .. . .. ....nnn n nn      12...nxxx （ 1） 或者 Y=CX 时，可获得另一组新变量 1y ， 2y ， ...， ny。 上式中的转换矩阵C 的 元素  称为变换系数，可以取为常数（实数或复数），也可以取为时间 t 的函数。 在线性变换中，  与变量 x， y无关。 从线性代数的基本知识可知，为了实现上面的变换，并且使新的变量和旧的变量之间具有一一对应的关系，显然，在式子（ 1）中转换矩阵 C 的行列式应该满足 C =11 12 121 22 212........ . .. . .. . .. ....nnn n nn      0 (2) 满足（ 2）式的要求的变换系数有很多，以三相同步电机为例，如果以其在 a,b,c系统的变量为原始变量，则经过（ 1）的转换关系而得到的新变量和相应的新坐标系统也是很多的。 但是本课题选  ，  ， 0 坐标系统。 第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 8 在  ，  ， 0 坐标系统中，其转 换矩阵 C=      2 2 2c os 0 c os 0 120 c os 0 1203 3 32 2 2si n 0 si n 0 120 si n 0 1203 3 31 1 13 3 3     =2 1 13 3 3110331 1 13 3 3 （ 3） 以电流为例，将（ 3）式代入（ 1）式中，则得   02321313bcabca b ciiiii i ii i i i     （ 4） 其反变换为 00013221322abci i ii i i ii i i i         （ 5）  ，  分量与 d， q 分量之间的关系式为 c o s sinsin c o sdqi i ii i i   （ 6） 在  ，  ， 0 坐标系中，同步电机的磁链，电压，输出功率及电磁转矩的公式如下：               c os c os si n si n c os si n si n c os c os ( )si n c os c os si n si n si n c os c os si n ( )d q d q fdd q d q fdx p x p i x p x p i G p ux p x p i x p x p i G p u                                                （ 7） 第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 9 au p riu p ri   （ 8） 002aP u i u i u i     （ 9） eT i i    （ 10） 注意磁链方程（ 7）和电压方程（ 8）都是用海氏运算法写出的，因此，式中各项 的各因子之排列顺序不可随意改变， 也就是  dxp，  qxp，以及运算电导()Gp等并不作用于其前面的函数 cos ， sin ，而只作用于写在他们后面的时间函数。 不难看到，磁链  ，  是电流 i ， i 的复杂函数，但是忽略转子有效电阻时，上述方程可大大简化，应用起来也很方便。 在讨论 d， q， 0 坐标系统是，电流 di 及 qi 反映了电机的纵轴方向和横轴方向的定子合成气隙磁动势，并且是在与转子一起旋转地坐标系统 观察的，而现在讨论的  ，  ， 0 坐标系统中，由式子（ 3）（ 4）不难看出，其中的电流 i 和 i 则反映了在  方向的定子合成气隙磁动势（其中  轴线与 a 相轴线重合，  轴线领先  轴线 90 ），并且这一结果是在相对定子为静止的坐标系统中观察的。 此外，在 d， q， 0 坐标系统中， di 及 qi ， d 和 q ， du 和 qu 等分别代表了定子纵轴方向和横轴方向的家乡回路中的电流，磁链及电压，而在  ，  ， 0 坐标系统中，具有相似 变换式的 i 与 i ，  与  ， au 与 u 等，则为定子  轴方向和  轴方向假象回路中的电流磁链及电压，这样一来，我们又得到了同 步电动机的一种物理模型，它相当于将三相同步电机转化为等效的两相同步电动机。 同步电机的矢量控制原理 同步电机的转矩与磁场是定子旋转磁场，转子磁场，定子电流，转子电流等多个变量共同作用的结果，转子的转速与磁场的旋转磁场的转速 相 同。 在同步电机的电流与磁场的矢量图中，包括了如下的变量： 1）三相定子合成电流 1i ，它是与转子磁场同步旋转的矢量 2）转子电流 2i ，他是与转子轴同步旋转的矢量，同时 旋转速度与定子电流相 同。 3）转子磁链矢量 r ，它是由转子感应电流产生，与转子电流成一定的夹角。 将以上的矢量在同一静止的坐标系 XOY 上进行表示以后，与永磁同步电动机同样在转子磁链上建立的 dq 坐标系，可以得到同步电机的磁场与矢量如图所第二章 同步电动机变频调速及其控制系统 10 示。 图中， ζ 为定子的电流（旋转磁场）与静止的坐标系的夹角，1dtd， θ为转子轴与静止坐标系的夹角， dtd； ρ 为转子磁链和静止坐标系的夹角。 转子磁链方程 同步电机的转矩同样可以看成 是转子磁链 r 与定子电流的正交分量的作用的结果，即 M=KI1q，因此，为了分析电机的特性，必须先知道转子的磁链。 由于同步电机的转子无固定不变的磁链，它只是旋转磁场在转子中所产生的间接效果的，因此，必须先求出转子的磁链方程。 同步电机的转子为短路导条，其电压平衡方程可表示为： 22 0rRi ddt (1) 由图可知，转子感应电流相对于转子磁链矢量r的旋转角度为 d（ ρ θ ）/dt，因此，它在转子磁链 dq 坐标系上的微分可以表示为  rr rdd jd t t d t  代入（ 1）式中，。