40KW6极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统.docx

毕业设计（论文）开题报告
：40kw-6级变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计
选题的依据及意义

在现代社会中，通过使用汽油，柴油，煤油等石油的提炼产品的一次能源获得动能的模式会对环境造成严重的污染。随着环境污染的日趋严重与人类对高品质环境的要求日趋加剧的矛盾日趋激化，这种获得动能的模式最终会被完全的取代。人类对新的获得动能的模式的需求将会更加迫切。大家都知道，电能是一种无污染，高效，清洁的能源。所以电能将被开发成为现代社会最主要的能源之一是一种趋势。伴随着电能的日趋普及以及在国民生产中日趋重要的地位，电能的生产、输送和使用等将日益被人们重视并伴随着着技术的发展，而在电能的生产、输送、使用等方面，电机起着重要的作用。
电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型。
发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。
电动机将电能转换成为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。机械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、化学工业及其他各种矿企业中，广泛地应用各种电动机。例如，在交通运输中，铁道机车和城市电车是由牵引电机拖动的；在航运和航空中，使用船舶电机和航空电机；在农业生产方面，电力排灌设备、打谷机、榨油机等都是由电动机带动的；在国防、文教、医疗及日常生活中，也广泛应用各种小功率电机和微型电机。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中同样有广泛的用途。
大家应该都知道，电动机的转动是靠电能。虽然现在主要是使用异步电动机，但是同步电动机具有启动转矩大，效率高，转速稳定，电磁性能良好高等优点。所以我断言，同步电动机取代异步电动机成为国民生产中主要的动力来源是一种趋势。可见研究同步电动机具有重要的意义。主要有提高电动机的效率、减少能源的使用，减少CO2的排放量，减少电动机所用材料等等，总之，对国民经济的发展具有重要的作用。

一、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

电机的发明简历：电机的历史可追溯到1831年迈克尔*法拉第发明的盘式电机，这是一种真正的直流电机。此后，人们对电机的兴趣一直停留在实验室阶段和好奇的状态。知道19世纪70年代，托马斯*爱迪生为实现真正意义上的电功率分配，以便使电灯进入千家万户，开始了商业目的直流发电机的研究。在此项工作中，爱迪生提出将电能从集中的发电站输出，然后对用户进行分配这个全新概念。他作为领路人，倡导广泛地运用电动机，并引用电网的基本框架这一概念。
电机历史上主要的里程碑是，1888年尼古拉*特斯拉发明了三相感应电动机兵申请了专利。特斯拉的交流电的理论领先于查理斯*施泰因梅茨十来年，1900年可靠地卷铁芯式变压器问世，从而开创了长距离输电的新纪元。当时，美国为完成电气化的进程又花了30年的时间，而且直至20世纪30年代，美国的农村配电系统还没有完成。但是无论如何，在此期间美国的电气化进程进展还是相当顺利的。电机的推广应用，仅仅跟随着电网扩张的脚步。
尽管今天应用的电机学的理论课追溯到100年以前，但是其更新和提高的脚步从来没有停止过。更好的铁磁和绝缘材料的不断研制，使功率密度比早起电机的功率密度高出一个数量级。大容量电机的制造技术，降低了电机的制造成本，因而为其更广泛的应用打开了大门。可靠地高功率等级的开关装置，以及近几十年来由于“固态革命”产生的微处理机，使电气拖动领域的控制水平大大提高。所有这一切，都是能量的利用与控制能力的提高从而不断地促进人类生活方式的进步。
变频调速技术：
变频调速技术的发展回顾：
随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。从20世纪60年代后期开始，电力电子器件经历了从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的转变过程。与此同时，变频调速控制技术也发生了由VVVF变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。
20世纪70年代，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。欧、美、日等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此，人们又研究出矢量控制变频调速。
矢量控制变频调速的实现方法为：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1。其中Im1相当于直流电动机的励磁电流 ；It1相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制方法的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算 ；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
变频调速基本原理：
三相异步电动机的转速公式为:
n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1)
式中:
n — 电机的转速，r/min
n1 — 同步转速，r/min
p — 磁极对数
s — 转差率，%
f — 频率，Hz
由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。
实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：
U∝E=C1fΦ （2）
式（2）中，C1为常数，因此有：
Φ∝E/f≈U/f （3）
若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。
从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。特别是近二十多年来,静态电力变频调速器突飞猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。

变频器的构成：
异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。

变频调速技术在家电中的应用
通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻分相。电机在工作时常处于短时重复状态(开/停)，如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。 变频技术的发展促进了家用电器的变频化，变频家用电器具有省电节能、舒适、寿命长、安全可靠、静音化等优点。20世纪70年代，在欧美等发达国家率先将变频技术应用到空调、微波炉、电冰箱、洗衣机等家电产品中，从而给家电产业带来了一场新的革命。
首先是空调，空调器应用变频技术后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果相对于异步电动机变频又提高了约10%-15%。为进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定 ；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWM控制时有较大幅度的提高。
其次是电冰箱，由于它处于全天工作，功耗及噪声问题严重。采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。目前，日本中高档冰箱中95%以上采用了变频技术，欧美等发达国家也在大力推广普及变频冰箱。但在国内市场，由于技术和成本原因使变频冰箱迟迟无法大批量生产和在市场推广。海尔在1998年开发出国内第一台变频冰箱后，经过几年的不懈努力，依靠整合全球化资源，与日本三洋株式会社合作，在中国投产建立了最新一代的三相直流变频压缩机工厂，由此改写了国内企业进口变频压缩机的历史，也使变频冰箱可低成本大批量生产，使变频冰箱更加贴近于寻常百姓。2004年，一款208L的变频冰箱日耗电只有0.29度，上市几个月便占据了全国3500元以上高档冰箱最畅销前5个型号中的2个席位，得到广大用户的一致认可。
变频洗衣机变频波轮式洗衣机于20世纪90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本研制的变频滚筒式洗衣机也已经大量进入市场。变频洗衣机具有三大特点：一是提高了洗涤效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动，同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为40%～50%，而直流变频洗衣机的效率可达到80%以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声及脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ES-A80E型变频洗衣机，其洗涤噪声仅为28dB，脱水噪声为40dB，脱水振动减少一半，与8年前该公司的ES-B55机型（耗电260Wh）相比，现在的ES-A80E机型(耗电85Wh)的耗电约为老机型的1/3。无锡小天鹅公司是我国最早开发变频洗衣机的厂家。该公司生产的“变频王”洗衣机，采用先进的无刷直流变频电机进行变频调速控制，洗涤转速和节拍可同时改变，速度控制灵活，可洗涤从丝绸到牛仔不同质地的所有衣物，根据衣物质地选择不同脱水转速，从而达到高洗净、低磨损、免缠绕的效果。其低噪声和高效节能表现在平均脱水噪声在59dB(A)以下，比普通洗衣机下降10dB(A)。特设的静声程序，噪声在55dB(A)以下。直流变频电机寿命比传统的感应电机延长200%，而能耗降低50%。
另外，变频技术也被应用到电磁炉、电饭煲等其他家电以及照明系统中，成为家电业的一个崭新的亮点。目前，我国制造的变频家电大多数都是交流变频产品。如变频空调，2004年度中国空调市场总结报告显示， 2004年变频空调产品的总销量达到了195万台左右，总体市场占有率达到了7.93%，比去年微幅上升了近1.6个百分点。有业内人士预计，今年变频空调的市场占有率将达到20%。
变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。另外，变频技术应用中带来的谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题也必将得到逐步解决。
我国电机的现状及发展：
20世纪40年代以前，我国电机制造行业极端落后。中华人民共和国成立后，电机工业才获得迅速的发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。50年代以仿制国外产品为主，60年代起即走上自行设计的道路；50年代初只能生产一般中小型电机，不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机，但与发达国家还具有很大的差距。
电机行业是一个传统的行业。经过200多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。作为劳动密集型产业，我国发展电机制造业有着得天独厚的优势。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。统计数据显示，2008年上半年，全行业实现工业总产值180.5亿元，同比增长19.7%。累计产量6805万千瓦，同比增长11.1%。在总产量中，大中型电机产量为2878.7万千瓦，增速减缓3.5个百分点；小型交流电机产量为3224.8万千瓦，同比增长5.6%，增速同比减缓8.8个百分点；直流电机产量284.2万千瓦，同比降低20.9%，增速同比减缓21.7个百分点。上半年全行业实现销售收入178.5亿元，同比增长17.7%。
　　2008年以来，虽然我国经受了全球经济危机的影响，部分产业产值呈下降趋势。但是电机企业产量突飞猛进。其主要原因是，企业积极实施国家节能政策，风电生产项目的效果显著。
小型交流电机同比小幅增长，大中型电机增势明显，这与国家经济快速增长拉动有关；直流电机产量同比降幅加大，主要是用户如轧钢机行业的需求量减少。随着交流变频器电机技术的发展，依靠性价比优势，替代部分直流电机，使直流电机市场萎缩。例如，以起重冶金、中型高压大功率变频调速特种电机为发展核心的江特电机有限公司，预计到2009年公司产能将由目前的120万千瓦增加至255万千瓦。
随着科学技术以及经济的发展，电机制造工业也将发生很大的变化，下面就对其作简要介绍。
（一） 产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高。随着经济的发展，用电量的增加和设备所需要的动力增大等因素的影响，单机容量将迅速增大，这样才能更好地为经济作出贡献，两者相辅相成，互相促进对方的发展。由于不同的电机具有不同的功能及其优势，为了更好地利用各种电机的优势，就必须生产出不同的电机，在不同的领域使用不同的电机，从而提高能量的利用，减少浪费，同时也将有利于环境保护。
（二） 积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺。
在采用新技术方面，首先应用电子计算机来进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。其他像感应电机的单绕组多速绕组和三角形—Y混合联接绕组，同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极，直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢以及双冷水技术。
在绝缘材料方面，目前在电机生产中，主要采用E、B两级，F、H级仅在要求较高或特殊用途的电机上应用，但前者正积极地分别向B、F级过渡。随着材料领域方面的发展，好的材料也将越来越多，价格也将越来越便宜，电机使用的材料也将越来越好，性能也随之变好。
在工艺水平和机械化、自动化程度方面，小型电机的基座与转轴加工、静电喷漆、总装试验等自动线均已采用；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敷、基座射压造型等新工艺的应用，也都使工效大大提高，电机质量进一步改善。
（三）标准化、系列化和通用化程度不断提高
在电机零部件和安装尺寸、基座号的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作，形成了自己的体系，还只定了许多国际电工委员会的标准。
（四） 积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究
近年来，世界各国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导体技术在电机中的应用等方面开展了一系列研究，取得不少的成果。此外，还对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电方面进行了一系列试验研究工作。

三、本课题研究内容：

本课题主要是研究设计40kw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发电机的主要规格，即：容量，额定相电压，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：.3.根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即，。再次，确定电机铁心的长度。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：

二、 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：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。
方案二与方案一主要是通过增加材料耗用来提高效率的目的，方案三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。

三、 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，运行可靠的发电机。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，为效率最高方案，在满足技术要求的基础上使电机的效率的达到最高。方案三，为材料最省方案，在满足技术要求的基础上使电机的所用材料最省。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发电机，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，可以提高所生产的电机的经济性。

3. 工作进度：
起讫日期
工作内容
备注
第一周—第三周
毕业实习

第四周—第五周
论文的开题报告

第六周—第九周
复算电机的各种参数

第十周—第十二周
上机设计三个优化方案

第十二周—第十三周
用Autocad制图

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、 上海电器科学研究所《中小型电机手册》编写组.中小型电机设计手册.北京：机械工业出版社，1994
2、 电机工程手册. 北京：机械工业出版社，1996.
3、 李发海 朱东起编著 电机学（第三版） 北京： 科学出版社2001.
4、陈世坤 主编 电机设计 北京：机械工业出版社，2000.
5、《电机学》 戴文进 徐龙权主编 清华大学出版社 2008年2月。
6、《电机设计》 西安交通大学 陈世坤 主编 机械工业出版社 2008年3月。
7、《电力电子技术》王兆安 黄俊 主编 机械工业出版社 2008年
8、《交流电机变频调速及其应用》张承慧 崔纳新 李珂 主编 机械工业出版社 2008年

南 昌 大 学
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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。

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Abstract

额定容量是指在铭牌规定运动条件下电机线端的视在功率，一般以为单位。
额定功率是指发电机在额定运行时出线端输出的有功功率，或指电动机在额定运行时轴上输出的有效机械功率，一般以KW或MW为单位。对于同步调相机，则用线端的额定无功功率来表示其容量，以Kvar或Mkvr为单位。
额定电压是指电机额定运行时，定子绕组出线端的线电压有效值，单位为V或KV
（4）额定频率
额定频率是额定运行时定子电枢绕组电气量的频率，我国的标准频率为50HZ
（5）额定电流
额定电流是指额定运行时，定子绕组线电流的有效值，单位为A。

额定功率因素是额定运行时定子绕组侧的功率因素。

额定转速是同步电机额定运行时的转速，是与额定频率相对应的转速，单位为r/min、
（9）额定励磁电流和额定励磁电压
额定励磁电流和额定励磁电压是指同步电机在额定运行条件下，转子励磁绕组外施
的直流电流和直流励磁电压。
分解成两个分量（=+），其中交轴分量将产生交轴反应，直轴分量将产生直轴分量。直轴电枢反应会去磁或助磁，而交轴电枢反应会使气隙磁场波形产生畸变。 ＞，＜0。表示电动机向电网输出的有功功率为负值。这种表示方法很不方便，因此重新假定同步电动机各个物理量的正方向。在同步电动机中，电流假定的正方向与发电机的相反，如图为此电压所产生的输入电流（与发电机的正方向相反），为反电动势。这样由滞后一个钝角变为超前一个锐角，从而使，输入电功率mUI，以及电磁功率均变为正值。因此同步电动机的电动势方程式变为：

对突极同步电动机，则为：

相应的向量图为图2-2（a）和图2-3

（a）

（b）
图2-2 隐极同步电动机的向量图和等效电路图
图2-3 突极同步电动机的向量图
在同步发电机的功角特性公式中，功率角θ定义为超前于的角度。如用于电动机则功率角θ和电磁功率均为负值，这种表示方法不方便。所以，对于电动机重新定义θ为超前于的角度，从而电磁功率为正值，表示电动机从电网吸收电功率转化成机械功率。这样一来，功率特性的表达式便为：

上式除以转子角速度后，得到电动机的驱动电磁转矩，于是有：

同步电动机正常运行时，由电网输入的电功率，出了很小一部分消耗了定子铜耗外，大部分通过定、转子磁场的相互作用而转换为电磁功率，即为转子的总功率，即：

扣除定子铁芯损耗、机械损耗和附加损耗后，即为输的机械功率，故：

与同步发电机相似，当同步电动机输出功率一定时，调节其励磁电流即可改变电动机的无功功率。忽略电枢电阻和磁路不饱和的隐极电机为例分析。当输出功率不变时，如果不记改变励磁对定子铁耗和附加损耗的影响（很小），则可认为电磁功率也保持不变，故有：

即：
，
于是由图2-4的电动势向量图可见，当输出功率恒定而改变励磁电流时，端点的轨迹为一条鱼与平行的垂直线，端点的轨迹为一条与垂直的水平线。“正常”励磁时，电动机的=1，电枢电流全部为有功电流，其数量最小；当“欠磁”时，＜，为保证气隙磁通值金丝不变，除有功电流外，还要出现起增磁作用的滞后的无功电流分量（从发电机惯例看，仍为超前的无功电流）。当“过励”时，＞，电枢电流中将包含一个超前的无功电流分量，起去磁作用。
由以上分析可知，同步电动在恒定功率下改变励磁电流时，曲线仍为一条V形曲线。图2-5表示四个不同电磁功率的V形曲线。其中，的那条曲线对应于同步调相机的运行状态。

图 2-4 恒功率、变励磁时隐极同步电动机的向量图

图 2-5 同步电动机V形曲线
由于同步电动机的最大电磁功率与成正比，当减小励磁电流时，则对应的功率角增大，而过载能力则要降低。因此，当励磁电流减到一定的数值，角就增大到，同步电动机就不能稳定运行而失去同步。图2-5中的虚线表示了电动机进入不稳定的界限。

改变励磁电流可以调节同步电动机的功率因数，这是同步电动机最宝贵的优点。因为电网上的主要负载是从电网吸取滞后的无功电流的变压器、感应电动机、以及其他感性负载，而同步电动机在过励的情况下却能从电网吸取超前的无功电流，这样就可以提高电网的功率因数。因此，从改变电网的功率因数和提高同步电动机本身的过载能力来考虑，现代同步电动机的额定功率因数一般都设计在1-0.8（超前），通常都工作在过励状态。
第三章 同步电机变频调速控制系统
3.1 同步电动机的矢量控制与转矩控制简介
一. 矢量控制理论简介：
70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
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匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制
二. 直接转矩控制简介：
在80年代中期，德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。　
直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
3.2 同步电机坐标变换
本章将对同步电机的矢量控制进行分析。同步电动机的控制离不开坐标变换，下面就对同步电机的坐标变化进行分析。
1.、坐标系统：坐标轴在空间并且以同步转速旋转的左边系统。
2、F、B、0与d、q、0坐标系统：坐标轴放在转子上并且随着转子一起旋转的坐标系统。
3.、α、β、0与a、b、c以及1、2、0坐标系统：坐标轴放在定子上并且保持静止的坐标系统。
4、纵轴及横轴（d、q）坐标：坐标轴以给定的转速旋转的左边系统。还有其他一些坐标系统，这里不一一列出。
每个坐标系统都有各自的优点和缺点，所以要根据具体的情况选择合适的坐标系统以分析系问题的过程尽量简单。
同一问题可以用数种方法求的解答，但其中某些方法用起来较为方便简捷或所得的结果较为精确，而另一些方法则较为繁琐或所得的结果不够准确。同样，同一方法在某些情况下应用起来很容易得出结果，而在另一些情况下应用时就较为复杂。因此研究者应该掌握各种坐标转换的方法，并善于根据具体条件及问题的性质加以利用。但一般来说，假如定子或转子的某一方面为对称而另一方面为不对称，那么较合适的方法是利用把坐标轴放在不对称的那一方面的坐标系统。例如：同步电机的转自方面是不对称的，则在定子方面对称的情况下，利用坐标系统d，q，0或F，B，0就比较方便。再如，异步电机在正常情况下转子方面是对称的，因此，在分析其定子方面不对称的运行问题时，则利用坐标系统α、β、0或1,2,0就比较方便。假如点击的定子及转子两方面均不对称，那么即使点击的转速为恒速，利用任何一种坐标系统表示的电机基本方程也都是具有变系数的方程。
鉴于以上原因，本节将对其他各种坐标系统以及它们之间的相互转换关系进行一些必要的讨论，以便进一步利用其中的一些坐标系统来研究同步电机的某些实际运行问题
本节下面将要详细的介绍以上列举的坐标系统。
1、 α、β、0坐标系统
这种系统中的转矩矩阵为：

以电流为例则得：
反变换为
α、β分量与d、q分量之间的关系式为：
2、1、2、0坐标系统
在这种坐标系统中它的转换矩阵为：其中 为复数算子。以电流为例可得：
反变换为 由于存在复数这种分量有时称为复数变量，其坐标轴线与定子没有相对运动。1、2分量与α、β分量及d、q分量间的关系式为：
3、坐标系统
在此坐标系统中的转换矩阵为：

同样的以电流为例可得：
反变换为：
分量与d、q分量间的关系为：
4、F、B、0坐标系统
此系统中的转换矩阵为： 以电流为例得到：
反变换为：
F、B分量与d、q分量间的关系式为：
5、坐标系统
此坐标系统中的转换矩阵为：
以电流为例得出： 这也是一种复数变量，但其坐标轴线则是以同步恒速旋转的。其反变换为：
分量与分量间的关系式为：
3.3 同步电动机矢量变换控制系统的设计
下面是感应电机闭环矢量控制变频调速系统的原理图（图3-3-1）

图 3-3-1
上图为感应电机闭环矢量控制变频调速系统的组成原理图。电路主要是由整流、滤波和逆变电路这三大部分组成。整流电路这一部分采用了单相桥式整流模块，这样可以使结构简单，可靠性高。逆变电路这一部分采用了IPM模块，将驱动电路与IGBT器件及保护电路集成到一起，这样提高了系统的稳定性。本方案采用的IPM模块是三菱公司的隔离型功率模块Pm300cla060, 该模块内部包含有一个三相逆变桥的6个IGBT和6个快恢复功率二极管。开关频率可以达到20kHZ。它将IGBT作为功率开关元件，不仅把功率开关器件和驱动电路集成到一起，而且还将过电压、过电流和过热等故障检测电路包含在里面，具有开关速度快，低功耗，不易击穿，可靠性高，抗干扰能力强的特点。
注意：编码器部分人讲述增量式编码器，部分人讲述绝对式编码器。应该用一段来讲述编码器。讲述反馈转角和转速两个信号及其作用。在给出系统框图后，应撰写不少于两张纸，用来解释框图中各个部分的功能与作用。框图必须用CAD进行画图。
编码器简介：绝对式编码器
变频器的开环控制与闭环控制具有通用性，所以开环控制与闭环控制的主要区别时闭环控制饿速度反馈与与频率控制通道采用了来自测速电机的实际转速。
为了实现励磁电流（磁通）的闭环控制，通常需要经过复杂的运算，并且控制精度与电机模型直接相关，如果电机的连线长度、布置方式、温度、磁路参数、实际工作频率等发生变化，都有可能使点击的电阻、电感等参数发生变化，造成控制误差。所以在实际变频中经常采用一些简化的矢量控制方案。

第四章 电机设计基本方法
4.1基本尺寸确定
（取1或者2）
估算每槽导体所占面积：
选择每槽导体数：（选取一个整数）
估算每根导体的截面积：
选取线规与每根导线并绕根数
验