30kw4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计-学位论文

本科生毕业设计任务书（工科及部分理科专业适用）题目：30kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计题目来源：□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：电气与自动化工程系专业班级：电机电器06级1班指导教师所在单位：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。

本科生毕业设计（论文）开题报告题目：30kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计学院：信工学院系自动化系专业：电机电器班级：061班学号：6101106024姓名：王徽指导教师：黄劭刚填表日期：2010 年 3 月22 日一、选题的依据及意义现代社会中，电能是现代社会最主要的能源之一。

在电能的生产、输送和使用等方面，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。

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。

同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。

小到电钟和记录式仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机一直流发电机组，无一不是为了发挥其转速恒定的优势而得到应用的。

除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数高到1.0，甚至超前。

在一个工厂里，只需有一台或几台大容量设备(例如水泵、空气压缩机)采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。

但是，由于同步电动机起动费事、重载时有振荡乃至失步的危险，过去除了上述特殊情况外，一般工业设备很少采用同步电动机传动。

自从电力电子变压变频技术获得广泛应用以后，情况就大不相同了。

采用电压一频率协调控制，同步电动机便和异步电动机一样成为调速电动机家族的一员，原来由于供电电源频率固定不变而阻碍同步电动机广泛应用的问题都已迎刃而解。

二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）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。

国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。

国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且也考虑电机制造成本的降低等国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业技术创新能力较弱。

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。

（五）机电一体化、智能化随着科学技术的发展，机电一体化技术得到长足发展，同时，各种高新技术也为电机产品注入了新的活力，制造工艺和管理信息化技术通过微电子、计算机、网络技术的应用，国家政策的鼓励、各企业对科技的重视，使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机（如交流变频调速电机是一种无级调速传动系统）应运而生，调速制造、虚拟制造等先进制造技术推广应用。

我国的电机的技术性能水平与发达国家的水平相当。

1.永磁同步电机近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。

永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。

和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。

和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。

永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。

正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。

目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。

我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。

稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。

因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。

充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。

因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。

这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。

永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。

根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。

在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。