位阻型芴基发光材料的设计、合成及其应用--《南京邮电大学》2013年博士论文
位阻型芴基发光材料的设计、合成及其应用
【摘要】：自Tang等首次报道了开创性的工作以来，有机发光二极管因其重量轻、视角广、对比度高、原料来源广及廉价、自主发光、大面积柔性显示、响应速度快等特点而被应用在平板显示和固体照明领域日益倍受关注。为了满足全彩显示的需要，以众多荧光及磷光为客体材料的有机电致发光器件相继被开发出来。磷光有机发光二极管由于存在重金属旋轨耦合作用使得其内量子效率在理论上达到100％而引起广大科学工作者的巨大兴趣。实现高效电致发光器件有两个至关重要的因素：一个是开发高效的磷光客体材料；另一个是制备适当的主体材料。为此，本文设计合成了一系列基于9-羟基-9-(2-吡啶基)-芴和9,9'-螺-氧杂蒽衍生物的主客体发光材料并制备了相应的电致发光器件。
1.9-羟基-9-(2-吡啶基)芴的傅-克反应构建主体发光材料的合成及光电性质研究
9,9-二芳基芴因具有较大的三维空间位阻效应而具有稳定的无定形态及高的热稳定性，能够有效抑制客体磷光材料在薄膜状态下的浓度猝灭及三线态湮灭。另外，芴具有较高的三线态能级(2.95eV)，通过对其9-位修饰而能够使其既具有良好的光电性能又因非共轭连接而具有较高的三线态能级。基于这种思想，本文以9-羟基-9-(2-吡啶基)芴通过傅-克反应，简洁高效地制备了一系列9-羟基-9-(2-吡啶基)芴功能化的发光材料，并制备了红绿蓝三基色磷光PhOLEDs器件，其最大外量子效率分别为8.9％、11.1％和10.5％。研究结果表明9-吡啶基芴的引入能够同时增加电子和空穴的注入，因而有望制备低压高效磷光器件。
2.喹啉/螺-9,9-氧杂蒽双极性分子的合成及光电性质研究
本文设计合成了以螺-9,9-氧杂蒽芴为核，引入多个喹啉单元构筑一系列双极性螺环化合物，其溶液的紫外吸收和荧光发射光谱不随喹啉基团个数及位置的变化而变化，但在固体薄膜状态下均随着喹啉基团个数的增加而发生红移。另外，螺环具有稳定的无定形态、较高的热稳定性、较高的三线态能级以及良好的空穴传输性能，通过从外围引入不同数量的吸电子喹啉基团，以调节化合物的电子传输能力，从而使得双极性螺环化合物的空穴传输能力和电子传输能力相互平衡，以扩大激子复合区域，使其在发光层中高效复合发光，因而有望制备高效发光器件。本文以喹啉/螺-9,9-氧杂蒽双极性分子为主体分别制备了红绿蓝三基色磷光器件，其最大外量子效率分别为9.1％、6.3％和0.21％。
3.含Ir(III)的三维有机金属螺环磷光材料的合成及光电性质研究
本文设计合成了2-(2-吡啶基)-9,9-螺-氧杂蒽芴(PySFX)和9-羟基-9-(2-吡啶基)芴(PyFOH)两种不同的有机配体。构筑了两种不同螺环功能化的磷光铱(III)配合物、金属螺环配合物(PySFX)2Ir(PyFO)和螺环功能化的配合物(PySFX)2Ir(acac)，并对其结构进行了核磁表征（氢谱和碳谱），对其分子轨道使用TDDFT方法进行密度泛函计算，从理论上研究了分子前线轨道与结构之间的关系。通过TGA和DSC曲线对其热稳定性和形貌稳定性进行了表征和分析，考察螺环功能化对其热稳定性和玻璃化转变温度的影响，并对其光谱和电化学及性质进行了考察和分析，研究这两种不同螺环有机金属磷光材料的光学性质与结构间的相互关系。
4.含铂(II)的三维螺环材料的合成及光电性质研究
本文将金属螺环引入到铂(II)配合物中有望能够有效阻止分子间相互作用以制备高性能器件，大体积金属螺环能够有效控制Pt-Pt间相互作用，从而抑制二聚体发光。设计合成了螺-9,9'-氧杂蒽功能化的铂(II)配合物，利用其螺环配体和金属螺环的超分子位阻效应，得到电流效率为16.0cd/A和最大外量子效率为5.2％的橘黄色电致发光器件。
【学位授予单位】：南京邮电大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN104.3
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脂等材料，制备各种发光材料。新型苯并伯啶和菲并咪唑类有机发光材料的合成及性能的研究
近年来,有机发光材料备受人们的关注,各种性能优良的有机发光材料不断被开发出来,并应用到各种电子器件中。但随着科学技术的快速发展和人类社会的进步,对具有特殊功能和用途的有机发光材料的需求更加膨胀,因此开发出具有特殊功能的新型有机发光材料具有重要的意义。本文主要合成了七种有机小分子发光材料,并研究了它们的量子力学性质、光谱性质、热力学性质和电化学性质,主要工作如下:1.合成表征了五个苯并伯啶类化合物Py1-Py5,详细研究了它们的紫外-可见光谱和荧光发射光谱,它们在溶液中的最大吸收波长位于363-391 nm,最大荧光发射波长位于391-467 nm。热重分析结果显示,它们具有很好的热稳定性,化合物Py1-Py5的分解温度分别为432℃、420℃、418℃、402℃和409℃。并由循环伏安曲线计算得到了它们的HOMO能级值,位于-5.01 eV--5.10 eV,与ITO阳极的功能函相接近,有望成为空穴传输材料。其中Py4和Py5的&
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本论文以有机小分子作为主要研究对象,设计合成了一系列的有机发光材料化合物,研究了它们的光物理化学性质。首先,聚芴或寡聚芴是一类被广泛用在有机发光材料中的蓝光材料,可是“绿色拖尾”现象的存在限制了它的应用。设计合成能够避免或是能够抑制“绿色拖尾”现象的化合物是材料化学家的任务之一。基于这样的背景,我们合成了一系列2,2'7,7'-取代的三螺二芴。我们研究了它们的电化学的、热学的以及光学的性质。并且,将这些化合物在不同条件下老化,发现在空气中和在氮气氛围条件下,都没有出现“绿色拖尾”荧光发射。说明三螺二芴类化合物能够有效地抑制绿色拖尾现象的产生。其次,在有机电致磷光主体材料方面,因为用于发蓝色电致磷光的主体材料要求足够高的三线态能隙E_T,能够用于蓝色电致磷光的主体材料依然非常少,因此合成高性能的蓝色电致磷光主体材料有很大的意义。我们合成了几个三芳基磷氧化合物,研究了它们的光学的热学的电化学的性质,并制备了有机磷光器件,在合成磷光主...&
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自从有机电致发光器件问世以来[1],有机电致发光材料以其具有发光亮度和发光效率高、色彩丰富、材料易加工等特点,并且可以通过改变分子的结构或掺杂调节发光颜色,从而成为电致发光领域内一个新的研究热点[2-3]。要实现全色显示,发红、绿、蓝光的材料是必不可少的。目前发绿光的材料制备技术已比较成熟,而红光和蓝光材料,在稳定性、亮度等方面还存在一些问题,尚未很好解决。寻找高效发红光和蓝光的材料是现在电致发光领域研究的重点之一[4]。有机化合物的能带结构导致其有荧光现象,多数情况下,它的吸收和荧光颜色取决于体系的共轭程度,即与分子链化学结构有关。在设计、合成有机电致发光材料时,应着眼于控制分子结构的变化,对发光颜色进行调节,以得到优良性能的电致发光材料。含苯撑乙烯结构单元的化合物被认为是最有希望的有机电致发光材料[2]。含苯乙烯基联苯化合物是一类荧光性很强的有机化合物,化学性能稳定,同时具有良好的耐高温及光稳定性,作为荧光增白剂已得到广泛的...&
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科研、生产、市场是三个互相承接的环节。生产和交换活动都是由市场这只无形的手引导的,科研与生产最终要落实到市场,接受价值的检验,才能实现效益。“产品与市场‘’栏目旨在实现产品与市场的“无缝对接”,而不是“拉郎配”。目的是为读者提供一个实用信息的专业平台,帮助读者了解和分析各行各业的最新技术和市场动向,提供各行业总体发展、市场变化趋势的最新数据,为读者提供决策的依据。相形之下.虽然现在的彩电和计算机显示器正在变得越来越轻、越来越薄.傻大笨粗已经成为过时的代名词。但如果与当年的电影屏幕相比.还显得十分笨重.先别设想能不能用轻薄如纸来形容它们,单单是想把显示器折叠起来就几乎是天方夜谭了。然而,随着有机发光材料技术的发展.这种设想马上就要变为现实了。 用有机发光材料制造的显示器不仅可以变得很薄.给人们的生活带来了方便.且与当今时尚的液晶显示器《 LCD)相比.它还具有亮度高、节能、制造成本低等许多优点。仅从发光机理上说.由于液晶自身不能发...&
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有机发光二极管(OLED)作为一种新型显示技术,因其在显示领域内的巨大应用前景而引起广泛关注。本文对OLED所使用的有机发光材料的专利保护状况进行了调查和分析,并据此提出了中国企业的应对策略。进入21世纪,人们需要性能更好、更符合生活需要的显示器。在目前的各类显示器中,阴极射线管(CRT:Cathode Ray Tube)和液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)占有绝大部分的市场份额。由于未来要在轻巧的挠性体上输送大量的信息和影像,现有的显示器越来越无法满足人们对信息显示设备的要求。近年来,有机发光二极管(OLED:Organic Light Emitting Diode)作为一种新型和有前途的显示技术逐渐进入人们的视野。OLED是一种由多层有机薄膜结构形成的电致发光器件,其中的有机薄膜是利用蒸镀、沉积或旋涂工艺在基板上形成的有机发光材料的膜。1987年美国柯达公司的邓青云(C.W.Tang)及Ste...&
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有机发光二极管技术起源于柯达公司,原理是在真空中蒸发小的发光分子。利用这种可以弯曲的有机发光材料制成的显示器可以在手机中卷起来,用户可以在需要的时候展开,在旅途中处理文档...&
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传真：010-固态发光可调的新型聚集诱导发光材料的合成、晶体结构及光物理性质--《华东理工大学》2012年博士论文
固态发光可调的新型聚集诱导发光材料的合成、晶体结构及光物理性质
【摘要】：作为显示、照明等有机发光器件中的关键组成部分,有机发光材料的性能很大程度上决定了发光器件的发展及其实用化进程。有机发光材料往往以固态薄膜的形式出现在发光器件中,所以研究和探索高效固态发光的有机材料具有重大意义。聚集诱导发光现象为开发强发光的有机材料提供了一个有效方法,并在过去十年发展了大量基于噻咯、四苯乙烯和苯乙烯腈等单元结构的聚集诱导发光材料。
利用化学和/或物理方法调控有机材料固态下的发光行为及其产生机制受到了越来越广泛的重视。压致荧光变色材料是一类新型的力刺激响应智能材料,它在信息存储、商标防伪和微应力传感等领域具有潜在的应用,但是具有压致荧光变色性能的有机化合物目前尚十分稀少。本论文主要致力于开发新核结构的聚集诱导发光材料,并通过化学修饰或外部刺激的方法实现固态发光行为的调控,其主要内容概括如下：
第一章重点介绍了激发态分子的光物理过程,并对高效固态发光的有机小分子材料及荧光调控的最新进展进行了综述。
第二章基于对1,1,4,4-四苯基丁二烯结构的修饰,设计合成了四种多取代2,2'-联二茚发光团1a、2a、3a和4a,并充分研究了它们在溶液和固态下的光物理性质。化合物1a-4a在溶液中发光微弱,但是在晶体下发光很强,表现出聚集诱导发光性质。通过缓慢溶剂挥发法,成功获得了化合物1a-4a的单晶。通过单晶结构分析,发现分子在晶体中具有十分扭曲的构型,不存在分子间的p-p堆积作用,导致形成了非紧密堆积结构,这是高效发光的重要原因。化合物1a-3a的晶体发射深蓝色荧光,4a的晶体为绿色；而化合物1a-3a的无定形薄膜红移到天蓝色,4a的无定形薄膜仍为绿色。这表明化合物1a-3a的固态发光依赖于它们的分子构型及堆积状态。进一步研究了化合物1a-3a压致荧光变色性能,并通过粉末X-射线衍射(PXRD)和差式扫描量热法(DSC)的测试验证压致变色的机制。
第三章在上一章的基础上,为了将2,2'-联二茚体系的发光向长波长方向拓展同时获得高效固态发光的BODIPY类荧光团,创新性地将BODIPY基团引入到多取代2,2’-联二茚体系中,设计合成了化合物BDY-IN.化合物BDY-IN仍具有聚集诱导发光性质。利用再沉淀法得到了化合物BDY-IN两种发光差异很大的纳米聚集体,最大发射分别为543nm和646nm,这表明BDY-IN的聚集态发光受聚集形式影响。采用缓慢溶剂挥发法,通过氯仿/乙醇体系中培养出发橙色荧光的单晶BDY-O,最大发射为582nm；通过二氯甲烷/乙醇体系中培养出发红色荧光的单晶BDY-R,最大发射为分别661nm。通过对两种单晶结构的分析发现,BDY-R的分子构型比BDY-O的更为平整且BDY-R的晶体中存在分子间p-p堆积作用,这两个原因导致了BDY-R比BDY-O发光红移约79nm。
第四章设计合成了三种含有三苯乙烯腈和三苯胺基元的化合物CN-TPA、3CN-TPA和4CN-DTPA。研究了三种化合物的聚集诱导发光特性,同时发现了化合物CN-TPA的固体粉末具有压致荧光变色效应。化合物CN-TPA的晶体粉末发蓝绿色荧光(594nm),碾磨可以将其破坏成发黄绿色荧光(545nm)的无定形粉末,再经加热可以恢复成发蓝绿色荧光(594nm)的晶体粉末。粉末X-射线衍射(PXRD)表明化合物CN-TPA的晶体和无定形粉末具有不同的分子堆积模式。差式扫描量热法(DSC)测试显示,晶体是热力学稳定态,而无定形态是亚稳态。采用缓慢溶剂挥发法,获得了化合物CN-TPA发蓝绿色荧光(584nm)的单晶。通过单晶结构分析,发现在晶体中分子构型十分扭曲,导致了形成了非紧密堆积结构；这样,外部压力可以容易地破坏分子构型及堆积模式,从而引起相变。
第五章利用一步生成两根C-N键成环的方法合成了系列稠环取代的N,N’-二芳基吩嗪衍生物(M1-flu、M2-py和M3-phen)。发现该类化合物在溶液中表现出不依赖于溶剂极性的高达240nm的Stocks位移。它们的溶液最大发射在600nm左右,而固体粉末在蓝、绿光区域。以化合物M1-flu作为发光材料初步研究了该类化合物的电致发光性质。
第六章设计合成了茚修饰的9,10-二苯基蒽衍生物INAN,并与参比化合物9,10-二(4-(2,2-二苯乙烯基)苯)蒽DPAV比较,初步研究了其光物理性能。
第七章结论。
【学位授予单位】：华东理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TB34
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张亮 黄劭刚
~ 学生姓名： 指导教师： 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：50KW-4 极变频调速同步电动机的电磁设计方案及 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 究 学 院： 信息工程学院 系：自动化系 电机电器 062 班 张亮 学号
√应用与理论研究 □实际应用研专业班级： 学生姓名： 起讫日期：~ 职称： 教授指导教师： 黄劭刚 指导教师所在单位： 学院审核（签名） ： 审核日期：电气与自动化工程系二 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。&&&&一、毕业设计的主要内容和基本要求 （一）主要内容1、 分析同步电动机的工作特性 2、 阐述同步电动机的设计理论及其变频调速控制理论方法 3、 进行 50KW-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 （二）基本要求 1、技术要求： ①额定功率 PN : 50KW ③相 数：三相 ⑤额定转速 n N ：1500r/min ⑦ 效率? ：90.6% 2、原始数据： ① 定子外径：38.5cm ③ 定子槽数：36 3、参考数据 ①定子绕组电密：8 ~ 9A/mm2 ② 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。 ②定子内径：26.86cm ④气隙长度：0.105cm②额定电压 U N : 400V ④额定功率因数： （滞后） 0.95 ⑥额定频率 f N ：50Hz ⑧定子槽满率：80 ~ 85%&&&&二、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）&&&&四、毕业设计进度计划 序号 1 2 3 4 5 各阶段工作内容开题报告 变频调速同步电动机电磁设 计 AUTOCAD 制图及外文翻译 撰写毕业论文 毕业答辩起讫日期 3.24 ~ 4.4 4.7 ~ 5.16 5.19 ~ 5.23 5.26~ 6.6 6.9 ~ 6.13实施地点 2周 6周 1周 2周 1周五、主要参考资料[1] 《电动机原理与实用技术》 王益全编著 科学出版社 2005 [2] 《交流电机动态分析》 汤蕴 张奕黄 范瑜编著 机械工业出版社 2004 [3] 电机工程手册. 北京：机械工业出版社，1996 [4] 《电路》邱关源编著 华中科技大学大学出版社 2006 [5] 《电机学》 李发海 朱东起编著 科学出版社 2001 [6] 《电机设计》 陈世坤编 机械工业出版社 清华大学出版社 [7] 《AUTOCAD2004 入门与提高》 张跃峰等编&&&&六、毕业设计进度表（本表至少每两周由学生填写一次，交指导教师 签署审查意见） 学生主要工作：第一、二 周 （ 3 月 24 日至 4 日） 月 4 指导教师审查意见：签 年 月 日名：&&&&学生主要工作：第三、四 周 （ 4 月 7 日至 4 月 18 指导教师审查意见： 日）签 年 月 日名：学生主要工作： 第五、六 周 （ 4 月 21 日至 5 月 日） 2&&&&指导教师审查意见：签 年 月 日名：学生主要工作：第七、八 周 （ 5 月 5 日至 指导教师审查意见： 5 月 16 日）签 年 月 日名：&&&&学生主要工作：第九、十 周 （ 5 月 19 日至 指导教师审查意见： 5 月 30 日）签 年 月 日名：第 十 一 周 至 学生主要工作： 毕业 设计工作结 束 （ 6 月 2 日至 6 月 13 日）&&&&指导教师审查意见：签 年 月 日名：&&&&七、其他（学生提交） 1．开题报告 1 份 2．外文资料译文 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：50KW-4 极变频调速同步电动机的电磁设计方案 及控制系统的设计学 专 班 学 姓院： 信息工程学院 业： 级： 号： 名： 电机电器系 电气工程及其自动化电机电器 06 级 2 班
张亮 黄劭刚 2010 年 3 月 26 日指导教师： 填表日期：&&&&一、选题的依据及意义 电动机运行的同步电机， 由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、 水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用 同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频 率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传 动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电 动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力 比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的 转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积， 即仅与电压的一次方 成比例。当电网电压突然下降到额定值的 80％左右时，异步电动机转矩往往下 降为 64％左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多， 还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。 同步电动机变频调速是交流电机调速控制的一个重要方面， 它的应用领域十 分广泛，其功率覆盖面非常广阔，从瓦级的永磁直流电动机到万千瓦级的大型轧 机、窑炉传动电机、鼓风机电机等。大型同步电动机和超大型抽水蓄能电动发电 机的变频起动亦属于同步电动机变频调速之列。 近期来永磁同步电动机的迅速发 展，使同步电动机变频调速技术的应用愈来愈多。 在调速系统中采用同步电动机有以下优点： 1、同步电动机的转速与电源的基波频率之间保持着严格的同步关系，只要 精确的控制变频电源的频率就能准确的控制电机的速度，调速系统无需反馈控 制。这样，可以用同一个变频电源方便的实现对多台同步电动机的集中控制，使 其能够达到到调速的目的，而且同步协同。 2、同步电动机有异步电动机所不具有的优点，它对转矩扰动具有较强的抗 干扰能力，做出的反应较快。这是由于只要同步电动机的功角做适当变化就能改 变负载转矩，而转速始终维持在原同步速不发生变化，因此转动部分的惯性不会 影响同步电动机对转矩响应的快速。相反，异步电动机负载转矩变化时，必须要 求转差率变化才能改变电磁转矩，电机转速也要相应的改变，而转动部分的惯性 阻碍了响应的快速性。这样，同步电动机比较适合于要求对负载转矩变化做出快 速反应的交流调速系统当中。 3、因为同步电动机能从转子侧进行励磁，即使极低的频率下也能运行，因 此它的调速范围比较宽。异步电动机转子电流靠电磁感应产生，在很低的频率情 况下转子中很难产生必需的电流， 所以它的工作频率受到限制， 调速范围比较窄。&&&&4、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，因此有可能 使之运行在功率因数为 1 的状态下。此时的电枢铜耗最小，由此也可减少变频器 容量。 5、异步电机须从电源侧吸收滞后的无功电流，即电机电流在相位上滞后于 逆变器的输出电压。此时如采用晶闸管逆变器，必须采用强迫换流措施，要求有 复杂的换流回路、昂贵的换流电容器和具有快速关断能力的快速晶闸管，还伴随 有不小的换流损耗。而在同步电动机调速系统中，由于同步电动机能运行在超前 功率因数下，有可能利用电动机的反电动势实现负载换流，克服了强迫换流的弊 病。 由此可以得出，同步电动机虽然本身结构稍微复杂，但采用变频调速技术后 具有自己独特之处，在交流传动领域内和异步电动机一样有着重要的作用。 二、同步电动机简介 同步电动机的转子机构有隐极式和凸极式之分，按励磁方式分有直流励磁、 永久磁铁、反应式等形式。同步电机多用于发电机，作为电动机使用较少。同步 电动机的启动性能较差，在用普通商用电源供电时，常利用启动绕组异步启动再 牵入同步运行。同步电动机作为工业驱动的优点是运行功率可调，在电动机稳态 运行时速度恒定（同步转速） 。随着电力半导体变流技术的发展，同步电动机的 应用日益广泛，尤其是在小容量的伺服系统和大容量的场合，控制性能明显优于 异步电动机。 同步电动机的定子为对称的多相绕组，转子上有直流励磁绕组。亦可以采用 反装式，即励磁绕组安装在定子上，转子上安装三相电枢绕组，三相绕组通过滑 环和外部电路连接。当励磁是由永久磁铁提供，即为永磁同步电动机。它没有滑 环和电刷。反应式同步电动机是一种无刷电动机，利用电动机的气隙磁阻不对称 产生转矩。 无论是有励磁绕组的同步电动机还是永磁同步电动机，均可在功率因素为 1 的状态下运行，从而使电动机的电流值为最小，在同样的轴功率下变频器的容量 为最小。同步电动机也可以在领先的功率因数下运行，使用晶闸管变流装置时可 实现变频器的负载换流。另一方面，反应式同步电动机总是在落后功率因数下运 行。永磁同步电动机和反应式同步电动机主要用于小功率驱动。 隐极式同步电动机 隐极式同步电动机的转子为圆柱形，定子铁心和转子铁心之间的气隙均匀， 定子绕组和转子绕组分别嵌入在定子转子铁心上。定子铁心用硅钢片叠制而成， 转子为实心结构。定子绕组通常为三相分布、短距绕组，以改进气隙磁场的分布&&&&和电势波形。转子绕组为单相同心式绕组，通以直流电产生磁场。当定子中通过 对称三相交流电时，在气隙中产生空间上正弦分布的旋转磁场，并以同步转速旋 转。如果转子亦以同步转速旋转，定子、转子的磁场是相对静止的。但是，如果 定子、转子的磁场轴线不在一条直线上，则要产生转矩，该转矩企图使两个磁场 的轴线重合。隐极式同步电动机没有启动转矩，主要用于蒸汽发电机。作为电动 机使用时，在转子上安装启动绕组，使得启动时电机工作在异步电动机方式，当 转速接近同步转速时牵入同步运行。 凸极式同步电动机 凸极式同步电动机的转子为凸极结构，转子绕组为集中式绕组，在转子绕组 中通以直流电产生磁场。凸极式同步电动机的定子和隐极式同步电动机相同，为 普通三相分布式绕组。当定子中通以三相对称电流时，定子、转子绕组磁场的相 互作用产生转矩。凸极式同步电动机的定子、转子铁心之间的气隙是不均匀的， 在磁极中心线处气隙的长度最短，在两个磁极之间的气隙长度最长。由于气隙长 度的变化，定子磁动势在 d 轴产生的气隙磁通密度大于 q 轴的气隙磁通密度。直 流励磁电流通过滑环和电刷馈入励磁绕组，也可以采用无刷励磁机进行励磁。在 转子磁极表面安装有阻尼绕组， 阻尼绕组在启动时作为异步电动机的笼型转子产 生启动转矩，在动态过程可以抑制振荡。 永磁同步电动机 永磁同步电动机的转子励磁由永久磁铁提供。 永磁同步电动机的气隙长度在 物理上是均匀的，但是由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻 的分布并不均匀。 通常 d 轴即磁极轴线的磁阻 q 轴相邻两个磁极的中性线的磁阻 大。而普通凸极同步电动机的情况相反。 反应式同步电动机 反应式同步电动机的转子即没有励磁绕组，也没有永久磁铁，而是一个凸极 式转子。它的定子是普通的三相对称绕组，当定子通以三相对称电流时，将在电 动机中产生旋转磁场。 转子的凸极效应企图保持转子的轴线在相对定子磁场最小 磁阻的位置，于是转子以同步转速旋转起来。这种电动机没有启动转矩，需要笼 式绕组提供异步启动转矩，当转速接近同步转速时牵入同步，牵入同步以后转子 上笼式绕组在稳态运行时不再起作用。 牵入转矩是反应式同步电动机的一项总要 指标。对于使用变频电源的反应式同步电动机，从静止状态开始即可以按照同步 运行方式加速，直接启动性能已不重要。从优化设计角度考虑，已没有必要照顾 启动特性和牵入同步转矩的要求。 三、同步电动机变频调速控制方式简介&&&&同步电动机变频调速系统分为它控式变频器供电和自控式变频器供电两种 不同方式。它控式变频器供电的变频调速系统和异步电机变频调速控制方式相 似，其运行频率由外界独立调节，利用同步电机转速与气隙旋转磁场严格同步关 系，通过改变变频器的输出频率实现对同步电机的调速，但受负载影响容易产生 失步现象。 自控式变频器供电的变频调速系统其输出频率不由外界调节而是直接 受同步电动机自身转速的控制。每当电机转过一对磁极，控制变频器的输出电流 正好变化一周期，电流周期与转子速度始终保持同步，不会出现失步现象。由于 这种自控式同步电机变频调速系统是通过调节电机输入电压进行调速的， 其特性 类似与直流电动机，但无电刷及换向器，所以习惯上被称之为无换向器电动机。 如果电机又是由永磁同步电机构成并由直流电源通过由关断器件构成的功率电 子开关（逆变器）供电，则称为永磁无刷直流电动机。 四、本课题研究内容 本课题主要是研究设计 50kw4 极同步电动机及其变频调速。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: Z ? 定每槽导体数 S nd ，即： S nd ?A?D .2、根据公式确 m INaZm 3、根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即， N?d'2?Ad 。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 S nd分的利用。2、根据第二步确定的绕组可以确定每极磁通 ? p 。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。最后，根据所设计的电动机选择合适的变频调速控制系统，并对其进行优 化设计以使其达到最佳的效果。 同步电动机的电磁功率的公式： 1．电压方程：隐极机： U ? E 0 ? Ra I M ? j I M xt 凸极机： U ? E 0 ? Ra I M ? j I dM xd ? j I qM xq 2．电磁功率：凸极机： Pem ? m 隐极机： Pem ? mE0U xd sin ? M U2 ?m 2 ? 1 ? ? ? 1 ? sin 2? M ?x ? ? q xd ?. . . . .. . . .E0U sin ? M xt&&&&3.功率平衡：P1 ? Pcu1 ? Pem Pem ? PFe ? Pmec ? Pad ? Pf ? P2四、同步电动机的 V 形曲线和功率因数调整Pem ?m UE0 sin ? ? 常数 ; xtE0 sin ? ? 常数I M cos? M ? 常数1.三种激磁状态： ①正常激磁状态：I 与 U 同相， ? 0, cos? ? 1 ， 吸有功 P， Q=0； ? ②过激运行状态：I 超前 U ， 吸有功 P， 吸容性 Q （发感性 Q） ； ③欠激运行状态：I 滞后 U ， 吸有功 P， 吸感性 Q （发容性 Q） ； 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，运行可靠的同步电动机。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，既采用手算的方法，又采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，可以提高所生产的电机的经济性。 3. 工作进度： 起讫日期 第一周—第三周 工作内容 论文的开题报告 备注??????&&&&第四周—第五周 第六周—第九周 第十周—第十二周 第十二周—第十三周 第十四周—第十五周 第十五周—第十六周 六、参考文献： [1] 《电机设计》 [3] 《电机学》 [4] 《电机学》 陈世坤编毕业实习 复算电机的各种参数 上机设计三个优化方案 用 Autocad 制图 写毕业论文 论文答辩机械工业出版社[2] 《AUTOCAD2004 入门与提高》 李跃峰等编著 清华大学出版社 辜承林 陈桥夫 熊永前 华中科技大学出版社 李发海等合编 科学出版社&&&&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： 年 月 日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 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： 年 月 日 年解密后适用本授权书。导师签名：日期：&&&&密级：NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2006 —2010 年）题目50KW-4 极变频调速同步电动机的电磁设计 方案及控制系统的设计学院：信息工程系自动化系专业班级： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 张亮电机电器 062 班 学号： 职称：
教授黄劭刚~&&&&摘要50KW-4 极变频调速同步电动机的 电磁设计方案及控制系统的设计专业：电气工程及其自动化 学生姓名：张亮 学号： 指导老师：黄劭刚摘要本文开始于同步电机及电机设计的基本理论，简单介绍了同步电机的基本 特性、类型、用途、主要结构、技术指标、工作特性、变频调速等。这些都是为 同步电机电磁设计做准备的。电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定 的尺寸和数据很多。因此，必须全面地、综合地看问题，并能因地制宜，针对具 体情况采取不同的解决方法。在本次设计的三个方案中，在满足效率的前提下, 根据不同的设计目标分别设计出一台重量轻和最省材料的同步电动机以及一台 节省能源效率最高的同步电动机。经过设计发现:一台最省材料的电机往往不是 效率最高而效率最高的电机所用的材料却是最多的。因此，在实际的电机设计中 必须全面照顾，综合考虑,最后得到一个既省材料效率又高的最优方案。此外， 对于用 AUTOCAD 软件绘制图形与计算机编程辅助设计也作了介绍和概述。 关键词：同步电机原理、设计、变频调速、CAD.、I&&&&AbstractElectromagnetic design and control system of the50KW-4 pore frequency control synchronous motorAbstractThis article begins from the basic theory of the synchronous motor and motor design , simply introduces the basic characteristics of synchronous motor, type, usage, main structure, technical indicators, working characteristics,frequency control and so no. These all are the preparation of electromagnetic design of synchronous motor. Electrical motor design is a complex process which needs to consider size, data and many other factors . Therefore, we should have a comprehensive looking of the issue and according to conditions, make different situation-specific solutions. In this three options of the design, under the condition of efficiency, depending on the design objectives designs a most light-weight lest materials synchronous generator and a saving energy most synchronous generator with maximum efficiency . After the design I have found that the most provincial motor mostly dose not hvae the maximum efficient and the maximum efficient motor use the most materials. Therefore, in the actual design the motor must have comprehensive consideration so the the optimal programme not only use fewer material but also have a relatively high efficiency . In addition, this article makes a presentation and overview.using of rendering graphics software AUTOCAD and computer programming-aided design . keywords: the theory of Synchronous motor, frequency control,the design ,CAD.II&&&&目录目录摘要 ............................................................... I Abstract .......................................................... II 绪论 .............................................................. IV 第一章 同步电机概述 ................................................ 1 1.1 同步电机主要类型和用途 ...................................... 1 1.2 同步电动机的基本结构 ........................................ 1 1.3 同步电机设计时的基本技术要求 ................................ 2 第二章 同步电动机的运行原理及特性 ................................ 5 2.1 同步电动机的工作原理 ........................................ 5 2.2 同步电动机的励磁方式 ........................................ 5 2.3 电枢反应 .................................................... 5 2.4 同步电动机的运行特性 ........................................ 7 2.5 同步电动机的基本电磁关系与电压方程式（凸极式为例） ......... 10 第三章 同步电动机变频调速控制 ................................... 12 3.1 同步电机坐标系统的转换 ..................................... 12 3.2 自控式同步电动机变频调速系统及硬件控制电路 ................. 15 3.3 同步电动机矢量变换控制及硬件控制电路 ....................... 20 第四章 电机设计的基本理论 ....................................... 25 4.1 电机设计过程和内容 ......................................... 25 4.2 电机参数对电机的影响 ....................................... 25 4.3 电机气隙大小对电机的设计的影响 ............................. 25 4.4 槽满率对电机的影响 ......................................... 26 第五章 同步电动机电磁设计的计算过程 ............................. 27 第六章 毕业设计结果分析 ......................................... 46 6.1 关于材料用量的对比 ......................................... 46 6.2 关于损耗与效率的对比 ....................................... 46 6.3 关于电磁负荷的对比 ......................................... 46 6.4 关于电机参数的对比 ......................................... 47 6.5 电磁设计结果分析 .......................................... 47 第七章 AUTO CAD 绘图 ............................................. 49 7.1 定、转子冲片图的绘制 ....................................... 49 7.2 绕组连接图的绘制 ........................................... 50 第八章 设计总结 ................................................. 52 参考文献 .......................................................... 53 致谢 .............................................................. 54 外文翻译 .......................................................... 55III&&&&绪论绪论电动机运行的同步电机， 由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功 率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、 水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用 同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频 率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传 动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电 动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力 比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的 转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积， 即仅与电压的一次方 成比例。当电网电压突然下降到额定值的 80％左右时，异步电动机转矩往往下 降为 64％左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多， 还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。 同步电动机变频调速是交流电机调速控制的一个重要方面， 它的应用领域十 分广泛，其功率覆盖面非常广阔，从瓦级的永磁直流电动机到万千瓦级的大型轧 机、窑炉传动电机、鼓风机电机等。大型同步电动机和超大型抽水蓄能电动发电 机的变频起动亦属于同步电动机变频调速之列。 近期来永磁同步电动机的迅速发 展，使同步电动机变频调速技术的应用愈来愈多。IV&&&&第一章 同步电机概述第一章 同步电机概述 1.1 同步电机主要类型和用途同步电机按用途可分为发电机、电动机和补偿机；按结构特点可分为凸极式 的和隐极式的， 立式的和卧式的； 按通风方式可分为开启式、 防护式、 封闭式的； 按冷却方式可分为空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却式的；按放电机的原 动机来分可分为汽轮发电机、水轮发电机和其他原动机带动的发电机；按电动机 带动的负载来分可分为均匀负载、交变负载或冲击负载的电动机。 近些年来，由于电力电子技术的发展，将变频器和同步电机联系起来，组成 了无换向器电动机，它没有直流电机的机械换向器，用电子换向来代替，可以得 到与直流电机同样的性能， 而且可以做到比直流电机容量更大、 电压和转速更高， 在工业上开辟了新的用途。 在现代社会机里，械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业、 化学工业及其他各工矿企业中，广泛地应用各种同步电机，除了工业，在农业、 交通运输业以及国防、文教、医疗等等中也都广泛地应用着各种同步电机。1.2 同步电动机的基本结构同步电动机主要由定子、转子以及滑环、电刷装置等部件构成。其绕组结构 和定子铁心与感应电动机的一致，当同步电动机的转速比较低时，级数也相应较 多， 此时由于定子圆周所能开的槽数是有限定的， 定子绕组通常采用分数槽绕组。 同步电动机与感应电动机的最大不同在于转子结构上的不同。同步电动机的转子由转子铁心、励磁绕组和转轴、滑环等构成。转子铁心和 励磁绕组一起构成了主磁极，励磁绕组中通入直流励磁电流就产生了主极磁场。 像这样主磁极旋转的结构称为旋转磁极式结构。 按照主磁极形状的不同同步电动 机又可分为凸极式和隐极式两种形式。 因为主磁极有明显凸出所以称之为凸极式转子。这种情况下气隙是不均匀 的，磁极下面的气隙小，两磁极之间的气隙打。为了改善气隙磁场的波形磁极圆1&&&&第一章 同步电机概述弧的圆心常与定子内圆圆心偏心， 一般取极尖处的气隙长度为主磁极轴线处气隙 长度的 1.5 倍。励磁绕组为集中式的绕组，套装再主磁极的极身上。为了能够得 到启动转矩以及提高动态性能，需要在凸极式转子主磁极的极靴表面开槽，以便 装设启动绕组。此种转子的机械强度比较差，适合圆周速度较低、离心力比较小 的低速电动机。由于同步电动机大多转速比较低，因此基本上均为凸极式结构。 隐极式转子为圆柱形，气隙均匀。励磁绕组为同心式绕组，嵌放在转子铁心 槽内，在大齿部分形成磁极。隐极式转子的机械强度比较好，适合于高速运行的 电动机。 为了给转子励磁绕组通入直流励磁电流，需要设置电刷和滑环，以便励磁绕 组和外部直流励磁电源相连接。1.3 同步电机设计时的基本技术要求（1）给定数据：①额定功率 ④额定频率 （2）铭牌：①电机的型号 ④额定电流 ②额定电压 ③相数及相间连接方式 ⑥额定功率因数 ③额定电压 ⑥额定功率因数 ⑧额定温升 ⑤额定转速②额定功率 ⑤额定转速⑦额定励磁电压和额定励磁电流（3）电磁设计的任务是根据技术条件或技术任务书的规定，参照生产实践经验， 通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有 关材料，并核算其电磁性能。 电磁设计过程主要包括同步电动机的主要尺寸、磁场波形、电枢铁心、电枢 绕组、磁路、稳态电抗、短路比、励磁绕组、短路电流、过载能力、暂态电抗、 谐波绕组、负载时的损耗及效率。2&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特性第二章同步电动机的运行原理及特性2.1 同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理是依靠转子主磁场与气隙合成磁场之间的磁力而工 作的。 同步电动机定子三相绕组接通三相电源后， 定子绕组中就会产生三相电流， 从而在定子中产生旋转磁动势和旋转磁场。 旋转磁场切割转子笼形启动绕组从而 会产生异步启动转矩使电动机启动。 当转速升高至 95%同步转速时投入励磁， 产 生主极磁场，在主极磁场与气隙合成磁场之间产生的同步转矩的作用下，使电动 机自动牵入同步。牵入同步后，电动机转入正常运行。实际上，只有在转子以同 步速旋转时，同步电动机才能产生平均电磁转矩。可以把这种 N 极和 S 极之间 的磁拉力看成转子主磁场 B0 与气隙合成磁场 B 之间由一组弹簧联系在一起。当 电动机空载运行时，弹簧处于自由状态，这时 B0 与 B 的轴线重合，电磁转矩为 零；当电动机负载运行时，弹簧被拉伸，B0 与 B 的轴线之间被拉开一个角度从 而会产生一定的同步电磁转矩。负载越大 B0 与 B 的轴线之间被拉开的角度也会 越大，同步电动机的电磁转矩也就越大，就像弹簧越拉伸弹力越大一样。B0 与 B 的轴线之间的电角度称为功率角。显然，同步电动机电磁转矩的增大是有一定 限度的，超过了这个限度，同步电动机就会因为失去同步而不能正常工作，甚至 是停转。 因同步电动机的转子主磁场与气隙合成磁场之间的磁拉力而产生的电磁 转矩称为同步转矩。 在同步电动机正常稳定运行时， 它的转速与负载的大小无关， 始终保持同步速。 负载越大， 电磁转矩越大， 功率角越大， 电动机输出功率越大， 同时，电动机从电网输入的电功率也就越大。 当电动机的负载转矩保持不变时，从电网输入的电枢电流中，有功电流分量 基本上是不变的， 而无功电流分量的大小以及电动机的功率因数则与励磁电流的 大小有关。当功率因数等于 1 时，无功电流分量为 0，电枢电流最小，这时的励 磁电流称为正常励磁；当功率因数小于 1 时，无功电流分量大于 0 电枢电流大于 正常励磁时电枢电流。这时的励磁电流可能大于正常励磁电流，称之为过励；也 可能小于正常励磁电流，称之为欠励。因此，调节励磁电流便可以调节同步电动 机的功率因数，过励时功率因数超前，欠励时功率因数滞后，这时一个优点。2.2 同步电动机的励磁方式获得励磁电流的方法不同就构成了不同的励磁方式。提供同步电动机励磁 的电源装置被成为励磁系统。为了确保同步电动机的可靠运行，励磁系统要符合 一定的要求。同步电机目前采用的励磁方式大致分为两大类：3&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征直流发电机励磁系统静止整流器励磁系统一种励磁方式是直流发电机励磁系统，此时称直流发电机为直流励磁机。调 节它的励磁电流，就可以改变同步电动机的励磁电压，从而可以调节它的励磁电 流。此系统中励磁调节器的作用是为了对励磁电流进行调节，保证它能够稳定在 给定的一定值上。改变励磁给定值，也就改变了励磁电流的大小。但是这种励磁 系统有一定的缺陷，它的维护工作量比较大，工作时的可靠性也不好，故目前很 少使用。 另一种是目前被广泛使用的静止整流器励磁系统。 它的主电路通常使用三相 全控桥式整流电路，给同步电动机的励磁绕组供电。电动机在正常运行时，使用 的控制方式是恒流励磁， 从而电网电压的波动和绕组温度等因素不会影响到励磁 电流，恒流励磁还可以从零值到额定值任意给定，方便的对电动机的功率因数进 行调节。这种系统适用于重载或轻载、全压或降压启动。在转差率为 0.5 时自动 投励，而且还设有按时间后备投励环节。投励时该系统会输出最大整流电压强迫 励磁，使电动机快速牵入同步。停机时，三相全控桥式整流电路会以最大逆变电 压快速灭磁，从而确保系统的安全。旋转整流器励磁系统4&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特性对于大型同步电动机或在特定环境中工作的同步电动机， 有刷励磁结构的缺Bδ 点是减低了电动机运行的可靠性。通常采用无刷励磁系统解决这一问题。无刷励磁系统由旋转电枢式三相同步发电机和旋转整流器构成主电路， 励磁机的旋 转电枢和同步电动机同轴连在一起， 旋转电枢发出的三相交流电经旋转硅整流器 整流后直接提供励磁电流给同步电动机的励磁绕组。因为同步电动机的励磁绕 组、 交流励磁机的电枢还有硅整流器都以同步转速旋转， 故不再需要滑环和电刷。 励磁调节器自动调节同步电动机的励磁电流。因为没有了滑环和电刷，旋转整流 器励磁系统大大提高了工作的可靠性，非常适用于防爆等有特殊要求的场所。不 过这种系统也有缺点，由于它的响应速度比较慢，电动机励磁回路的时间常数比 较大，因此它在停机时对快速灭磁有不利的影响。2.3 电枢反应空载运行时同步电动机电枢绕组中有很小的电流，相对应的电枢磁场很小， 此时电动机的气隙磁场基本上就是励磁磁动势产生的主磁场。 但是当同步电动机 加入负载以后，电枢绕组中将会有对称的三相负载电流，从而会有与转子磁极同 步旋转的电枢磁动势及相应的电枢磁场产生。这时，励磁磁动势和电枢磁动势共 同建立电动机的气隙磁场，而且主磁场将会受到电枢磁动势的影响，电枢反应就 是电枢磁动势的基波对主磁场的影响。FfBδ B0Ia N Ba 图 2.3.1Fa E05&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特性Ffφ0Id Iq Faq E0图 2.3.2FaqFadFa图 2.3.3电枢反应将会对同步电动机的运行性能产生影响， 因为电枢反应会使气隙磁 场的波形发生畸变，气隙磁场不再关于主磁极轴线对称，同时还会有增磁或者去 磁的现象发生。交（直）轴电枢反应是指电枢磁动势恰好作用在交 q（直 d）轴 上。一般而言，电枢反应不会单独作用在某一个轴上，而是两者都有。此时电枢 磁动势 Fa 可以分解为交轴分量 Faq 和直轴分量 Fad。畸变的气隙磁场波形主要 是因为交轴电枢反应，直轴电枢反应的作用是使气隙磁场产生去增磁。电枢反应 的性质（去磁、增磁、交磁）由电枢磁动势与主磁场 B0 的空间相对位置决定， 这个相对位置与励磁磁动势 E0 和电枢电流 Ia 的相位差角ψ 0 有关。 当励磁电动势和电枢电流同相位即ψ 0=0 时，电枢磁动势的轴线与转子交轴6&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征重合，故此时电枢磁动势为交轴磁动势，这时的交轴电枢反应是纯交磁性质的。 正是因为交轴电枢反应，主磁场与气隙合成磁场之间由一个空间相位角θ 。 在ψ 0≠0 的情况下，分解得到的交轴电枢反应同前面所述。而直轴分量 Fad 产生的直轴电枢反应的性质将视角ψ 0 的正、负而定。在电动机惯例下，当励磁 电动势 E0 滞后于电枢电流 Ia 时，此时的直轴电枢反应的性质时去磁；当励磁电 动势超前电枢电流 Ia 时，此时的直轴电枢反应性质是增磁。 和电动机的机电能量转换以及电磁转矩直接相关的是交轴电枢磁动势。 转子 主磁场和气隙合成磁场之间的相角差就是交轴电枢磁动势产生的交轴电枢反应 造成的，从而有电磁转矩。电枢反应会由于负载增大而变得强烈,从而 B 与 B0 之 间的相角变大，电动机产生的电磁转矩和输出的机械功率也就越大，定子绕组从 电网输入的电功率也越大。但是电动机的负载能力是有限度的，超过了这个限度 便会造成电动机过热或者由于运行不稳定而失去同步。2.4 同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性主要包括功角特性、工作特性、V 形曲线。 同步电动机的一个重要的特性便是功角特性， 因为它表示出了电机的电磁功 率 Pe 与功率角θ 之间的相互关系：Pe ?mE0U mU 2 1 1 sin ? ? ( ? )sin 2? Xd 2 Xq Xd从上式可以看出凸极同步电动机的电磁功率由两部分构成， 一部分称为基本 电磁功率（构成了电磁功率的大部分）;另一部分称为磁阻功率，它的大小与励 磁大小无关， 它是由于凸极同步电动机的直轴与交轴的磁阻不相等而引起的转矩 造成的。功角特性曲线如图所示，从中可以看出随着机械负载的增大，功率角也 相应增大，从而导致电磁功率随着增大直到平衡增大的负载功率。 电动机的电磁转矩与功率角之间的关系称为矩角特性：Te ?mE0U mU 2 1 1 sin ? ? ( ? )sin 2? X d ?1 2?1 X q X d电磁转矩的最大值极为 Temax，励磁电流的增大会使励磁电动势增大，故电 动机的最大电磁转矩也会得到提高。Temax 与额定转矩 TN 的比值称为电动机的 过载能力，Km=Temax/Tn。电动机会因为负载转矩大于最大电磁转矩产生不稳 定而失步，故电动机要有足够大的过载能力。通常情况下，轧机用电动机要达到 Km=2.5—3.0，大中型同步电动机的过载能力要在 1.5 到 2 之间。同步电动机的 一个显著优点就是增加励磁电流可以提高过载能力。7&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征Pe，Teθ图 2.4.1 功角特性曲线当电动机的电源电压、 励磁电流保持常数时， 电动机的电磁转矩、 电枢电流、 功率因数、效率等与输出功率 P2 的变化关系称为电动机的工作特性。功率因 数 η IaTeP2图 2.4.23滞后 P2图 2.4.38&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征电磁转矩 Te 与输出功率 P2 关系式为 Te ? T2 ? T0 ?P2 ? T0 同步机械角速度Ω 1 ?1是一个常值，故电磁转矩随着 P2 按正比例变化，即相互关系曲线是一条直线。 当 P2 为 0 时电枢电流是很小的空载电流 I0，电枢电流 Ia 随着输出功率 P2 的增 加而增加，曲线也近似为直线。同步电动机的功率因数随着负载的增加总是下降 的，图中示出了三种不同励磁电流时同步电动机的功率因数特性。曲线一的情况 是励磁电流比较小、空载时功率因数为 1 的特性，电枢反应的去磁作用随着负载 的增加而增大，为了维持气隙合成磁场的每极磁通量近似不变，同步电动机需要 从电网中吸收感性无功电流，这样就使的电动机的功率因数总是滞后的（欠励） 。 曲线二是增大了励磁电流，电动机半载时功率因数等于 1 时的特性，大于半载时 的功率因数滞后，小于半载时的功率因数超前。曲线三为励磁电流较大，电动机 满载时功率因数等于 1 时，此时达到满载时的功率因数总是滞后的。由此可见调 节励磁电流可以使同步电动机的功率因数为 1，甚至具有超前的功率因数，可以 利用这一优点来进行补偿电网功率因数等。 同步电动机的效率特性曲线与其它电 动机的大体上相似，输出功率为 0 是效率为 0，随着输出功率的增加效率增加， 在达到最大值（一般在 P2=0.75—0.8Pn 处）后开始逐渐下降。 V 形曲线是指电磁功率 Pe 与电源电压为常值时，电枢电流 Ia 随励磁电流 If 变化的关系。如图所示，电机的功率因数等于 1 时各曲线处在最低点，此时对应 的励磁电流称为正常励磁，这时电枢电流全部为有功电流，电机的输入功率全部 用来做功。励磁电流小于正常励磁电流时称为欠励，大于正常励磁电流时称为过 励。但是不论在欠励还是过励状态下电枢电流都会大于正常励磁时的值。功率因 数在欠励时是滞后的， 就是说电机在吸收电网中有功功率的同时还要吸收感性的 无功功率，这就会使电网的功率因数进一步变坏。相反，过励时电动机的功率因 数是超前的，即电机从电网吸收有功功率的同时也从电网吸收容性的无功功率 （也可以说是向电网发出感性的无功功率） ，这样就可以改善电网的功率因数。 但是当励磁电流减小到一定值时，就会因为 E0 的显著减小，同步电动机的过载 能力下降，电动机会出现不稳定的现象。电动机的功率因数一般设计为超前的， 这样电动机便工作在过励状态，电网的功率因数和过载能力可以得到提高。但是 这样做的缺点是此时电枢电流和励磁电流均比正常励磁时的大， 电机的效率会因 为电枢铜耗和励磁损耗的增加而降低。9&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征IaCos=1过励If图 2.4.4 V 形曲线2.5 同步电动机的基本电磁关系与电压方程式（凸极式为例）由于凸极同步电动机直轴下的气隙比交轴下的要小， 故直轴磁导将大于交轴 磁导，同样大小的电枢磁动势在交轴和直轴上所产生的磁场将会有明显的不同， 这就使得对凸极电机的分析比较困难。 为了分析凸极同步电动机，我们需要引入双反应理论。就是把电枢电流和电 枢磁动势分解为直轴和交轴两个分量， 把直轴和交轴磁动势产生的电枢反应用向 量叠加得到总的效果。从实践中可以看出，采用双反应理论分析方法在不计磁饱 和时的效果是比较准确的。 采用这种方法，在不计磁饱和时凸极同步电动机的电磁关系为：I f ? Ff ?φ 0 ? E0 I a ? I d ? Fad ?φ ad ? ? Ead ? jI d X ad I a ? I q ? Faq ?φ aq ? -E aq =jIq Xaq Ia ?φ ? ? ? E? ? jI a X ? ? j ( I d ? I q ) X ?从中得出，励磁电流 If 产生励磁磁动势 Ff 并且建立主极磁场，其中每极磁 通量用φ 0 表示，电枢绕组中的励磁电动势 E0 便是由主极磁场产生的。电枢电 流分解成了两个分量 Id 和 Iq，它们分别产生直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势 从而建立了直轴电枢磁场和交轴电枢磁场， 又在电枢绕组中分别感应直轴电枢反 应电动势和交轴电枢反应电动势。与此同时电枢电流还会产生电枢漏磁φ 0，它 将会感应出电枢漏磁电动势。考虑到电枢电阻压降便得到电压方程式：10&&&&第二章 同步电动机的运行原理及特征U ? E0 ? jI d X ad ? jI q X aq ? j ( I d ? I q ) X ? ? I a Ra ? E0 ? jI d X d ? jI q X q ? I a Ra式中 Xad 和 Xaq 分别是直轴和交轴电枢反应电抗；Xσ 是电枢反应漏电抗；Xd 和 Xq 分别表示直轴和交轴同步电抗，Xd=Xad+Xσ ，Xq=Xaq+Xσ ；Ra 是电枢 电阻。Idd轴Ia UIqE0图 2.5.1 向量图图中 E0 总是滞后于 U 一个功率角，表示同步电机处于电动机运行状态；电 枢电流超前电源电压表示电动机处于过励状态， 这时电网的功率因数由于电动机 输出感性无功电流而得到改善。 电枢电流超前于励磁电动势表明电枢反应的性质 为去磁。直轴同步电抗和交轴同步电抗时凸极同步电动机的重要参数，是凸极同 步电动机对称稳态运行时，表征电枢漏磁效应和交直轴电枢反应的两个综合参 数。在磁路不饱和的情况下 Xd 和 Xq 均为常数。由于凸极同步电动机的直轴气 隙比交轴气隙小，故直轴磁导总是大于交轴磁导，因而直轴同步电抗总是大于交 轴同步电抗。还有就是饱和效应一般只是在直轴磁路出现，使的 Xd 变小。11&&&&第三章 同步电动机变频调速控制第三章同步电动机变频调速控制3.1 同步电机坐标系统的转换在研究同步机的许多问题时，特别是当电机定子方面对称时，利用 d、q、0 坐标系统分析问题可以获得不少方便之处。但在研究另外一些问题，如研究同步 电机的不对称运行方式时，这种坐标系统就不如其他一些坐标系统方便。随着研 究的不断深入，从坐标转换或变量置换的角度来看，现在已经得到应用的坐标系 统有以下几种： 1、 坐标轴放在定子上的静止坐标系统，即 a、b、c 与α 、β 、0 及 1、2、 0 坐标系统； 2、 坐标轴放在转子上的随转子一起旋转的坐标系统，即 d、q、0 及 F、B、 0 坐标系统； 3、 坐 标 轴 在 空 间 以 同 步 转 速 旋 转 的 同 步 恒 速 坐 标 系 统 ， 即dc、qc、及Fc、Bc、坐标系统； 0 04、 坐标轴以任意给定转速旋转的纵轴及横轴（d、q）系统等，但应用不多。 这些坐标系统都有各自的优缺点，如何选择要看以下条件： 1、所需结果的准确程度及计算方法的简便等； 2、被研究问题的条件是稳定的还是瞬变的，对称的还是不对称的，恒速的 还是变速的，加速的还是震荡的。 3、解决问题时利用的工具是数值计算分析还是实验模型设备，是数字计算 机、模拟计算机还是物理模拟设备或系统。 为了便于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，本节将对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，坐标系统的转换就是变量的置换，经过变量置换后同步电机的基本方程将变 为新变量表示的具有不同形式的新的关系式。 1、α 、β 、0 坐标系统 这种系统中的转矩矩阵为：2 2 ?2 ? ?2 cos 00 cos(00 ? 120 0 ) cos(00 ? 120 0 ) ? ? ?3 3 3 3 ? ? ? 2 2 2 C ? ? ? sin 00 ? sin(00 ? 120 0 ) ? sin(00 ? 120 0 ) ? ? ?0 ? 3 ? ? 3 3 ? ? ? 1 1 ?1 ? ?1 ? ? ?3 3 3 ?3 ? ? ? 1 1 ? ? 3 3 ? ? 1 1 ? ? 3 3? ? 1 1 ? 3 3 ? ?12&&&&第三章 同步电动机变频调速控制以电流为例可以得出：i ?i 2 (ia ? b c ) 3 2 1 ib ? (ib ? ic ) 其反变换为 3 1 ic ? (ia ? ib ? ic ) 3 ia ?ia ? ia ? i0 1 ib ? ? ia ? 2 1 ic ? ? ia ? 2 3 i? ? i0 2 3 i? ? i0 2α 、β 分量与 d、q 分量之间的关系式为： 2、1、2、0 坐标系统?1 ?3 ? 在这种坐标系统中它的转换矩阵为： ? 1 C? ?3 ? ?1 ?3 ?i? ? id cos ? ? iq sin ? i? ? id sin ? ? iq cos ?1 a 3 1 2 a 3 1 31 2? a 3 ? 0 ? 1 3 1 ? 其中 a ? e j120 ? ? ? j a 2 2 3 ? ? 1 ? 3 ? ?为复数算子。以电流为例可得：1 i1 ? (ia ? aib ? a 2ic ) 3 1 i2 ? (ia ? a 2ib ? aic ) 3 1 i0 ? (ia ? ib ? ic ) 3ia ? i0 ? i1 ? i2其反变换为 ib ? i0 ? a 2i1 ? ai2ic ? i0 ? ai1 ? a 2i2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。 2 分量与α 、 分量及 d、 1、 β1 (i? ? ji? ) 2 q 分量间的关系式为： 1 i2 ? (i? ? ji? ) 2 i1 ? 1 (id ? jiq )e j? 2 1 i2 ? (i? ? ji? )e ? j? 2 i1 ?3、 dc、qc、坐标系统 0 在 此 坐 标 系 统 中 的 转 换 矩 阵 为 ：2 2 ?2 ? 0 0 ? 3 cos(t ? ? 0 ') 3 cos(t ? ? 0 '? 120 ) 3 cos(t ? ? 0 '? 120 ) ? ? ? ? ? 2 sin(t ? ? ') ? 2 sin(t ? ? '? 1200 ) ? 2 sin(t ? ? '? 1200 ) ? C? 0 0 0 ? 3 ? 3 3 ? ? 1 1 ?1 ? ?3 ? 3 3 ? ?13&&&&第三章 同步电动机变频调速控制同样的以电流为例可得：2 ?ia cos(t ? ? 0 ') ? ib cos(t ? ? 0 '? 1200 ) ? ic cos(t ? ? 0 '? 1200 ) ? ? 3? 2 iqc ? ? ?ia sin(t ? ? 0 ') ? ib sin(t ? ? 0 '? 1200 ) ? ic sin(t ? ? 0 '? 1200 ) ? ? 3? 1 i0 ? (ia ? ib ? ic ) 3 idc ?ia ? idc cos(t ? ? 0 ') ? iqc sin(t ? ? 0 ') ? i0 ib ? idc cos(t ? ? 0 '? 1200 ) ? iqc sin(t ? ? 0 '? 1200 ) ? i0 ic ? idc cos(t ? ? 0 '? 1200 ) ? iqc sin(t ? ? 0 '? 1200 ) ? i0系为：idc ? id cos ?? ? iq sin ?? iqc ? id sin ?? ? iq cos ??其反变换为：q dc、qc 分量与 d、 分量间的关4、F、B、0 坐标系统? 2 ? j? 2 ? j? 2 2 ? j? ? ae ae ? ? e 3 3 3 ? ? ? 2 j? 2 2 j? 2 j? ? ae ae 此系统中的转换矩阵为：C ? ? e ? 3 3 ? 3 ? 1 1 ?1 ? ?3 ? 3 3 ? ? ? ?iF ? iB ? 2 (ia ? aib ? a 2ic )e ? j? ? 2i1e ? j? 3 2 (ia ? a 2ib ? aic )e j? ? 2i2e j? 3ia ?以电流为例得到：1 i0 ? (ia ? ib ? ic ) 31 (iF e j? ? iB e ? j? ? 2i0 ) 2 1 2 j? (a iF e ? aiB e ? j? ? 2i0 ) 它的反变换为： ib ? 2 1 ic ? (aiF e j? ? a 2iB e ? j? ? 2i0 ) 2iF ? 1 (id ? jiq ) 2 1 ? (id ? jiq ) 2F、B 分量与 d、q 分量间的关系式为：iB5、 Fc、Bc、坐标系统 014&&&&第三章 同步电动机变频调速控制? 2 ? j ( t ?? 0 ) 2 ? j ( t ?? 0 ) 2 2 ? j ( t ?? 0 ) ? ae a e ? e ? 3 3 3 ? ? ? 2 j ( t ?? 0 ) 2 2 j ( t ?? 0 ) 2 j ( t ?? 0 ) ? a e ae 此坐标系统中的转换矩阵为： C ? ? e ? 3 3 ? 3 ? 1 1 ?1 ? ?3 ? 3 3 ? ? ? ?iFc ? 2 (ia ? aib ? a 2ic )e ? j (t ?? 0 ) ? 2i1e ? j (t ?? 0 ) 3 2 (ia ? a 2ib ? aic )e j (t ?? 0 ) ? 2i2e j (t ?? 0 ) 3以电流为例得到： iBc ?这也是一种复数变1 i0 ? (ia ? ib ? ic ) 3量，但其坐标轴线则是以同步恒速旋转的。其反变换为：1 (iFc e j (t ?? 0 ) ? iBc e ? j (t ?? 0 ) ? 2i0 ) 2 1 2 ib ? (a iFc e j (t ?? 0 ) ? aiBc e ? j (t ?? 0 ) ? 2i0 ) 2 1 ic ? (aiFc e j (t ?? 0 ) ? a 2iBc e ? j (t ?? 0 ) ? 2i0 ) 2 ia ?1 (idc ? jiqc ) 2 式为： 1 iBc ? (idc ? jiqc ) 2 iFc ?Fc、Bc 分量与 dc、qc 分量间的关系3.2 自控式同步电动机变频调速系统及硬件控制电路自控式同步电动机变频调速系统也称为无换向器电机， 它是一种新型的机电 一体化无极变速电机， 它由一台带转子磁极位置检测器 PS 的同步电动机 M 和一 套功率半导体逆变器 INV 所组成，如图 1 和 2 所示。RECREC15&&&&第三章 同步电动机变频调速控制图 3.2.1图 3.2.2无换向器电机有两种不同的系统结构形式：一种是直流无换向器电机，即自 控式同步电机交-直-交变频调速系统， 它是由电网交流电经可控整流器 REC 变成 大小可调直流，然后再由晶闸管逆变器 INV 转换成频率可调的交流，供给同步 电动机实现变频调速。另一种是交流无换向器电机即自控式同步电机交-交变频 调速系统。它是利用交-交晶闸管变频器直接把电网 50HZ 交流电转换成可变频 率的交流供给同步电动机。 所谓无换向器电机实际上就是一种通过半导体变流器把电网频率电功率变 成可变频率电功率供给同步电动机进行变频调速的系统。 它有别于一般的异步电 机变频调速或它控式同步电动机变频调速其变流器输出频率不是独立调节而是 受与电动机转子同轴安装的位置检测器的控制。每当电动机转过一对磁极式，变 流器输出交流电相应的 变化一个周期，故是一种所谓的自控式变频器，其特点 是能保证变频器的输出频率和同步电动机转速始终保持同步而不会发生失步。 电磁转矩的产生 无换向器电机的电枢绕组一般为三相，晶闸管逆变器通常采用三相桥式接 法，在小容量机组中也可用零式接法。三相半波接法的情况下，假设转子励磁所 产生的磁场 B 在电机气隙中按正弦分布，如果定子一相绕组中通以持续的直流 电流 I，则此电流和转子磁场作用所产生的转矩 T 也将随转子位置的不同按正弦 规律变化。16&&&&第三章 同步电动机变频调速控制图 3.2.3 三相半波与桥式逆变电路的转矩但在无换向器电机中，实际上每相绕组中通过的不是持续的直流而是只有 1/3 周期的方波电流，这样每相电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦曲 线上相当于 1/3 周期长的一段，这段转矩曲线的具体形状与绕组开始通电时刻的 转子相对位置有关，从中可知转子磁极轴线从某相绕组轴线转过 30 度的位置处 触发导通该相晶闸管，从产生转矩的角度看最为有利。因为在此位置下开始绕组 通电的 1/3 周期里，载流导体正好处于比较强的磁场中，所产生的转矩平均值最 大，脉动较小。从时间相位上看，晶闸管触发瞬间正好是该相感应电势交变过零 之后的 30 度相位处，习惯上将此点选作晶闸管触发相位的基准点，定为 ? 0 ? 00 。 当采用三相桥式逆变器时， 由于任何瞬间在三相绕组中 ? 0 称为空载换流超前角。 总有一相通过正向电流而另一相通过反向电流， 这两个电流分别产生转矩的情况 和上述三相半波接法时相同，只不过每一相正、负电流所产生的转矩在时间上顺 序要相差 180 度，而电动机的合成转矩是这两个转矩之和。综上所述，从电机转 矩来看，以采用三相桥式接法、? 0 ? 00 比较有利，此时电机所产生的转矩平均值 最大、脉动最小。但无换向器电机的逆变器晶闸管是利用电机反电势自然换流， 因此如果等于零则不能实现换流，目前使用最广泛的是超前 60 度运行方式。 无换向器电机的工作特性 无换向器电机的研究可以采用分析直流电机的方法，下面分析它的调速特 性：在考虑到换流重叠角的情况时，三相桥式整流电路的输出直流电压为：17&&&&第三章 同步电动机变频调速控制ED ? 2.34 Es cos(? ?μ' μ' ) cos 2 2式中 Es 为电源相电压有效值； ? 为整流触发角；μ ' 为整流桥换流重叠角。 对于电动机侧的逆变桥，其直流侧电压与电机相电压 Em 之间的关系为： μ μ ED ' ? 2.34 EM cos(? ? ) cos 2 2 式中 ? 表示逆变超前角；μ 表示逆变桥换流重叠角。 设φ 为电动机的气隙合成磁通，K 为电机结构常数，P 为电机极对数，电动 机转速为ω （rad/s）或 n（r/min） ，则电动机相电压可以写成： nP EM ? KΦ ω =2π KΦ 60 整流桥输出电压 ED 与逆变桥输入电压之间的电压关系式为：ED ' ? ED ? I d ?R式中 ? R 是包括平波电抗器电阻和晶闸管通态压降在内的直流回路等效电阻。由以上三式可知无换向器电机的转速公式为：PKΦ cos ? - ）cos （ 2 2 E ? IRa 此公式和直流电动机转速公式 n ? D 十分相似，由此可知两者有相似的调 KΦ 速方法。对于无换向器电机而言可有的调速方法有：1、改变直流电压 ED 。可通过可控整流桥触发角α 的改变来实现。 2、改变换流超前角 ? 。 3、改变励磁磁通Φ 或励磁电流 If。 通常采用的方法是改变直流电压来达到调速的目的。 图中给出的是在励磁及 换流超前角保持不变的情况下改变直流电压时的机械特性曲线。n ? 4.08 ?ED ? I d ?R??18&&&&第三章 同步电动机变频调速控制2400Ed=250v150v v3 图 3.2.4无换向器电机空载时换流超前角整定为 ? 0 ， 电机负载后由于同步电机功角θ 的影响，电机端电压的相位将会前移θ 角，这样会使负载换流超前角减小为? ? ? 0 ? ? 。另一方面由于负载电流的增大，换流重叠角μ 也将增大。由于θ 和μ角都随负载的增大而增加，在 ? 0 恒定的情况下换流剩余角 ? ? ? 0 ? ? ? ? 将随负载 增加而减小。δ 角表示的是关断晶闸管后它所承受反向电压的时间，为了保证可 靠换流，有δ 折算出的换流剩余时间 t? ? ? / ? 必须要大于晶闸管的关断时间 tq。 当负载达到一定大小， t? ? ? / ? 接近 tq 时，无换向器电机将要达到换流极限， 也就是它的最大负载能力。 无换向器电机过载能力的提高可以一方面减小换流重 叠角，另一方面尽量减小功角的影响。具体的措施有： 1、把阻尼绕组装设在转子上或者采用整铸磁极，利用它的阻尼作用减少换流电 抗，从而减小换流重叠角。 2、在磁极上装设交轴补偿绕组，使其中通过的电流和 Iq 称正比，由它产生的磁 势完全补偿交轴电枢反应，使等效交轴电抗为零，换流超前角γ 将步随负载 变化，从而提高了过载能力。 3、采用励磁电流随负载比例变化的控制方法，此时空载电势 EM 0 相应增大，整 个矢量图按比例放大，θ 角将保持不变，从而电机过载能力得到显著提高。 4、减小交轴同步电抗 Xq。因为出现功角θ 的主要原因是存在交轴电枢反应，在19&&&&第三章 同步电动机变频调速控制一定电流下，若 Xq 越小，功角也越小，γ 随负载减小的趋势变弱，因此电 机的过载能力得到提高。 无换向器电机调速系统的硬件电路图图 3.2.5图中包括电源侧的调速控制和电动机侧的四象限运行控制两部分。调速控 制部分和直流电机调速系统基本相同， 是一个由电流环和速度环组成的双闭环系 统，其中还包括有逻辑控制和零电流检测单元。逻辑控制单元用来控制电动机侧 的触发脉冲分配，实现四象限运行；零电流检测单元用来检测低速电流断续法换 流时电流是否为零。 电机侧的控制系统包括一个转子位置检测器和一个 r 脉冲分 配器，它受低速部分逻辑单元控制，根据四象限运行需要，把相应脉冲分配输送 到逆变器的各晶闸管中。3.3 同步电动机矢量变换控制及硬件控制电路同步电动机矢量变换控制的基本思想 在异步电机的矢量变换控制中， 我们选择转子全磁通矢量作为同步速旋转的 磁场定向坐标系（M-T 坐标系）的 M 轴。通过坐标变换，将三相定子电流分解 为与转子磁通同方向的等效励磁电流 iM 1 及与转子磁通方向垂直的等效转矩电流iT 1 。由于此两者相互正交，解除了彼此间的耦合关系；在同步速的 M-T 坐标系中它们是一组直流标量， 故完全可以像直流电动机那样实现对磁场和转矩的分别 控制，获得良好的调速特性。20&&&&第三章 同步电动机变频调速控制这样一种控制思想完全可以应用到同步电动机转矩的瞬时控制中。 图所示为 转场式隐极式同步电动机的空间矢量图。Ti1 It1φ m ω m ωMΦf 图 3.3.1其中电流矢量应看做为与相应磁势等效的空间矢量。 图中转子磁场电流矢量 ?? ? ?? ? ??? ? i f 建立了转子磁场磁通矢量Φ f ，电枢电流矢量 i1 建立了电枢反应磁通矢量Φ1 。?? ?? ? ? 磁化电流矢量 iM 则为电枢电流矢量 i1 和磁场电流矢量 i f 的合成矢量，而气隙有?? ? ???? ?? ? ??? ? 效磁通矢量Φ M 则为电枢反应磁通矢量Φ1 与磁场磁通矢量Φ f 的合成矢量。iM 与???? Φ M 之间也有着相应的关系。???? Φ M 作为磁场定向坐 在同步电机的矢量变换控制中，选择气隙有效磁通矢量标系 M 轴的方向，逆时针领先 90 度电角度的方向为 T 轴方向，因此电枢电流矢 ??? ?? ? iM 1 和等效转矩电流分量 iT 1 。如果控制合 量可以分解出相应的等效励磁电流分量 ?? ? ???? iM 使有效磁通Φ M 保持恒定， 成的磁化电流 那么同步电动机所产生的转矩就直接 ?? ? ? ???? ?? iT 1 成正比。由于Φ M 与 iT 1 相互垂直，调节中相互 和电枢电流中的等效转矩分量 不影响，在同步速旋转的 M-T 坐标系中又都是些直流量，因此可以和直流电机 一样灵活的进行转矩的控制和调整，这就是同步电动机矢量变换控制的基本思 想。 同步电动机矢量变换控制系统硬件图 整个控制系统的主控制指令来自速度给定信号 ? ? 。速度给定值 ? ? 与实测21&&&&第三章 同步电动机变频调速控制的转子速度 ? 相比较，其误差信号控制速度调节器 ST，使其输出为保持速度给 定所需的转矩给定值 T ? 。图 3.3.2 系统硬件图通过除以有效磁通ΦM的运算，得到电枢的等效转矩电流给定值 iT 1 。与?此同时，根据实际转速的大小，按基频一下恒磁通（恒转矩） ，基频以上弱磁通 （恒功率）的调节规律，由函数发生器给出有效磁通给定值 Φ M 。磁通调节器 根据有效磁通给定值Φ M 与由磁通运算器算出的实际有效磁通Φ M 的误差信号进 行调节，输出保持有效磁通给定值Φ M 所需的磁化电流给定值 iM 。磁极位置运 算器根据转子位置检测器检测到的磁极位置，计算并输出转子磁极相对定子绕 组的空间位置角度? ? ? ??f供坐标转换使用。电流给定值运算器如图所示：图 3.3.3 电流给定值运算器22&&&&第三章 同步电动机变频调速控制产生有效磁通Φ M 的合成磁化电流 iM 、 磁场电流 i f 以及电枢电流的等效励磁电 流分量 iM 1 之间的关系为： iM ? i f cos? ? iM 1 因而为维持有效磁通恒定，电枢电流的等效励磁电流分量给定值应为：? iM1? ? i f c o ? ? iM s此外，速度给定通过速度调节器 ST 以及除以有效磁通 Φ M 的运算，可以得 到电枢电流的等效转矩电流分量给定值 iT 1? 。这样，通过矢量的旋转变换 VR4 以及 2φ /3φ 变换， 就可以获得三相电枢电流的给定值 ia1? ib1? ic1? ， 其运算过程为：ia1? ? i? 1?i? 1? ? iM 1? cos ? 0 ? iT 1? sin ? 0 i? ?1?i? M1sin ? 0 ? i? T1cos ? 0以及1 ib1? ? ? i? 1? ? 2 1 ic1? ? ? i? 1? ? 23 ? i? 1 2 3 ? i? 1 2而供给磁场绕组的电流 i f 可以写成： i f ? (iM ? iM 1 )2 ? iT 12 由于 iM 1 为电枢电流中产生有效磁通Φ M 的等效励磁电流分量，故是一个无功电 流。如果需要保持同步电动机的功率因数为 1，则应使该项电流为零，此时磁场 绕组电流的给定值应为： i f ? (iM ? ) 2 ? (iT 1? ) 2 图示给出了磁通运算器的运算框图：图 3.3.4 磁通运算器的运算框图图中实测的电枢电流 ia1 ib1 经过 3φ /2φ 变换， 变换称α -β 坐标系中的二相分i? 1 ? ia1量 i?1 i? 1 。即i? 1 ?i i 再经过矢量旋转变换 VR1，变换成转子 d-q 1 (ia1 ? 2ib1 ) ?1 ? 1 323&&&&第三章 同步电动机变频调速控制坐标系中的分量 id1 和 iq1 ：id 1 ? i? 1 cos ? f ? i? 1 sin ? f iq1 ? ?i? 1 sin ? f ? i? 1 cos ? f式中 cos? f sin ? f 是来自磁极位置运算器的输出。从 d-q 坐标系中的电枢电流分量 id1 iq1 以及磁场电流 i f ， 可以计算出 d-q 轴的 有效磁通分量Φ d Φ q 。如果不考虑磁路的非线性，则Φ d 与 (id1 ? i f ) 称正比，Φ q 与iq1 成正比，即有（图中 I/φ 变换器的运算功能）Φ d ? Gd ( ? ) ? (id 1 ? i f ) Φ q ? Gq ( ? ) ? iq1式中 Gd ( ? ) Gq (? ) 分别为与磁路工作点有关的 d、q 轴比例系数。计算出的Φ d Φ q 经过坐标旋转变换，可以得到静止α -β 坐标系中的有效磁Φ ? ? Φ d cos ? f ?Φ q sin ? f 通分量Φ ? Φ ? 。故 VR2 的运算功能为： Φ ? ? Φ d sin ? f ? Φ q cos ? f为了求得有效磁通 Φ M 的大小及相对α 轴的空间位置角 ?0 可采用 K/P 变ΦM ? Φ ? 2 +Φ ? 2 Φa ΦM Φ? ΦM换，即 cos ? 0 ?sin ? 0 ?为了计算出电枢电流中的等效励磁电流分量 iM1 ，还需要求出功率角θ ，这 可以通过矢量旋转变换 VR3 来实现。因为 ? ? ?0 ? ? f ，则cos ? ? cos ?0 ? cos ? f ? sin ?0 ? sin ? f sin ? ? sin ?0 ? cos ? f ? cos ?0 ? sin ? f24&&&&第四章 电机设计的基本理论第四章 4.1 电机设计过程和内容电机设计的基本理论1、准备阶段：首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本（或样机）和 技术资料（包括试验数据） ，并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家 标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或技术建议书。 2、电磁设计：本阶段的任务是根据技术条件或技术任务书（技术建议书）的规 定，参照生产实践经验，通过计算和方