01现代电机控制-基础知识_图文(精)

1、第4章基础知识第2章三相必应电动机矢量控制第3章三相永磁同步电动机矢斤控制第4章三相感应电动机直接转矩控制第5章 三相永雄同步电动机宜接转矩控制第6章无速度传感器控制与智能控制81代电机痊第1章基础知识第1章基础知识1 I电雄转矩1 2盲、交流电机申磁转筠1 3罕间矢1 4矢忡制第1章基础知识1.1电磁转矩1.1.1磁场与磁能1.1.2机电能转换1.1.3电磁转矩生成1.1.4电磁转矩控制1.1.1磁场与磁能如图1-1所示,铁心上 装有两个线圏 A 和 B,匝 数分别为NA和NB 主磁路由铁心磁路和 气隙磁路串联构成.假设外加电压 5 和 %为任意波形电压，励磁 电流 N 和亦为任意波形 电流

2、.现代电机第1章基础知识1.单线励磁 先讨论仅有线 B8A 同当电流 u 流入线圈后，便会在铁心内产生磁场.根据安培环路定律，有i(1-1)式中，为磁场强度，乩为该闭合回 线包围的总电流.如图 1-2 所示，若电流正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关 系时，i便取正号，否则取负号.闭合回线可任意选取，在图 1中，取铁心断面的中心线为闭合回 线，环行方向为顺时针方向.沿着该闭合回线，铁心磁路内的/仁处处 相等，方向与积分路径一致，气隙内丹 5 亦如此。现代电机痊第1章基础知识)L图双线励陋的汝心现代电机姿于是，有砧+比 5 讥宀( (1-2)式中，幕为铁心磁路的长度，5 为气隙长度.式(1

3、 2)表明线圈 A 提供的磁动势 t；被主磁路的两段磁压降所平 衡.此时，0 相当于产生磁场的“源，类似于电路中的电动势.在铁心磁路内，磁场强度/An 产生的磁感应强度为B。=以兔二“乂比(14)式中.堆为磁导率，再为相对磁导率，血为真空磁导率.令lift電*XA* 57现代电机監制第1章基础知识电机中常用的铁磁材料的磁导率“F约是真空磁导率。的20006000 倍.空气磁导率与真空磁导率几乎相等.铁磁材料的导磁特性是非线性的，通 常将 Bm=f(Hm)关系曲 线称为磁化曲线，如图1-3 所示可以看出，当 H”；达 到一定值后，随着的增 大，增加越来越慢，这 种现象称为饱和.由于铁磁材料的磁化

4、 曲线不是一条直线， 所以舛也随值的变化而变化，图 1 3 中 同时示出了曲线舛严 f(H 心心第1章基础知识现代电机鑫ai由式(1-4),可将式(1-2)改写为=( (1 5)AFC“0若不考虑气隙5内磁场的边缘效应，气隙内磁场巴为均匀分布9式(1 5)可写为现代电机鑫SI第1章基础知识由于磁通具有连续性.显然有.九厂将式(1 6)表示为匚二血凤+仇 =血A严加 JU-7) )式中，为串联磁路的总磁阻，严+%通常，将式(1 7)称为磁路的欧姆定律，可用图 1 4 来表示._( (=3图1-4串联砒路的模拟电路图(1-6)现代亀机瘵第1章基础知识将式(1 7)表示为另一种形式，即牛+今*律+斗

5、 (l-8a) An入I An 4 丿式中，盃为铁心磁路磁导，九二二牛人为气隙磁路 KmStt导，/严音民O将式(I 加)写为机=心( (l 8b)式中，如二尹 T，如为串联磁路的总磁导，心丄.式(l-8b)为磁路欧姆定律的另一种表达形式.現代电机絵第1章基础知识式(1 7)表明，作用在磁路上的总磁动势恒等于闭合磁路内各 段磯压降之和对图 1 1 所示的磁路而言，尽管铁心磁路长度比气隙磁路长 得多，但由于跟 吩气隙磁路磁阻还是要远大于铁心磁路的 磁阻.对于这个具有气隙的串联磁路，总磁阻将取决于气隙磁路 的磁阻，磁动势大部分将降落在气隙磁路中在很多情况下，为了问题分析的简化，可将铁心磁路的磁阻

6、忽略不计，此时磁动势 f；与气隙磁路磁压降相等，即有彳人詡宀职(l-8c)图 1中，因为主磁通必认是穿过气隙后而闭合的，它提供了 气隙磁通，所以又将血A称为励磁磁通.现代电机翌和定义线圈 A 的励磁雄链为% =处 N(1 9)由式(1 7)和式(1 9),可得N：、定义线圈 A 的励磁电感为A=NX(lA 5L 吹表征了线圈 A 单位电流产生確链“z 的能力.对于图 1 1,又将称 为线圈 A的励磁电感。的大小与线圈 A 的匝数平方成正比，与串联磁 路的总磁导成正比.由于总磁导与铁心磁路的饱和程度(心值)有关， 因此 是个与励磁电流.相关的非线性参数若将铁心磁路的磁阻忽略不计gW便是个仅与气隙

7、磁导和匝数有关的常值，即有心二 N；弋.现代电机翌第1章基础知识在磁动势 L 作用下，还会产生没有穿过气隙主要经由铁心外空 气磁路而闭合的磁场，称之为漏磁场.它与线圈 A 交链，产生漏磁 链必 A，可表示为屮金=LCAA( (1 12)式中，LA为线圈 A 的漏电感.L”表征了线圈 A 单位电流产生漏磁 链 0“的能力。由于漏磁场主要分布在空气中，因此 L“近乎为常值, 且在数值上远小于*A 线圈 A 的总磯链为式中，0 从杲线圈 A 电流 lA 产生的磁场链过自身线圈的磁链，称为第1章基础知识=LJA+nA*A =LA,(IB)16于担遍名G) )“仏.CXAA-J5自感磁链現代电机翌第1章

8、基础知识定义LA=LA由式 a 29)和式(1-31)可知LAB= S =比弘仏亦即线圈 A 和 B 的互感相铮.在图 1 1 中，当电流从和方向同为正时，两者产生的励磁磁场方 向一致，因此两线圈互感为正值.若改变或“的正方向，或者改变其 中一个线圈的绕向，则两者的互感便成为负值.值得注意的是，如果AA=AB则有厶A= /-mB=3同理可得y 皿Adt(1-29)(1-31)现代电机鏗an第1章基础知识二SB+感应电动势和分别为(1-33)现代电机翌第1章基础知识(1-43)在时间 dt 内，由外部电源输入铁心线圈 A 和 B 的净电能 d 也为=(宦+警小(屮由电滋输入的净电能dW；将全部转

9、化为磁场能量的增量，即有叫=显必+(1-38)当两个找磁链由0分别增长为0A和0B时，整个电磴装豪的磯场能为W轨“B) )= J：ld肖 +J；(1 -39)式(1 39)表明，雄能也,为和仏的函数.现代电机翌ai第i章基础知识若以电流为自变量，可得磯共能M为KOB)訂;必& +J：岭小显然，磁共能是*和巾的函数.可以证明，碇能和磯共能之和为M + W；= J； iAd屮+iBdy/ + J：皿 +：皿因为磁路为线性，则有叫畝=、 +品 可得M讥二扣；+ _緘+知可兮想观d0) 当定、转子绕组轴线重合时，绕组 A 和 B 处于全耦合状态，两者间的互感MAB达到最大值，显然有“厶旦臥二厶

10、 nB 与图 1 1 所示的电磁装賈相比，在图 1 6 所示的机电装置中，磁能 IVm不仅是炸和必的函数，同时又是转角倂的函数；磯共能冗不仅为和和 f 的函数，同时还是仇的函数，即有叫二叫(必检)2?现代电机翌at第i章基础知识于是，由于磁链和转子位置变化而引起的磁能变化dw(全微分)应为dW = du/A+ du/p+ dQ叽护B绘由式(1 39).可将式(1,5)改写为AWdWm =iAdv/A+iBd% +話叫同理，由于定、转子电流和转子位置变化而引起的磁共能变化dW；表示为咛警“弩+針与式(16)相比，式(1*6町多出了第三项，它是由转子角位移引起的磋能变化. 这就第1章基础知识( (

11、M(l-46a)(全微分)可29是说，由于转子的运动引起了气隙储能变化，在磁场储能变化过程中，将部 分磯场能量转化为了机械能现代电机控第1章 基础知识设想在dt时间内转子转过一个微小的电角度dft（虚位移或实际位 移），这会引起磁能的变化，同时转子上将受到电磁转矩的作用，电磁 转矩为克服机械转矩所做的机械功d叫皿为帆心=gq根据能量守恒原理，机电系统的能量关系应为dWc=dWm +dU；eh= dW；n +ttdr这里忽略了铁心磁路的介质损耗（不计铁磁材料的涡流和磁滞损耗）。现代电机翌第1章基础知识将式(137)和(1 去。出上式(1 期),则有tedr= dWe-dWm=(iAdA+1Bdy

12、,B)- (d % + ibd % +黔叫)(1 -48)r于是，可得式（1 49）表明，当转子因微小角位移引起系统磴能变化时，转子上将受 到电磁转矩作用，电磁转矩方向应为在恒磁链下倾使系统磁能减小的 方向.这是以两绕组磁链和转角为自变量时的转矩表达式.30(1-47)输入系统的净电能磁场吸收的总磁能转变为机械 能的总能童呱0B，$）(1-49)砚代电机鏗n第1章基础知识32由式可得jdq = dwe- d%=+ iBdB)d( +1B0B- K)( (1) )将式(l-6b 他入式(“0) 则有(1-51)式(1 51)表明.当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电 磁转矩的作用，

13、转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磯共能增加的方向.应该指出，式(179)和(1 51)对线性和非线性磁路均适用，具有普遍 性.再有，式(1 49)和(1 51)中，当和 W：对久求偏导数时，令磁链或电流为常值，这只是因自变量选择带来的一种数学约束并不是对系统 实际的电磁约束.31现代电机翌第1章基础知识忽略铁心磁路磁阻，图 1 6 所示机电装置的磁场储能可表示为2W + LAB(q)iB亠扣( (1 52)对比式(1-43)和(1 52)可以看出，式(1-52)中的互感HB为转角彷的函数， 此时磁场储能将随转子位移而变化.显然，对于式(1-52),利用磁共能求取电磁转矩更容易.将式(1 点 2

14、)代入式(1-51),可得te JB疇堂一WW昭对于图 1 6 所示的转子位置，电磁转矩方向应使久减小，倾使磁共能 W；増加，因此实际转矩方向为顺时针方向.观代电机整在图 1 6 中，已设定电磁转矩*正方向为逆时针方向，在如图所 示的时刻，式(1 53)给出的转矩值为负值，说明实际转矩方向应为顺 时针方向在实际计算中，若假定人正方向与q 正方向相反，即为顺 时针方向，式(1 53)中的负号应去掉.对比图所示的电磁装置和图 1-6 所示的机电装置，可以看出， 后者的气隙磁场已作为能使电能与机械能相互转换的媒介，成为了两 者的耦合场.若转子不动， 则 0,由电源输入的净电能将全部转换为 磁场储能，

15、此时图 1-6所示的机电装置就与图所示的电磁装置相 当.若转子旋转，转子位移将会引起气隙中磁能变化，并使部分磁场 能量释放出来转换为机械能这样，通过耦合场的作用，就实现了电 能和机械能间的转换.第1章基础知识此时，绕组 A 和 B 中产生的感应电动势和勺分别为A+ LABOB= _LA字 +Adt=-(I, %+ W) j玉凹吗宀dtrdt人昭出J式(1 54)和式(1 55)中，等式右端括号内第一项和第二项是当“严常值，即绕组 A 和 B 相对静止时，由电流变化所引起的感应电动势，称为变压器电动势：括号内第三项是因转子运动使绕组 A 和 B 相对位置发生位移变化)而引起的感应电动势,.称为运

16、动电动势“第1章基础知识(1-M)(155)现代电机鑫第1章基础知识由式(1 54)和式(1 55),可得在山时间内，由电源输入绕组A和B 的净电能为由转子旋转引起的运动电动势吸收的电能由式(1-56)0(1-57),可得dv. = dw. - dW* =均康左吐处警的( (“II代电机痊第1章基础知识由式(1 56)、式(1 57)和式(1 阴)可知，时间 d/内磁场的能量变化, 是由绕组 A 和 B 中变压器电动势从电源所吸收的全部电能加之运动电 动势从电源所吸收电能的二分之一所提供；由运动电动势吸收的另外 二分之一电能则成为转换功率，这部分功率由电能转换为了机械功率。 由此可见：)叽=-

17、g +g MF凤+皿+呗寸竣(由和心变化引起的变压器电动 势所吸收的电能由式(1-53),可得山时间内由磁场储能转换的机械能为dWg=1皿=iAiB%迪( (1-57)产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条件；产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的关键与此同时，转子在耦合场中运动将产生电磁转矩，运动电动势和 电磁转矩构成了一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分.38现代电机鏗第1章基础知识1.1.3电磁转矩生成下面讨论图 1 6 所示机电装置电磯转矩生成的实质 设定转矩正方向为顺时针方向，可将式(1 点 3)改写为1 严 4( (也 iBXLA) )sin&严许叭山吆 (

18、1-59)式(1-59)明，电磁转矩可看成是定子励磁磁场和转子磁场相互作用的 结果，转矩的大小和方向决定于两个正弦分布磁场的幅值和磁场轴线 间的相对位置当转子电流*为零时，气隙磁场仅为由定子电流抵建 立的励磁磁场，其轴线与”轴一致.当转子电流匕不为零时，产生了转 子磁场，它与励磁磁场共同作用，产生了新的气隙磁场，使原有气隙 磁场发生了变化，从而产生电磁转矩，实现了机电能量转换。换言之, 是转子磁场对气隙磯场的影响，决定了电磁转矩的生成和机电能量转 换过程.现代电机鑫ai第1章基础知识当转子磁场轴线与励磁场轴线一致或相反(q =0 或 q =180。)时，电 磁转矩为零.或者说，只有在转子雄场作

19、用下，使气隙磁场轴线发生偏 移时，才会产生电磯转矩.如果将这种釉线偏移视为超气隙磁场发生了 “崎变”的话，那么气 隙磁场的“崎变”是转矩生成的必要条件，也是机电能量转换的必然现 象.由于转子磁场作用，导致气隙磁场崎变，才使转子受到电磁转矩作 用，与此同时，转子在运动中将电能转化为机械能.电磁转矩作用的方向为使转子磁场轴线与励磁电磁转矩作用的方 向为使转子磁场釉线与励磁磁场轴线趋向一致(=0)的方向，力求减小 和消除气隙磁场的崎变.现代电机翌to第1章基础知识d-67) 40现通过绕组B的两个线圈边B-B所受的电磯力来计算电磁 转矩.如图1 7所示,(伏)是定子 绕组A在气隙中建立的径向励磁 瞪

20、场，为正弦分布.根据沽观点，对于线图边B,可得fe厂(1 60)式中，人是转子的有效长度.励磁 磁通监典可表示为0mA=二B说J/= D丄式中，r为极距，D为转子外径，nDr= 2r 39兮想遍名tAA- R入式(1-60),則有如二血丄昭励砒磁通0链过绕组A的磯链 % 为WoiA =NAmA =血仏=M/BA可得mA =TJ-MABANB将式(1 64代入式(1 62),可得CB=线圈边B所受的雄场力与：大小相等方向相反，即由式(1 65)和(1 66河得绕组B产生的电穗场转矩* 兮45覆;cM(1-62)图1-定了绕组建立的径向励场现代电机控第1章基础知识式(1 67)表明，对于图1 6所

21、示的机电装置，采用磁场观点或者加观点来计曲.代隙磁场发生了畸变.而磁力线总是力图取直.会迫使线lB向左运动.由 此产生了雄场力对于线BIIV会发生同样情况若同时计及两个线躍边B和B产生磁场的作用.实际上就是线圈B产生的转子硝场对励磁磁场的作用两者 是一致的.41現代电机姿第1章基础知识将式(1-67)改写为t.=心BsmQ(1-68)式(1-68)在形式上反映了载流导体在磁场中会受到电磁力的作用. 式(1 59)在形式上反映了电磁转矩是定、转子磁场间相互作用的结 果.两者在转矩生成实质上是一致的.下面讨论磁阻转矩的生成.在图 1 6 中，如果将转子绕组去除，由于不存在了转子磁场， 气隙磁场不会

22、发生崎变，自然就不能产生电磁转矩.现将图 1-6 中的圆柱形转子改造为凸极式转子，如图 1 9 所示. 与图 1 6 比较，此时电机气隙不再是均匀的.当外=0。时，转子凸 极轴线 d 与定子绕组轴线 s 重合，此时气隙磁导最大，将转子在此 位置时的定子绕组的自感定义算电磁转矩会得到相同的结果.在图1 7中，线 边B处于定子 励磁磁场中 . 线圈 边B潦有正电 流力后，在其周围会产生磯场，如图1-8所示，该陋场与定子励磁越场合成的结果约如图l-8b所不与图1-亦相比，可以看出，线圈 边B左侧的磁通密度M小了，右侧的 磁通密度增大了。这意味着，在线 边磁场B的作用下，陋力皴发生了弯a)b)图18找

23、边B在定子励破滋场中町b边B产生的乞场b)合戒W场8mA为直轴电感乙图I 9港阴转矩的生成k) C) = f2r2r2随着转子反时针方向旋转，气隙逐步变大，当=90-时，转子交轴与定子绕 组轴线爲合，此时气隙磁导最小.将转子在此位置时定子绕组的自感定义为交轴 电转子在旋转过程中，定子绕组自感LA值要在和可变化，其变化规 律如图1-10所示.当必0或180时，S 达到量大值么,当4=90。或2村时，H达到录小值匚实际上，人和匚间的 变化規律不是正弦的，当仅计及其基波分 債时，可认为它随转子角度e,按正弦规律 变化，即有LA(r)= Lo AL cos 20t(1 68)式中.Lo = |(Ld4

24、.Lq), ALjd屮式(1-68)表明，定子绕组电席有一个平均值厶和一个值为AL的正弦变化, 其中厶与气隙平均磁导相对应(这里假定定子漏磁导不变)，AL与气隙憊导的变化 辐度相对应.气隙砒导的变化周期为仏44现代电机翌H第1章基础知识时d)現代电机翌第1章基础知识46/上灼遍2) )#也CXAA- JA对于图 1 9 所示的机电装置，可将式(1 52)表示为Wm=W；=|LA()i；(1-69)将式(1 69)代入式(1 51).可得I. = -ALi；sm2r=-|(Ld- L4 sin 颯(1-70)转矩方向应倾使系统磯共能増大的方向.此转矩不是由于转子绕组励磁引起 的，而是由于转子运动

25、便 r 隙磁导发生变化引起的， 将由此产生的电磁转矩称 为磯阻转矩.相应地将由转子励磯产生的电砒转矩称为励磁转矩.如图 1 9 所示，式(1 70)中的仇是按转子反时针方向旋转而确定的，转矩的正方向与仇正方向相同，也为反时针方向.在图 l 9b 所示的时刻，式(1.70) 给出的转矩为负值，表示实际转矩方向为顺时针方向，实际转矩应使必减小. 若设定顺时针方向为转矩正方向，可将电磁转矩表示为te= |(Ld-Lq；Sin2r(1-71)現代电机翌第1章基础知识由图 l 9ii 可以看出：当 q =0 时，气隙磁场的轴线没有产生偏移，即气隙磁场没发生崎变, 不会产生电磁转矩；当 0。490。时，如图 l 9b 所示，由于磁力线总是力图由磁导最大 处穿过，使气隙磁场轴线产生偏移，因此产生了电磁转矩，电磁转矩的方 向应倾使转子恢复到图 l-9a 的位置,当ex= 90f时