AMESim電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫

1、Copyright LMS Imagine - 2009北航北航-LMS教研培訓(xùn)中心教研培訓(xùn)中心電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫Electric Motors and Drives (EMD)2Copyright LMS Imagine - 20092目錄目錄基礎(chǔ)理論基本物理現(xiàn)象電機(jī)基礎(chǔ)EMD 庫直流電機(jī)電池感應(yīng)電機(jī) (Parks 轉(zhuǎn)換)電機(jī)控制速度控制環(huán)磁場(chǎng)定向矢量控制電流滯環(huán)控制3Copyright LMS Imagine - 20093目錄目錄基礎(chǔ)基本物理現(xiàn)象電機(jī)基礎(chǔ)EMD 庫直流電機(jī)電池感應(yīng)電機(jī) (Parks 轉(zhuǎn)換)電機(jī)控制速度控制環(huán)磁場(chǎng)定向矢量控制電流滯環(huán)控制4Copyright LMS Imagine

2、 - 20094基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象 畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart）Biot-Savart 定律將磁場(chǎng)與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流聯(lián)系起來。沿回路流動(dòng)的電流所建立的磁通密度B為各電流源Idi作用的疊加。 楞次定律（Lenz ）:感應(yīng)電流的效果總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因。 法拉第定律（Faradays）:磁場(chǎng)中導(dǎo)線線圈的任何變化會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 30rr4l dIBddtde5Copyright LMS Imagine - 20095基礎(chǔ)基礎(chǔ): 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象 磁通密度 B (unit: T or Wb/m2)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流可以是導(dǎo)線中的宏觀電流，也可以是原子

3、中電子的微觀電流。 2個(gè)主要磁場(chǎng)源: 線圈和磁鐵 磁通量 (Unit: Wb)通過面積S的磁通量定義為: SSdSnB6Copyright LMS Imagine - 20096基礎(chǔ)基礎(chǔ): 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象 磁場(chǎng)強(qiáng)度 H (Unit: A/m)磁場(chǎng)強(qiáng)度顯示磁性材料的作用 在空隙中: 在磁性材料中: HB0HBr0 軟材料 小磁滯回路 硬材料大磁滯回路(永久磁體)7Copyright LMS Imagine - 20097基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象 洛侖茲（Lorentz）力洛侖茲（Lorentz）力描述了作用于磁場(chǎng)中的移動(dòng)電荷的力 拉普拉斯（Laplace）法則 拉普拉斯法

4、則（Laplace）描述了作用于磁場(chǎng)中的導(dǎo)線的力 BVqFBl diF8Copyright LMS Imagine - 20098基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象拉普拉斯-洛侖茲關(guān)系磁場(chǎng)和電荷的交互作用被用于機(jī)電系統(tǒng):F = Bli和 e = Blv(Laplace-Lorentz 關(guān)系)在這個(gè)例子中，我們不考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度B的實(shí)現(xiàn)和其在磁路中的意義。 F v e i Bl GY 9Copyright LMS Imagine - 20099基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 基本物理現(xiàn)象基本物理現(xiàn)象 磁場(chǎng)公式: 麥克斯韋法則（Maxwell） 安培定律（Amperes law） 法拉第定律（Faradays l

5、aw） 磁通量守恒 電流守恒00jdivBdivdtBdEtrojHtro 麥克斯韋力（Maxwell force）: 作用于運(yùn)動(dòng)部分的力: 式中 R 是電阻22 RFlHR10Copyright LMS Imagine - 200910基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 電機(jī)電機(jī) 電機(jī)基礎(chǔ) 電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。反之，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能是由發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。Electrical motor Vr Ir Is Vs T Electrical motor Vs Is Ir Vr lossmecelecPPPUIPelecmmecTP11Copyright LMS Imagine - 200911基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 電機(jī)電機(jī)

6、 電機(jī)基礎(chǔ)磁鐵磁力線繞組轉(zhuǎn)子定子磁極麥克斯韋拉普拉斯麥克斯韋力通常更大 電機(jī)中的力拉普拉斯或麥克斯韋12Copyright LMS Imagine - 200912基礎(chǔ)基礎(chǔ) : 電機(jī)電機(jī) 電機(jī)類型:Power kWVelocity rpm直流電機(jī)同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)永磁電機(jī)定子磁鐵線圈磁心轉(zhuǎn)子磁鐵-永磁電機(jī)-線圈直流電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)同步電機(jī)磁心-開關(guān)磁阻電機(jī)-13Copyright LMS Imagine - 200913目錄目錄基礎(chǔ)回顧基本物理現(xiàn)象電機(jī)基礎(chǔ)EMD 庫DC 電機(jī)電池感應(yīng)電機(jī) (Parks 轉(zhuǎn)換)電機(jī)控制速度控制環(huán)磁場(chǎng)定向矢量控制電流滯環(huán)控制14Copyr

7、ight LMS Imagine - 200914 EMD 庫: 一系列經(jīng)過驗(yàn)證的模塊用來對(duì)各種類型的電力設(shè)備建模 電源 (DC 和 AC) 和連線 R-L 節(jié)點(diǎn) Park正逆變換 理想三相逆變器 直流, 感應(yīng)和同步電機(jī) 采用數(shù)據(jù)文件的電機(jī) 電池 EMD 庫庫: 直流電機(jī)直流電機(jī)15Copyright LMS Imagine - 200915 EMD 庫庫: 直流電機(jī)直流電機(jī)庫中的模塊庫中的模塊:信號(hào)電電 (三相)機(jī)械16Copyright LMS Imagine - 200916 EMD 庫庫: 直流電機(jī)直流電機(jī)典型直流電機(jī)在電磁場(chǎng)兩極間有一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞。換向器旋轉(zhuǎn)一周改變電流方向2次。在切換

8、瞬間，慣性保持電機(jī)正確的轉(zhuǎn)向。 電機(jī)的速度與電壓成正比，轉(zhuǎn)矩與電流成正比。速度控制通過改變電壓或電流來控制。通過改變電機(jī)繞組匝數(shù)或改變供電電壓來改變電壓或電流。 優(yōu)點(diǎn): 易于設(shè)計(jì)和控制 低速大扭矩 缺點(diǎn): 需要電刷 有磨損 速度限制 噪音 電擾動(dòng)17Copyright LMS Imagine - 200917第一個(gè)例子: 直流電機(jī)定負(fù)載下啟動(dòng)IkT EMD 庫庫: 直流電機(jī)直流電機(jī)DCmotor.ameLkIRUUdtdI13模型假設(shè):無磁心飽和定磁場(chǎng)強(qiáng)度 直流電機(jī)模型18Copyright LMS Imagine - 200918第一個(gè)例子: 直流電機(jī)在定負(fù)載下啟動(dòng) EMD 庫庫: 直流電機(jī)

9、直流電機(jī)19Copyright LMS Imagine - 200919 電池模型: 內(nèi)阻模型,采用壓力源和內(nèi)部阻尼來表征電池特性。 開路電壓和內(nèi)部阻尼的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (SOC)。 不考慮熱影響。 EMD 庫庫: 電池電池20Copyright LMS Imagine - 200920第二個(gè)例子: 電池供電直流電機(jī) EMD 庫庫: 電池電池Battery.ame 正扭矩負(fù)載: 作為一個(gè)電機(jī)，電池放電 負(fù)扭矩負(fù)載: 作為一個(gè)發(fā)電機(jī)，電池充電chargedischargetorque0torque021Copyright LMS Imagine - 200921感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī): 原理原理 三相供電的

10、相位差在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)感生出電流，使轉(zhuǎn)子隨著磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度比多相供電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)慢鼠籠感應(yīng)電機(jī) (Leroy-Somer)轉(zhuǎn)子: 繞線式或鼠籠式 (最常用): 優(yōu)點(diǎn): 便宜 噪音低 壽命長(zhǎng)無干擾 缺點(diǎn): 恒速pFNs 60Ns, 同步速度 rpm, F 交流電頻率 Hz, p 極對(duì)數(shù)NsNrNsSS: 滑動(dòng)系數(shù), Nr 轉(zhuǎn)動(dòng)速度 rpm22Copyright LMS Imagine - 200922感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī): 參考框架公式參考框架公式dtdRiu 123123123123RSRSRRSSRSiiRMMRuu32132112312

11、3RRRSSSRSuuuuuuuu321321123123RRRSSSRSiiiiiiiiSSSSSSSSSSSSSslRsMsMsMslRsMsMsMslRRRRRRRRRRRRRRRslRsMsMsMslRsMsMsMslRRmSRmSRmSRmSRmSRmSRmSRmSRmSRRSSRsMsMsMsMsMsMsMsMsMMMcoscoscoscoscoscoscoscoscos211221對(duì)每個(gè)繞組:對(duì)6個(gè)相位:(s: 定子, r:轉(zhuǎn)子)電壓和磁通矢量:電阻矩陣:感應(yīng)矩陣:with:s: Laplace 算子 d/dt23Copyright LMS Imagine - 200923 Pa

12、rks 轉(zhuǎn)換的原理轉(zhuǎn)換的原理 為了簡(jiǎn)化公式, 采用 Parks 轉(zhuǎn)換: 將3繞組轉(zhuǎn)為2繞組: ABC to dq0 and dq0 to ABC 轉(zhuǎn)換:C: constant (2/3, 1 for non power invariant transform, (2/3) for power invariant transform)24Copyright LMS Imagine - 200924感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī): Parks 框架的公式框架的公式定子電壓:轉(zhuǎn)子方面 (轉(zhuǎn)子電壓為0，因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)是短路):定子磁通量公式:轉(zhuǎn)子磁通量公式:電磁轉(zhuǎn)矩:頻率間關(guān)系:動(dòng)態(tài)方程:SQSSDSDSSDdtdIR

13、VSDSSQSQSSQdtdIRVRQRRDRDRdtdIR0RDRRQRQRdtdIR0RDSRSDSSDIMILRQSRSQSSQIMILSDSRRDRRDIMILSQSRRQRRQIMILSDRQSQRDRSReIILMptRSpREttdtdJ25Copyright LMS Imagine - 200925第三個(gè)例子: 自由加速度響應(yīng)感應(yīng)電機(jī) 感應(yīng)公式: 采用 Parks 轉(zhuǎn)換 Frame fixed to the rotor:r = 0s = -p . m EMD 庫庫: 感應(yīng)電機(jī)模型感應(yīng)電機(jī)模型IMmotor.ame26Copyright LMS Imagine - 200926第

14、三個(gè)例子: 自由加速度響應(yīng)感應(yīng)電機(jī) EMD 庫庫: 感應(yīng)電機(jī)模型感應(yīng)電機(jī)模型150060rpmpFNs27Copyright LMS Imagine - 200927 EMD 庫庫: 理想三相逆變器理想三相逆變器第四個(gè)例子: 理想三相逆變器 這個(gè)例子顯示脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)這個(gè)技術(shù)是數(shù)字編碼模擬信號(hào)的方式逆變器的功能是連接供電和負(fù)荷我們希望得到理想輸入信號(hào)下（正弦）的好的近似值 28Copyright LMS Imagine - 200928 EMD 庫庫: 理想三相逆變器理想三相逆變器AMESim block主逆變模塊公式VA0VB0VC0VanVbnVcnVswitchVan = Vs

15、witch (2VA0 - VB0 - VC0)/3;Vbn = Vswitch (2VB0 - VC0 - VA0)/3;Vcn = Vswitch (2VC0 - VA0 - VB0)/3;29Copyright LMS Imagine - 200929第四個(gè)例子: 理想三相逆變器 EMD 庫庫: 理想三相逆變器理想三相逆變器 這個(gè)例子用正弦三角PWM來說明這種調(diào)制方法比較采用正弦波調(diào)制（低頻）和三角波調(diào)制（高頻）在調(diào)制與載波間的交互作用決定整流的瞬態(tài)性Tx+ and Tx- Are complementarycarrier參考電壓ge30Copyright LMS Imagine - 2

16、00930第四個(gè)例子: 理想三相逆變器 EMD 庫庫: 理想三相逆變器理想三相逆變器基于脈寬調(diào)制的模型，采用阻性，感性負(fù)載PTPinverter.ame31Copyright LMS Imagine - 200931 EMD 庫庫: 理想三相逆變器理想三相逆變器第四個(gè)例子: 理想三相逆變器32Copyright LMS Imagine - 200932目錄目錄基礎(chǔ)回顧基本物理現(xiàn)象電機(jī)基礎(chǔ)EMD 庫DC 電機(jī)電池感應(yīng)電機(jī) (Parks 轉(zhuǎn)換)電機(jī)控制速度控制環(huán)磁場(chǎng)定向矢量控制電流滯環(huán)控制33Copyright LMS Imagine - 200933電機(jī)控制電機(jī)控制: 概論概論 直流電機(jī)不受磁通

17、量和轉(zhuǎn)矩控制的約束 缺點(diǎn): 磨損, 價(jià)格, 動(dòng)力 隨著電子學(xué)的發(fā)展，直流電機(jī)被感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)所代替。 一些經(jīng)典控制方法: 轉(zhuǎn)矩控制: 通過轉(zhuǎn)矩參考進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制。電機(jī)速度工作點(diǎn)由電機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線的交叉來確定。這種控制方法用于快速和精確轉(zhuǎn)矩控制需要的場(chǎng)合。 標(biāo)量控制:通過改變變頻器的輸出頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)速度由頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩來決定。可以通過速度反饋(閉環(huán)標(biāo)量控制)來提高速度控制的精確性。 矢量控制: 測(cè)量定子和轉(zhuǎn)子的速度并把這些信息反饋到電機(jī)里的數(shù)學(xué)模塊中。電機(jī)模塊計(jì)算2個(gè)要素，分別代表轉(zhuǎn)矩和磁通量。34Copyright LMS Imagine - 200934電機(jī)控制電機(jī)控

18、制: 速度控制環(huán)速度控制環(huán) 電機(jī)/發(fā)電機(jī)的靜態(tài)能量模型及其變頻器采用數(shù)據(jù)文件來確定轉(zhuǎn)矩和能量損失。 雙向 (電機(jī)/發(fā)電機(jī)) 與具體物理結(jié)構(gòu)無關(guān)轉(zhuǎn)矩命令 對(duì)于長(zhǎng)期仿真有用35Copyright LMS Imagine - 200935 電機(jī)控制電機(jī)控制: 速度控制環(huán)速度控制環(huán)MotorSpeedControl.ame 目的: 當(dāng)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)保持速度恒定36Copyright LMS Imagine - 200936電機(jī)控制：同步電機(jī)電機(jī)控制：同步電機(jī) - 原理原理 構(gòu)造: 3相定子 (與感應(yīng)電機(jī)一樣) 轉(zhuǎn)子繞組或永久磁鐵同步運(yùn)行 (無滑移). 經(jīng)常由晶體管變頻驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng) 可以當(dāng)作交流發(fā)電機(jī)來用 有時(shí)作為牽引電機(jī) (TGV)pFNs 60Ns, 同步速度 rpm, F 交流電頻率 Hz, p 極對(duì)數(shù)37Copyright LMS