車用驅(qū)動電機原理與控制基礎(chǔ)-課件-第6章-感應電機的空間矢量描述和磁場定向控制

車用驅(qū)動電機原理與控制基礎(chǔ)第6章感應電機的空間矢量描述和磁場定向控制26.1感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工作原理6.1.1三相感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)a）鼠籠型繞組b）繞線式異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖6-1感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖感應電機的定子結(jié)構(gòu)與交流同步電機基本相同，主要差別在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子磁場的產(chǎn)生原理不同。感應電機的轉(zhuǎn)子電磁結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分，常見的繞組類型為鼠籠型和繞線型兩種。1.鼠籠型繞組鼠籠型繞組是一個自行閉合的短路繞組，它由插入每個轉(zhuǎn)子槽的導條和兩端的環(huán)形端環(huán)組成，如果去掉鐵芯，整個繞組如一個“圓形鼠籠”，如圖6-1所示，因此稱為鼠籠型繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯作為電機磁路的一部分，所用材料與定子一樣，由硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的槽，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。2.繞線型轉(zhuǎn)子繞線型轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌有絕緣導線組成的三相繞組，繞組的三個出線端接到裝在軸上的三個集電環(huán)上，通過電刷與外電路連接，如圖6-1所示，這種轉(zhuǎn)子的特點是可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外加可調(diào)電阻，以改善電動機的起動和調(diào)速性能。與鼠籠型轉(zhuǎn)子相比較，繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稍復雜，價格稍貴，在車用電驅(qū)動系統(tǒng)中基本沒有應用。36.1.2三相感應電機的工作原理和物理模型a）等效物理模型b）等效軸線圈表示圖6-2三相感應電機物理模型定子為三相對稱繞組，結(jié)構(gòu)與三相同步電機相同。同時將轉(zhuǎn)子也等效成三相對稱繞組a-x、b-y和c-z，并將其短接起來，于是就構(gòu)成了基本的三相感應電機。

46.1.2三相感應電機的工作原理和物理模型轉(zhuǎn)差角頻率和轉(zhuǎn)差率

56.1.2三相感應電機的工作原理和物理模型兩軸等效物理模型圖6-3三相感應電動機的等效2軸物理模型

66.1.3定子坐標系、轉(zhuǎn)子坐標系和磁場同步坐標系

表6-1三個坐標軸系下的電流矢量表示及變換關(guān)系76.2感應電機的矢量方程6.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈1.三相繞組自感和互感

86.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈1.三相繞組自感和互感

96.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈1.三相繞組自感和互感

106.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈2.定轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量

116.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈2.定轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量

126.2.1感應電機定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈2.定轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量

圖6-4三相感應電動機內(nèi)定、轉(zhuǎn)子電流和各磁鏈矢量136.2.2靜止軸系下的空間矢量方程1.定子電壓方程

146.2.2靜止軸系下的空間矢量方程2.轉(zhuǎn)子電壓方程

156.2.2靜止軸系下的空間矢量方程2.轉(zhuǎn)子電壓方程

166.2.2靜止軸系下的空間矢量方程2.轉(zhuǎn)子電壓方程圖6-5三相感應電機穩(wěn)態(tài)矢量圖

176.2.3任意同步旋轉(zhuǎn)DQ軸系矢量方程矢量方程

186.2.3任意同步旋轉(zhuǎn)DQ軸系矢量方程矢量方程的坐標分解

196.3轉(zhuǎn)子磁場建立過程及其定向圖6-7轉(zhuǎn)子磁場表示為氣隙磁場與轉(zhuǎn)子漏磁場的合成

206.3.1運動電動勢誘導的轉(zhuǎn)子圖6-8

轉(zhuǎn)子磁場幅值恒定時的轉(zhuǎn)子等效電流矢量a）由轉(zhuǎn)子導條電流構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁動勢矢量b）導條中運動電動勢和電流大小的空間分布

216.3.1運動電動勢誘導的轉(zhuǎn)子圖6-8

轉(zhuǎn)子磁場幅值恒定時的轉(zhuǎn)子等效電流矢量c）轉(zhuǎn)子線圈電流磁動勢矢量及其合成d）轉(zhuǎn)子t軸偽靜止線圈t226.3.2感生電動勢誘導的轉(zhuǎn)子m軸磁動勢a）轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子磁動勢

b）導條中變壓器電動勢和電流大小的空間分布圖6-9轉(zhuǎn)子磁場幅值變化時的轉(zhuǎn)子電流矢量電機在動態(tài)運行過程中，如果轉(zhuǎn)子磁場幅值發(fā)生了變化，那么在轉(zhuǎn)子各導條中會感生出變壓器電動勢。若在圖6-9a所示時刻，轉(zhuǎn)子磁場幅值正在增加，由楞次定律，各導條中的電動勢便如圖6-9a中所示。

236.4轉(zhuǎn)子磁場定向（MT軸系）矢量方程6.4.1MT軸系的定義和特征圖6-10轉(zhuǎn)子籠型繞組等效為MT軸線圈圖6-11磁場定向MT軸系

246.4.2定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程

256.4.3定、轉(zhuǎn)子電壓方程1.動態(tài)電壓方程

266.4.3定、轉(zhuǎn)子電壓方程2.穩(wěn)態(tài)電壓方程

276.4.4定、轉(zhuǎn)子電流方程1.勵磁分量

286.4.4定、轉(zhuǎn)子電流方程2.轉(zhuǎn)矩分量

296.4.4定、轉(zhuǎn)子電流方程2.轉(zhuǎn)矩分量圖6-12磁場定向后三相感應電動機磁鏈和電流矢量圖

a）

磁鏈和電流動態(tài)矢量圖；306.4.5轉(zhuǎn)矩方程用電流表達的轉(zhuǎn)矩公式

316.4.5轉(zhuǎn)矩方程用磁鏈表達的轉(zhuǎn)矩公式

326.4.5轉(zhuǎn)矩方程用坐標分量和轉(zhuǎn)差角頻率來表示的轉(zhuǎn)矩公式

336.5基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)6.5.1電壓—電流模型磁場定向是矢量控制中必不可少的。而在三相感應電機的矢量控制中，由于其轉(zhuǎn)子磁場方向不可直接通過檢測轉(zhuǎn)子位置的方式檢測，因此，感應電機較PMSM矢量控制更為復雜，需要對轉(zhuǎn)子磁場方向進行估計。感應電機轉(zhuǎn)子磁場定向是通過運算（估計）來確定轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的空間位置，通常是通過一定的運算估計出轉(zhuǎn)子磁鏈矢量，稱為磁鏈觀測法。磁鏈估計一般是根據(jù)定子電壓矢量方程或者轉(zhuǎn)子電壓矢量方程，利用可以直接檢測到的物理量，例如定子三相電壓、電流和轉(zhuǎn)速，通過必要的運算來獲得轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的幅值和相位信息。常用的轉(zhuǎn)子磁鏈估計方法主要有電壓—電流模型以及電流—轉(zhuǎn)速模型。在中、高速范圍選擇電壓—電流模型較合適，而電流—轉(zhuǎn)速模型適合于低速。也可以將兩種模型結(jié)合起來，以相互彌補高頻和低頻的不足，在中、高速時采用電壓—電流模型，在低速時采用電流—轉(zhuǎn)速模型，但模型切換應快速而平滑。346.5基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)6.5.1電壓—電流模型圖6-13電壓—電流模型

356.5基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)6.5.2電流—轉(zhuǎn)速模型

366.5基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)6.5.2電流—轉(zhuǎn)速模型圖6-14以定子電流和轉(zhuǎn)速的實測值作為輸入的MT軸系“電流—轉(zhuǎn)速”模型

376.6轉(zhuǎn)子磁場定向感應電動機控制實現(xiàn)6.6.1轉(zhuǎn)子磁場定向控制基本結(jié)構(gòu)圖6-15基于轉(zhuǎn)子磁場定向的感應電機矢量控制

386.6.2最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制

396.6.3弱磁控制圖6-16感應電機全速度范圍運行區(qū)域感應電機弱磁控制應以最大轉(zhuǎn)矩輸出為目標，考慮到電壓、電流的限制條件，對電流進行合理分配。由于受到電壓和電流的限制，在弱磁區(qū)感應電機輸出的有效轉(zhuǎn)矩減小。而在電壓和電流有限制的情況下，為了充分利用驅(qū)動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩能力，需要對電壓和電流進行最合理的利用。感應電機在整個速度范圍可以分為3個區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和恒電壓區(qū)，如圖6-16所示。當電機轉(zhuǎn)速小于弱磁基速時，由于產(chǎn)生的反電動勢小于逆變器輸出的最大電壓，電機運行僅受到電機允許通過的最大電流限制，可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩保持不變，因此，該區(qū)域稱為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。弱磁基速以上進入弱磁區(qū)，反電動勢幾乎等于逆變器輸出的最大電壓。電機運行