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

車用驅動電機原理與控制基礎第6章感應電機的空間矢量描述和磁場定向控制26.1感應電機轉子結構和工作原理6.1.1三相感應電機轉子結構a）鼠籠型繞組b）繞線式異步電機轉子結構圖6-1感應電機轉子結構示意圖感應電機的定子結構與交流同步電機基本相同，主要差別在于轉子結構和轉子磁場的產生原理不同。感應電機的轉子電磁結構主要包括轉子鐵芯和轉子繞組兩部分，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，用來安置轉子繞組。2.繞線型轉子繞線型轉子的槽內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，這種轉子的特點是可以在轉子繞組中接入外加可調電阻，以改善電動機的起動和調速性能。與鼠籠型轉子相比較，繞線型轉子結構稍復雜，價格稍貴，在車用電驅動系統(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，結構與三相同步電機相同。同時將轉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差角頻率和轉差率

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系76.2感應電機的矢量方程6.2.1感應電機定轉子電感與磁鏈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感應電機定轉子電感與磁鏈2.定轉子磁鏈空間矢量

116.2.1感應電機定轉子電感與磁鏈2.定轉子磁鏈空間矢量

126.2.1感應電機定轉子電感與磁鏈2.定轉子磁鏈空間矢量

圖6-4三相感應電動機內定、轉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.轉子電壓方程

156.2.2靜止軸系下的空間矢量方程2.轉子電壓方程

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

176.2.3任意同步旋轉DQ軸系矢量方程矢量方程

186.2.3任意同步旋轉DQ軸系矢量方程矢量方程的坐標分解

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

206.3.1運動電動勢誘導的轉子圖6-8

轉子磁場幅值恒定時的轉子等效電流矢量a）由轉子導條電流構成的轉子磁動勢矢量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子圖6-8

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

b）導條中變壓器電動勢和電流大小的空間分布圖6-9轉子磁場幅值變化時的轉子電流矢量電機在動態(tài)運行過程中，如果轉子磁場幅值發(fā)生了變化，那么在轉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、轉子磁鏈方程

256.4.3定、轉子電壓方程1.動態(tài)電壓方程

266.4.3定、轉子電壓方程2.穩(wěn)態(tài)電壓方程

276.4.4定、轉子電流方程1.勵磁分量

286.4.4定、轉子電流方程2.轉矩分量

296.4.4定、轉子電流方程2.轉矩分量圖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轉矩方程用電流表達的轉矩公式

316.4.5轉矩方程用磁鏈表達的轉矩公式

326.4.5轉矩方程用坐標分量和轉差角頻率來表示的轉矩公式

336.5基于轉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，由于其轉子磁場方向不可直接通過檢測轉子位置的方式檢測，因此，感應電機較PMSM矢量控制更為復雜，需要對轉子磁場方向進行估計。感應電機轉子磁場定向是通過運算（估計）來確定轉子磁鏈矢量的空間位置，通常是通過一定的運算估計出轉子磁鏈矢量，稱為磁鏈觀測法。磁鏈估計一般是根據定子電壓矢量方程或者轉子電壓矢量方程，利用可以直接檢測到的物理量，例如定子三相電壓、電流和轉速，通過必要的運算來獲得轉子磁鏈矢量的幅值和相位信息。常用的轉子磁鏈估計方法主要有電壓—電流模型以及電流—轉速模型。在中、高速范圍選擇電壓—電流模型較合適，而電流—轉速模型適合于低速。也可以將兩種模型結合起來，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—轉速模型，但模型切換應快速而平滑。346.5基于轉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基于轉子磁場定向矢量控制系統(tǒng)6.5.2電流—轉速模型

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

376.6轉子磁場定向感應電動機控制實現6.6.1轉子磁場定向控制基本結構圖6-15基于轉子磁場定向的感應電機矢量控制

386.6.2最大轉矩/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矩減小。而在電壓和電流有限制的情況下，為了充分利用驅動系統(tǒng)的最大轉矩能力，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：恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)和恒電壓區(qū)，如圖6-16所示。當電機轉速小于弱磁基速時，由于產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，可以輸出的最大轉矩保持不變，因此，該區(qū)域稱為恒轉矩區(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