直流電機(jī)原理與控制方法

電機(jī)簡(jiǎn)要學(xué)習(xí)手冊(cè)2015-2-3.1發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本占據(jù)了電機(jī)控制領(lǐng)域的整座江山。但隨著交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，如軋鋼機(jī)、電力牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械，龍門刨床等等，所以對(duì)直流電機(jī)的了解和研究仍然意義重大。'..22.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖，是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，電樞繞組通過換向器流過直流電流與定子繞組磁場(chǎng)發(fā)生作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子按照勵(lì)磁可分為直勵(lì)，他一個(gè)偏角，稱為電樞反應(yīng)，通常加補(bǔ)償繞組使磁通畸變得以修正。2.2直流電機(jī)工作原理電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，'..示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。第電磁感應(yīng)產(chǎn)生直流電流。如下圖，比較清晰的說明了直流電動(dòng)機(jī)的原理。3關(guān)系。我們可以得到直流電機(jī)的四個(gè)基本方程：'..U=E+I*R………………(1)電樞繞組端電壓等于反電動(dòng)勢(shì)+內(nèi)阻電流壓降E=Ce*n…………………(2)反電動(dòng)勢(shì)=與電機(jī)相關(guān)的常數(shù)*轉(zhuǎn)速T=Ct*I…………………(3)轉(zhuǎn)矩=與電機(jī)相關(guān)的常數(shù)*電流Tm-TL-T0=J*dw/dt……(4)動(dòng)力學(xué)方程3.1直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)'..3.2轉(zhuǎn)矩方程推導(dǎo)I2aiT由，paaa22TpTpIKI22aaa2aTaTKI重要結(jié)論：TaemKT2a有TCI，CK＝常數(shù)emTaTT〖有量綱：[Wb]〗與'..公式T*Ω=Pm=Ea*Ia正好驗(yàn)證了反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電磁能全部轉(zhuǎn)化成總的機(jī)械能。其中，T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55(單位：W)3.3能量關(guān)系電源輸入的電能磁場(chǎng)中能量的增加輸出的機(jī)械能減去加上加上電阻中能量損耗鐵芯中損耗的能量通風(fēng),摩擦損耗的能PUIUIUIPUI1faaPUIPPPPPPPPP1acuaemcuaFe2cua02'..電動(dòng)機(jī)的功率流圖P2PP1PPPPFecuacuf0其中P0就是空載轉(zhuǎn)矩，基本可認(rèn)為變化不大，常當(dāng)做恒定值?，F(xiàn)在看第四個(gè)方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,兩邊同乘于Ω，用電機(jī)常用參數(shù)表示，則可得公式Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt.3.4直流電機(jī)特性曲線以電機(jī)調(diào)速范圍廣，線性度好。傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速，通常是以下幾種'..4.介紹直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。以下是基于直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：該調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是：'..該調(diào)速系統(tǒng)能抗負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)，是一種高性能的調(diào)速系統(tǒng)。'..二.1.異步電機(jī)簡(jiǎn)介1.1定子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1.22.異步電機(jī)矢量控制基本理論2.1在研究異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，還需做如下假設(shè)：'..1）忽略其在空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，且在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；3）忽略鐵心損耗；4）不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。ac三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型如圖2.1所示，轉(zhuǎn)子繞組軸線、、以角b速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子三相繞組軸線、、在空間上是固定的。以定子ABCa軸線軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子軸和定子軸之間的電角度為空間角位移變量。AA規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。BuBiaBbubiubiaaAAiciuCcuCCc圖異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，其中磁鏈仿真和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程。1）磁鏈方程LLLLLLLLLLLLLLiAALLLLiBBLi）=CLLLLCLiaLLLLLaLibLLLLbLLicc為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；，，，iiiii，，，，，b式中iABCacABC，，為各項(xiàng)繞組的全磁鏈。abc2）電壓方程三相定子繞組的電壓方程為'..duiRABCAAsduiRdBBsuiR與此相對(duì)應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為CCsduiRaaarduiRbcdbbruiRccr式中u，u，u，u，u，u為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；R，bABCacsR為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻值。r3）轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機(jī)電能力轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下，可得到轉(zhuǎn)矩方程為：TnL[(iiiiii)sin(iiiiii)sin(120)epAaBbCcAbBcCa(iiiiii)sin(120)]AcBaCb4）運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為JdwTTndtpeL式中:為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩.JL耦合關(guān)系出發(fā)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。三相兩相變換三相異步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組、，各相磁勢(shì)矢量的空間位置如圖2.2所示'..BNi3FB3AO3ACC圖根據(jù)變換前后總磁動(dòng)勢(shì)不變和變換前后總功率相等的原則,3s/2s變換用矩陣可表示為11NiNiii)2223ABC3NiN(ii)223BC111ii22NAi3iN33B02iC22根據(jù)前后變換的總功率不變，可求得匝數(shù)比為：23NN=321121223C330222)靜止兩相旋轉(zhuǎn)正交變換qNi2F1dNi2Ni2qNi2dOANi2圖從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱為2s/2r變換（其中s表示靜止，r相等原則。由圖2.3可知iiidiisiniq'..寫成矩陣形式，得iiidiqcossinCsincos2行3/2坐標(biāo)系。1）電壓方程uuuuR0000i00ssrrs0Rsssrr0id=ss000R0ir0Rrirr0rrrr2）磁鏈方程為3）轉(zhuǎn)矩方程L0L0issrrsms0L0Li=smsL0L0imrr0L0LimrrTnLiii)repmssr代替相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組，使得磁鏈和轉(zhuǎn)矩不受定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對(duì)的影響。旋轉(zhuǎn)變換將非線性變參數(shù)的異步電機(jī)磁鏈方程轉(zhuǎn)化為了線性定常的方程中來了，并沒有改變對(duì)象的非線性耦合性質(zhì)。1）電壓方程[1]'..u000iRssdsdsd1sq0R00usquid（2.18）sq=ssq1sd000Rridtrdurdird1rq000Rrqrqrqr1rd2）磁鏈方程為[1]00iLs0LLm0Li=s0m0Lm0LLir0Limr3）轉(zhuǎn)矩方程[1]TnL(iiii)epmsqrdsdrq動(dòng)。從異步電機(jī)的模型來看，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系較靜止兩相正交坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于增加了一個(gè)輸入量，提高1了系統(tǒng)控制的自由度，磁場(chǎng)定向控制就是通過選擇而實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)速度任意1為直流量，以便模擬直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。2.2轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制換也稱作矢量變換，對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制系統(tǒng)。令d簡(jiǎn)稱mt坐標(biāo)系；由于軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希虼薽rmrdr0rtrq為了保證軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還必須使m'..dd(2.23)0rqrtmt從而得到坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程ddtn2Ln=iTpJLmpJstrLrdt1LirmTTrrsmrdismdtLRLRLu2r2iimmLLTsrsmLL2s1strsmsrrrRLsdiLRLsu22iiststdtmLLrr2mstLLLs1smrsrrsmt導(dǎo)出坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度L=+i(2.25)m1Trrmt坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差定義為轉(zhuǎn)差角頻率L=i(2.26)(2.27)m1Tsrrmt可以求得坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式nLpLiTmerr分量i和轉(zhuǎn)矩分量i，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量i產(chǎn)生，而電磁r轉(zhuǎn)矩T正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積i，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩er個(gè)分量的解耦，而且降低了微分方程組的階次。2.3轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算又分為電流模型和電壓模型兩種。'..1)在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過3/2利用坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量：d1LmTiirdtdTrrsr(2.28)(2.29)rr1LmTrdtTrrsrrr也可表述為：1(()LiTTs1msrrr1)LiT1Tsmrrr在坐標(biāo)系中計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，即使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，由于電壓、電流和磁鏈均為正弦量，計(jì)算量大，程序復(fù)雜，對(duì)計(jì)算步長(zhǎng)敏感。圖2.4為坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型?！羉osi1÷srr+×isin+1s÷Ts1rr圖2）在mt坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型1dLimrTrTrsm(2.30)rLim1Tstrr三相定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換，再按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到iabcmt坐標(biāo)軸上'..的電流，，從而求得和信號(hào)，由與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相加得到定子頻率iirss信號(hào)，再經(jīng)過積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角。和第一種模型相比，這種模型1更容易收斂，計(jì)算量更小，而且也比較準(zhǔn)確。iiiLArm1iiB1mTs+srsincoscos圖2.5mt在上述討論的兩種計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都是需要實(shí)際測(cè)量的電流和轉(zhuǎn)速響轉(zhuǎn)子電阻Lm和控制系統(tǒng)的性能降低，這是電流模型的不足之處。2.3.2得到磁鏈，這樣的模型叫做電壓模型。Lr()RidtusLisLsr（2.31）mL()RidtssuLissrLsrmLrR2mLL式中：T1-rrsr'..××+L÷1+msRsL22srr××+sinL÷s1msrRssLs圖中可以看出，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)遣恍枰D(zhuǎn)速信號(hào)的，并且與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關(guān)。相對(duì)于電流模型而言，電壓模型受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響比較小，而且算法簡(jiǎn)單，大。適應(yīng)低速。實(shí)際中可以將兩者模型結(jié)合起來，在低速時(shí)采用電流模型，在中、高子磁鏈的準(zhǔn)確度。3.具體控制方案3.1×速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算×電流調(diào)節(jié)器SVPWM勵(lì)磁電流計(jì)算×電流調(diào)節(jié)器MPG'..3.2常閉節(jié)點(diǎn)逆變器12AC0ADRX62T'..進(jìn)入A/D中斷電流值讀取3/2變換否電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速估算是SVPWM輸出恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)三.1同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)同步電機(jī)即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速的電機(jī)。同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是地應(yīng)用。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。2同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理2.1工作原理n1=60f/p(即同步轉(zhuǎn)速)。其中p為極對(duì)數(shù)，f為通入三相交流電的頻率。異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子是