車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)（第2版）課件：感應(yīng)電機(jī)的空間矢量描述和磁場定向控制

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)(第2版)

感應(yīng)電機(jī)的空間矢量描述和磁場定向控制27.1感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工作原理7.1.1三相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)a）鼠籠型繞組b）繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖7-1感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖感應(yīng)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與交流同步電機(jī)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(yīng)電機(jī)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(gè)自行閉合的短路繞組，它由插入每個(gè)轉(zhuǎn)子槽的導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)組成，如果去掉鐵芯，整個(gè)繞組如一個(gè)“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(jī)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(dǎo)線組成的三相繞組，繞組的三個(gè)出線端接到裝在軸上的三個(gè)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(diǎn)是可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外加可調(diào)電阻，以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(fù)雜，價(jià)格稍貴，在車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中基本沒有應(yīng)用。37.1.2三相感應(yīng)電機(jī)的工作原理等效物理模型定子為三相對(duì)稱繞組，結(jié)構(gòu)與三相同步電機(jī)相同。同時(shí)將轉(zhuǎn)子也等效成三相對(duì)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(yīng)電機(jī)。

圖7-2a三相感應(yīng)電機(jī)等效物理模型47.1.2三相感應(yīng)電機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)差角頻率和轉(zhuǎn)差率

57.1.3定子坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和磁場同步坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸系

表7-1三個(gè)坐標(biāo)軸系下的電流矢量表示及變換關(guān)系6磁鏈和電感7.2感應(yīng)電機(jī)的矢量方程7.2.1感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈

圖7-3感應(yīng)電機(jī)等效四線圈物理模型77.2.1感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感與磁鏈圖7-4三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)定、轉(zhuǎn)子電流和各磁鏈?zhǔn)噶?7.2.2靜止軸系下的空間矢量方程電壓方程

97.2.3轉(zhuǎn)子固結(jié)abc軸系矢量方程電壓方程

107.2.4任意磁場同步旋轉(zhuǎn)MT軸系矢量方程MT軸系坐標(biāo)分解

117.2.4任意磁場同步旋轉(zhuǎn)MT軸系矢量方程MT坐標(biāo)系下磁鏈和電壓方程

127.2.4任意磁場同步旋轉(zhuǎn)MT軸系矢量方程電壓方程

137.2.4任意磁場同步旋轉(zhuǎn)MT軸系矢量方程電壓方程MT軸分解

147.2.4任意磁場同步旋轉(zhuǎn)MT軸系矢量方程圖7-5三相感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)矢量圖157.3轉(zhuǎn)子磁場建立過程及其定向轉(zhuǎn)子磁場定向圖7-6轉(zhuǎn)子磁場表示為氣隙磁場與轉(zhuǎn)子漏磁場的合成

167.3.1動(dòng)生電動(dòng)勢誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)子t軸磁動(dòng)勢圖7-7

轉(zhuǎn)子磁場幅值恒定時(shí)的轉(zhuǎn)子等效電流矢量b）導(dǎo)條中運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢和電流大小的空間分布

a）由轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢矢量17圖7-8

轉(zhuǎn)子磁場幅值恒定時(shí)的轉(zhuǎn)子等效電流矢量a）轉(zhuǎn)子線圈電流磁動(dòng)勢矢量及其合成b）t軸等效勵(lì)磁電流

7.3.1動(dòng)生電動(dòng)勢誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)子t軸磁動(dòng)勢187.3.2感生電動(dòng)勢誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)子m軸磁動(dòng)勢a）轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢

b）導(dǎo)條中變壓器電動(dòng)勢和電流大小的空間分布圖7-9轉(zhuǎn)子磁場幅值變化時(shí)的轉(zhuǎn)子電流矢量電機(jī)在動(dòng)態(tài)運(yùn)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(dǎo)條中會(huì)感生出變壓器電動(dòng)勢。若在圖7-9a所示時(shí)刻，轉(zhuǎn)子磁場幅值正在增加，由楞次定律，各導(dǎo)條中的電動(dòng)勢便如圖7-9a中所示。

197.3.3轉(zhuǎn)子磁場定向軸系的定義和特征轉(zhuǎn)子磁場的建立圖7-11轉(zhuǎn)子籠型繞組等效為MT軸線圈圖7-12磁場定向MT軸系

207.3.4定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程

217.3.5定、轉(zhuǎn)子電壓方程

22勵(lì)磁分量

7.3.6定、轉(zhuǎn)子電流方程23轉(zhuǎn)矩分量

7.3.6定、轉(zhuǎn)子電流方程24圖7-13磁場定向后三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁鏈和電流矢量圖

a）

磁鏈和電流動(dòng)態(tài)矢量圖7.3.6定、轉(zhuǎn)子電流方程257.3.7轉(zhuǎn)矩方程

26

7.3.7轉(zhuǎn)矩方程277.3.7轉(zhuǎn)矩方程

287.4基于電流相平面的矢量控制原理7.4.1電流相平面的控制約束條件

297.4.1電流相平面的控制約束條件

307.4.1電流相平面的控制約束條件

圖7-18感應(yīng)電機(jī)控制約束及規(guī)律圖示317.4.1電流相平面的控制約束條件

32圖7-19感應(yīng)電機(jī)全速度范圍運(yùn)行區(qū)域感應(yīng)電機(jī)弱磁控制應(yīng)以最大轉(zhuǎn)矩輸出為目標(biāo)，考慮到電壓、電流的限制條件，對(duì)電流進(jìn)行合理分配。由于受到電壓和電流的限制，在弱磁區(qū)感應(yīng)電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩能力，需要對(duì)電壓和電流進(jìn)行最合理的利用。感應(yīng)電機(jī)在整個(gè)速度范圍可以分為3個(gè)區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和恒電壓區(qū)，如圖7-19所示。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于弱磁基速時(shí)，由于產(chǎn)生的反電動(dòng)勢小于逆變器輸出的最大電壓，電機(jī)運(yùn)行僅受到電機(jī)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(jìn)入弱磁區(qū)，反電動(dòng)勢幾乎等于逆變器輸出的最大電壓。電機(jī)運(yùn)行要同時(shí)受到最大電流和最大電壓的限制，但輸出功率恒定，因此稱為恒功率區(qū)；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，電流由于最大轉(zhuǎn)差率的限制不