電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)分析與設(shè)計-第1章概述

要求、考核方式為主，能夠完成一項設(shè)計任務(wù)

仿真，用Pro

完成電路原理圖和PCB設(shè)計期末考試60%，平時成績40%，平時考勤，達(dá)不到出勤要求需重修直流電機(jī)驅(qū)動無刷直流電機(jī)驅(qū)動及其驅(qū)動控制步進(jìn)電系統(tǒng)3相交流電機(jī)驅(qū)動本課程的目的和基本內(nèi)容調(diào)速、

、數(shù)字控制、控制器的設(shè)計課程內(nèi)容控制下電機(jī)特性調(diào)制方式矢量控制三相感應(yīng)電機(jī)換流過程電機(jī)驅(qū)動中的電力電子變流器電路板設(shè)計電磁兼容基本原理、特性分析，設(shè)計的基本技能變頻器驅(qū)動器驅(qū)動器應(yīng)用電力傳動運動控制應(yīng)用民用工業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用交通軍事應(yīng)用應(yīng)用：空調(diào)空調(diào)溫度調(diào)節(jié)應(yīng)用：風(fēng)機(jī)電力消耗總量的近風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載占1/3調(diào)速節(jié)電率20%-60%應(yīng)用：風(fēng)機(jī)應(yīng)用：電梯節(jié)電提高功率因數(shù)平滑調(diào)速，提高舒適性應(yīng)用：電梯應(yīng)用：電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向高效率化（電機(jī)、電力電子、再生制動）直接驅(qū)動（直線電機(jī)）高速、高精度、高性能（每轉(zhuǎn)百萬脈沖，DSP，齒槽效應(yīng)）、集成化（通訊，控制，驅(qū)動，電機(jī)）通用化（控制方式，多種電機(jī)）智能化（ 習(xí)）網(wǎng)絡(luò)化、模塊化從故障

到

性化、多樣化小型化（20mm外徑）、大型化（500kW永磁）電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理電勵磁機(jī)械換向式直流電機(jī)永磁機(jī)械換向器直流電機(jī)異步電機(jī)電勵磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)同步磁阻永磁電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)械換向器直流電機(jī)將電勵磁機(jī)械換向式直

流電機(jī)中的電勵磁磁極

換成永磁勵磁，其他部

分結(jié)構(gòu)不變，即為永磁

機(jī)械換向器直流電機(jī)。

兩者主要差別在于后者

的永磁勵磁不能調(diào)節(jié)，

但不需要外接勵磁電源。3.感應(yīng)電機(jī)顧名思義，與同步電機(jī)不同，它的轉(zhuǎn)速與所接交流電源的頻率沒有嚴(yán)格不變的對應(yīng)關(guān)系。即轉(zhuǎn)子電動勢與電流是感應(yīng)氣隙磁場而來的。定子與同步電機(jī)類似，由鐵心和分布式電樞繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子則由閉合的分布繞組與圓柱鐵心構(gòu)成。轉(zhuǎn)子一般有兩種形式，一種是籠式轉(zhuǎn)子，一種為繞線式轉(zhuǎn)子U2U1W2V1W1

V2n14.電勵磁同步電機(jī)定子為電樞部分，由鐵心和分布式電樞繞組組成，鐵心為隱極型圓環(huán)，環(huán)內(nèi)徑上均勻分布齒槽。電樞繞組均勻分布在槽中構(gòu)成定子繞組，該定子繞組外接交流電源。轉(zhuǎn)子則為凸極鐵心，每極繞有集中式勵磁繞組，該勵磁繞組通過集電環(huán)連接直流勵磁電源。當(dāng)定子繞組通以交流電流時，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而勵磁繞組通以直流電流時，載流導(dǎo)體在氣隙磁場的作用下，產(chǎn)生電磁力矩，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。U2U1W2V1W1V25.永磁同步電機(jī)將電勵磁同步電機(jī)中的電勵磁改成永磁勵磁，勵磁為轉(zhuǎn)子，電樞為定子，電樞繞組外接交流電源，則成為永磁同步電機(jī)。該電機(jī)的永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面，稱為表面式永磁同步電機(jī)，也有將永磁體內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子里面的，稱為內(nèi)嵌

式永磁同步電機(jī)。由于永磁體的靈活安裝和使用，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)各異的永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)多樣化的特點。永磁同步電

機(jī)正得到廣泛應(yīng)用。6.同步磁阻永磁電機(jī)同步磁阻電機(jī)不同時期的結(jié)構(gòu)形式7.開關(guān)磁阻電機(jī)電機(jī)的機(jī)械特性電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性現(xiàn)通過繞組B

的兩個線圈邊BB

所受的電磁力來計算電磁轉(zhuǎn)矩。，BmA(θs)是定子繞組

A

在氣隙中建立的徑向勵磁磁場，為正弦分布。根據(jù)“Bli”觀點，對于線圖邊B，可得f

eB

N

B

iB

lr

BmA

max

sin

r式中，lr

是轉(zhuǎn)子的有效長度。勵磁磁通mA

可表示為r

r

mA

maxmA

mA

max

rπl(wèi)

D

l

B

2

B式中，

為極距，Dr

為轉(zhuǎn)子外徑，πDr

2

。30定子繞組建立的徑向勵磁磁場31有DrfeB

1

N

i

sinB

mA

B

r勵磁磁通mA

鏈過繞組A

的磁鏈

mA

為

mA

N

AmA

NBmA

M

ABiA可得AB

ABmA1N

M

i可得Dr

1

i

i

M

sinA

B

AB

rfeB線圈邊B

所受的磁場力feB

與feB

大小相等方向相反，即feB

1

iAiB

M

AB

sin

rDr可得繞組B

產(chǎn)生的電磁場轉(zhuǎn)矩reeB2t

Dr

(

f

feB

)

iA

iB

M

AB

sin1.電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子電流與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生的。電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流的有功分量乘積成正比，說明正是由于二者的相互作用才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。mB

mA

sin

rmB

B mA

A

rmB

mBe11

L(L

i

)(LLi

)

sin

t

33當(dāng)轉(zhuǎn)子電流iB

為零時，氣隙磁場僅為由定子電流iA

建立的勵磁磁場，其軸線與s

軸一致。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流iB

不為零時，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子磁場，它與勵磁磁場共同作用，產(chǎn)生了新的氣隙磁場，使原有氣隙磁場發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。換言之，是轉(zhuǎn)子磁場對氣隙磁場的影響，決定了電磁轉(zhuǎn)矩的生成和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場軸線與勵磁場軸線一致或相反(

r

0

或r

180o

)時，電磁轉(zhuǎn)矩為零?；蛘哒f，只有在轉(zhuǎn)子磁場作用下，使氣隙磁場軸線發(fā)生偏移時，才會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。如果將這種軸線偏移視為是氣隙磁場發(fā)生了“畸變”的話，那么氣隙磁場的“畸變”是轉(zhuǎn)矩生成的必要條件，也是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的必然現(xiàn)象。由于轉(zhuǎn)子磁場作用，導(dǎo)致氣隙磁場畸變，才使轉(zhuǎn)子受到電磁轉(zhuǎn)矩作用，與此同時，轉(zhuǎn)子在運動中將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電磁轉(zhuǎn)矩作用的方向為使轉(zhuǎn)子磁場軸線與勵磁電磁轉(zhuǎn)矩作用的方向為使轉(zhuǎn)子磁場軸線與勵磁磁場軸線趨向一致(

r

0

)的方向，力求減小和消除氣隙磁場的畸變。3435采用磁場觀點或者Bli

觀點來計算電磁轉(zhuǎn)矩會得到相同的結(jié)果。線圈邊B

處于定子勵磁磁場BmA中。線圈邊

B流有正電流

iB后，在其周圍會產(chǎn)生磁場，該磁場與定子勵磁磁場

BmA 的結(jié)果約如圖

b所示。與圖

a

相比，可以看出，線圈邊B

左側(cè)的磁通密度減小了，右側(cè)的磁通密度增大了。這意味著，

圈邊磁場B

的作用下，磁力線發(fā)生了彎曲，氣隙磁場發(fā)生了畸變，而磁力線總是力由圖此取產(chǎn)直生了，磁會場迫使力線fe圈B

。B對向于左線運圈動B，

會發(fā)生同樣情況。若同時計及兩個線圈邊B和B

產(chǎn)生磁場的作用，實際上就是線圈B

產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場對勵磁磁場的作用，兩者是一致的。線圈邊B

在定子勵磁磁場中a)

線圈邊B

產(chǎn)生的磁場

b)

磁場36電磁轉(zhuǎn)矩可以寫為te

mA

iB

sin

r在形式上反映了載流導(dǎo)體在磁場中會受到電磁力的作用。與由定、轉(zhuǎn)子磁場間相互作用表示的電磁轉(zhuǎn)矩，兩者在轉(zhuǎn)矩生成實質(zhì)上是一致的。下面

磁阻轉(zhuǎn)矩的生成?，F(xiàn)將圓柱形轉(zhuǎn)子改造為凸極式轉(zhuǎn)子，如下頁圖所示。此時電機(jī)氣隙不再是均勻的。當(dāng)θr

=0o

時，轉(zhuǎn)子凸極軸線d

與定子繞組軸線s

重合，此時氣隙磁導(dǎo)最大，將轉(zhuǎn)子在此位置時的定子繞組的自感定義為直軸電感Ld。37磁阻轉(zhuǎn)矩的生成a)

r

0πb)

r

2πc)

r

2πd)

r

2隨著轉(zhuǎn)子反時針方向旋轉(zhuǎn)，氣隙逐步變大，當(dāng)θr

=90o

時，轉(zhuǎn)子交軸與定子繞組軸線重合，此時氣隙磁導(dǎo)最小，將轉(zhuǎn)子在此位置時定子繞組的自感定義為交軸電感

Lq。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，定子繞組自感LA

值要在Ld

和Lq

間變化，其變化規(guī)律如右圖所示。當(dāng)θ

=0o

或180o

時，rLA

達(dá)到最大值

Ld；當(dāng)r

90

或270

時，o

oLA達(dá)到最小值

Lq。實際上，Ld和

Lq間的變化規(guī)律不是正弦的，當(dāng)僅計及其基波分量時，可認(rèn)為它隨轉(zhuǎn)子角度

θr

按正弦規(guī)律變化，即有LA

(r

)

L0

L

cos

2r220

d

q

d

q式中，L

1

(L

L

)

，L

1

(L

L

)

。定子繞組電感有一個平均值L0

和一個幅值為ΔL

的正弦變化量，其中L0與氣隙平均磁導(dǎo)相對應(yīng)(這里假定定子漏磁導(dǎo)不變)，ΔL與氣隙磁導(dǎo)的變化幅度相對應(yīng)，氣隙磁導(dǎo)的變化周期為π。38定子繞組自感的變化曲線39系統(tǒng)磁能和磁共能表示為2m

m

A

r

A21

)iW

W

L

(可得2e

A

r

d

q

A

r21

(L

L

)i2

sin

2t

Li

sin

2轉(zhuǎn)矩方向應(yīng)傾使系統(tǒng)磁共能增大的方向。此轉(zhuǎn)矩不是由于轉(zhuǎn)子繞組勵磁引起的，而是由于轉(zhuǎn)子運動使氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化引起的，將由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。相應(yīng)地將由轉(zhuǎn)子勵磁產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為勵磁轉(zhuǎn)矩。實際轉(zhuǎn)矩應(yīng)使

θr

減小。若設(shè)定順時針方向為轉(zhuǎn)矩正方向，可將電磁轉(zhuǎn)矩表示為rq

s22te

1

(Ld

L

)i

sin

240由圖可以看出：當(dāng)r

0

時，氣隙磁場的軸線沒有產(chǎn)生偏移，即氣隙磁場沒發(fā)生畸變，不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；，由于磁力線總是力圖由磁導(dǎo)最大處當(dāng)

0o

90o

時，r穿過，使氣隙磁場軸線產(chǎn)生偏移，因此產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向應(yīng)傾使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到圖

a

的位置；當(dāng)r

90o

時，雖然氣隙磁場軸線沒有偏移，不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，但是此時轉(zhuǎn)子將處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)90o

180o

時，電磁轉(zhuǎn)矩傾使轉(zhuǎn)子反時針旋轉(zhuǎn)；ro當(dāng)r

180

時，轉(zhuǎn)子凸極軸線

d

軸與

s

軸相反，此時情形與

0

時r完全相同。41可見，凸極轉(zhuǎn)子的位置變化使氣隙磁場的磁力線發(fā)生了

，而磁場的磁力線總是力圖取直，d

軸總是要靠向s

軸，以此可以判斷磁阻轉(zhuǎn)矩的作用方向。磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值取決于Ld

和Lq的差值以及定子電流iA

的平方值。各種電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)2.機(jī)械特性(1)最大轉(zhuǎn)矩每臺電機(jī)存在一個最大電磁轉(zhuǎn)矩。(2)起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩是電機(jī)最重要的參數(shù)之一。額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩即為電機(jī)在額定工況運行時的電磁轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)定與不穩(wěn)定運行區(qū)域

理論上，電機(jī)可以運行在其機(jī)械特性曲線上的任何一個點上。2.機(jī)械特性異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線電機(jī)的磁化曲線(也視為電機(jī)的空載曲線)電磁轉(zhuǎn)矩曲線與負(fù)載機(jī)械特性曲線可變電源下的電力傳動交流電 頻調(diào)速的發(fā)展主要得益于電力電子技術(shù)的引入和發(fā)展，它使得電力傳動系統(tǒng)中的電源部分發(fā)生了很大的變化。原來的恒頻恒壓電源變成了變頻變壓電源。正是由于這種變化，使得電力傳動的控制方法和運行方式發(fā)生了很大的變化。VVVF控制方法額定頻率以下的恒磁通變頻調(diào)速額定頻率以上的恒功率變頻調(diào)速額定頻率以下的恒磁通變頻調(diào)速保持Us/f1=常數(shù)

在降低頻率調(diào)速過程中，保持Us/f1為常數(shù)，也就是保持磁通Φ近似為常數(shù)。保持Es/f1=常數(shù)

降低頻率f1來調(diào)速，保持Es/f1為常數(shù)，即為精確恒磁通控制方式。U/fE/f典型恒壓頻比控制特性額定頻率以上的恒功率變頻調(diào)速額定頻率以上的恒功率變頻調(diào)速機(jī)械特性額定頻率以上的恒功率變頻調(diào)速異步電機(jī)全頻率范圍的VVVF調(diào)速特性矢量控制VVVF控制下的電流矢量圖矢量控制矢量控制下的電流矢量圖1971年，P.C.Custman,A.A.Clask申請 專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”。同年，西門子公司的F.Blaschke,W.Flotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向控制原理”1.2.2

矢量控制異步電機(jī)物理模型調(diào)制與諧波分量三相變頻器的整流和逆變部分的原理圖調(diào)制與諧波分量變頻器的輸出電壓波形圖調(diào)制與諧波分量典型的正弦原理圖調(diào)制與