永磁同步电机无位置传感器矢量控制课件

1、永磁同步电机无位置传感器矢量控制永磁同步电机无位置传感器矢量控制PART 01PART 02PART 03PART 04PART 05背景与意义永磁同步电机矢量控制系统控制器设计基于自适应二阶滑模观测器的中高速段无传感器矢量控制基于脉振高频方波信号注入法的低速段无传感器矢量控制结论及展望目录CONTENTSPART 01PART 02PART 03PART 01PART ONE背景与意义01PART ONE背景与意义01研究背景01研究背景01研究背景 电机类型比较项目直流电机异步电机开关磁阻 电机永磁同步电机功率密度（kW/kg）差好好很好转矩稳定性能低速好好一般很好高速好很好一般很好可靠性

2、差很好很好好NVH（振动噪声舒适性）一般很好一般很好运行效率差好好很好高效率（85%）运行区所占比例高高很高不同类型电机特点比较部分新能源汽车驱动电机类型列表国家车型类型电机类型日本丰田Pruis混合动力汽车永磁同步电机本田Insight混合动力汽车永磁同步电机本田思域混合动力汽车永磁同步电机日产聆风纯电动永磁同步电机美国特斯拉models纯电动异步感应电机雪佛兰Volt纯电动永磁同步电机德国宝马i3混合动力汽车永磁同步电机大众e-up纯电动永磁同步电机01研究背景 电机类型直流电机异步电机开关磁阻01研究意义性能不稳定机械位置传感器在实际应用中存在的问题同心度问题成本较高降低可靠性无位置传感

3、器控制技术 位置传感器 定子绕组转子磁铁01研究意义性能不稳定机械位置传感器在实际应用中存在的问题同01研究现状无位置传感器控制中高速段基波数学模型法低速（零速）段高频信号注入法在两相静止坐标轴下，SPMSM的电流状态方程：在两相静止坐标轴下，PMSM的电压方程：方法特点旋转高频注入法适用于凸极率较大的PMSM（结构性凸极）对电机参数摄动不敏感、抗扰动能力强脉振高频注入法适用于凸极率较小PMSM（饱和性凸极）注入的高频信号为正弦信号，需要使用多个滤波器来实现信号分离。方法特点滑模观测器法优点：算法简单、鲁棒性好；缺点：存在滑模抖振。模型参考自适应法优点：抗扰能力强；缺点：对模型参数的准确度依赖

4、较大。扩展卡尔曼滤波法优点：能够抑制测量噪声和系统噪声；缺点：计算量大、复杂度高。估计的参数中存在高频噪声，必须使用滤波器。01研究现状无位置传感器控制中高速段基波数学模型法低速（PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器主要工作改进了转速环控制器和电流环控制器，提高了系统抗扰动能力。无位置传感器控制01在低速段，研究了两种基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法。创新点：采用方波信号注入，实现了无滤波器信号分离，提高了转子位置估计精度。在中高速段，研究了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法。创新点：有效抑制了滑模抖振，避免了滤波器的使用，提高了转子位

5、置估计精度。针对全速范围内的无位置传感器控制，研究了一种复合控制算法。PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器主要工作改进了转02PART TWO永磁同步电机矢量控制系统控制器设计02PART TWO永磁同步电机矢量控制系统控制器设计02PMSM基于PI调节器的矢量控制系统PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器没有摆脱对电机模型和参数的依赖，当扰动过大时，其无法满足调速要求。仅实现了静态解耦，并没有消除动态耦合关系。耦合项02PMSM基于PI调节器的矢量控制系统PMSM矢量控制框图02电流环控制器设计为了观察电机d-q轴电流的耦合影响，进行了仿真分析。图所示的工况为初始转速为零，在0

6、.2s 时刻转速阶跃给定为0-300rad/s，在0.4s时刻给定 300-600 rad/s 的转速阶跃，在0.6s时刻给定600-900 rad/s转速阶跃。转速阶跃给定时dq 轴电流瞬态波形随着转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越长。02电流环控制器设计为了观察电机d-q轴电流的耦合影响，进行02电流环控制器设计内模控制框图内模等效控制框图其中： 为内模控制器， 为控制系统的输入给定， 为控制系统的输出， 为被控对象，其等效控制器为：为内模模型。内模控制器可以设计为：电流环等效控制器为：反对角线积分项对交叉耦合项起到了补偿作用。未解耦的dq 轴电流波形解耦后的dq 轴电流波形结论：

7、表明q轴上的电流波动对d轴电流无影响，实现了dq轴电流的 解耦。02电流环控制器设计内模控制框图内模等效控制框图其中： 02仿真对比研究电机恒转矩运行，转速突变。基于传统PI调节器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高达+23Nm波动幅度为+19Nm结论：表明本文所设计的复合控制器在转速突变时能够实现高性能的矢量控制。02仿真对比研究电机恒转矩运行，转速突变。基于传统PI调节器02仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。 基于传统PI调节器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高达-80rad/s给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5 Nm，t=0.2s时提

8、高到15 Nm，t=0.4s时降低到10 Nm。波动幅度只有-10rad/s结论：表明本文所设计的复合控制器抗扰动能力强，稳速效果好。02仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。 基于传统PI03PART THREE基于自适应二阶滑模观测器的中高速段无传感器矢量控制03PART THREE基于自适应二阶滑模观测器的中高速段观测器结构框图自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测器03自适应二阶滑模观测器设计建立定子电流状态估计方程：其中：符号“ ”代表估计值，“”代表误差值 。电机的电流状态方程：观测器结构框图自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测器03自适应二03自适应二阶滑模观测器设计根据电流误差状态方

9、程建立二阶滑模观测器方程：选择 滑模超平面。用等效控制法来获得 ：收敛时其中：03自适应二阶滑模观测器设计根据电流误差状态方程建立二阶滑模其中： ， ， 。03自适应二阶滑模观测器设计采用模型参考自适应法估计反电动势：参考模型可调模型采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：选取李亚普诺夫函数如下:若 ，则系统稳定。修正其中： ， 03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转速估计到的转速中不含高频噪声03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图反电动势估计到的反电

10、动势中不含高频噪声03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转子位置估计到的转子位置角中不含高频噪声结论：本文提出的转子位置检测方法有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波03仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。 实际转子角速度与估计转子角速度实际转子位置角与估计转子位置角负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图结论：在负载突变时，本文提出的观测器也能准确地估计出电机的转速和位置。03仿真对比研究b)电机恒转速运

11、行，负载突变。 实际转子角速04PART FOUR基于脉振高频方波信号注入法的低速段无传感器矢量控制04PART FOUR基于脉振高频方波信号注入法的低速段04传统脉振高频正弦电压信号注入法实际同步旋转坐标系与估计同步旋转坐标系示意图传统脉振高频信号注入法原理框图向 轴注入如下电压信号：会限制电流控制器的带宽，降低双闭环矢量控制系统的动态响应性能。对位置跟踪观测器造成时间延迟，使得估计出的转子位置存在滞后现象。04传统脉振高频正弦电压信号注入法实际同步旋转坐标系与估计同04无滤波器信号分离策略信号分离过程框图幅值相等、符号相反基波分量高频分量保持不变改进后的信号处理过程框图04无滤波器信号分离

12、策略信号分离过程框图幅值相等、符号相反基04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果稳态时，估计出的转速较为平滑04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果估计到的转子位置存在明显滞后结论：所提出的基于无滤波器信号分离策略的方波信号注入法所估计出的转子位置基本不存在滞后现象，转子位置估计精度较高。04仿真对比研

13、究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注04电机无位置传感器全速范围运行复合观测器结构框图加权控制函数转子角速度转子位置角所设计的复合观测器实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适应二阶滑模观测器法之间的平滑切换切换，估计的转速输出平滑。04电机无位置传感器全速范围运行复合观测器结构框图加权控制函05PART FIVE结论及展望05PART FIVE结论及展望05结论改进了转速控制器和电流控制器，提高了系统的抗扰动能力，改善了系统的动态响应性能，为无位置传感器控制奠定了坚实的基础。在无位置传感器运行的中高速阶段，提出了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法，避

14、免了低通滤波环节的使用，有效地抑制了滑模抖振，提高了转子位置观测精度。在无位置传感器运行的低速阶段，提出了基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法，简化了信号处理过程，避免了滤波环节的使用，提高了转子位置的估计精度。研究了一种复合控制算法，实现了脉振高频方波电压注入法与自适应二阶滑模观测器法的有效融合。05结论改进了转速控制器和电流控制器，提高了系统的抗扰动能力05展望应加入参数辨识理论对电机永磁磁链进行实时估计，为控制器的设计提供较为准确的被控对象参数。需对方波电压信号的频率和幅值进行量化分析，以确定出方波电压信号的最佳幅值和频率。针对脉振高频方波电压注入法应加入转子磁极极性辨识技术

15、，以保证电机能顺利起动。同时应加入逆变器死区效应补偿方案，以进一步提高转子位置估计精度。05展望应加入参数辨识理论对电机永磁磁链进行实时估计，为控制B-Chap04-氮族元素资料B-Chap04-氮族元素资料元素N，NitrogenP，PhosphorusAs，ArsenicSb，AntimonyBi，Bismuth本族元素可形成富电子化合物本族元素存在丰富的可变氧化数，氧化还原化学非常丰富Bi是最后一个存在稳定同位素的元素元素N，Nitrogen本族元素可形成富电子化合物4.1 N及其化合物4.1 N及其化合物概述：N的成键特征N的电子排布2s22p3，可形成离子键：N3-3(+1)，sp3

16、杂化：NH3，各种氨配合物2+1，sp2杂化：HO-N=O、NO2-3+1，sp2杂化：HNO32+2，sp杂化：N2O、NO2+、N3-1+2，sp杂化：N2、HCN、NO+概述：N的成键特征N的电子排布2s22p3，可形成N是氧化态变化最多的元素之一氧化态实例氧化态实例-3NH3+1N2O-2N2H4+2NO-1NH2OH+3HNO3-1/3HN3+4NO20N2+5HNO3N是氧化态变化最多的元素之一氧化态实例氧化态实例-3NH3+4.1.1 N2分子基本性质、结构（略）N2的化学反应N2反应性极弱，只在高温下才发生少量化学反应某些生物体具有独特固氮功能，是生物化学中值得研究的课题4.1

17、.1 N2分子基本性质、结构（略）一些关于N2反应的事实碱金属中只有Li与N2直接反应N2不与F2、Cl2、Br2、I2、S等活泼非金属单质直接化合，但反而能与活泼性较低的Si、B单质化合N2与O2反应只有在高温下才有一定程度进行（K1），或者通过放电方式进行N2与H2的反应是工业上最重要反应之一一些关于N2反应的事实碱金属中只有Li与N2直接反应N2离子型氮化物 共价型巨分子氮化物 NH3NOLi、Mg、Ca、SrBa、Sc、Mn B、Si、Al，高温 H2，催化剂加热加压 O2，放电 间充型氮化物 Ti、V等活泼过渡金属 N2的化学反应N2离子型氮化物 共价型巨分子氮化物 NH3NOLi、

18、Mg、N2的制备工业方法：空气分馏将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组份蒸发温度的不同将其分离可制备N2、O2、稀有气体O2，90.18K Ar，87.45K N2，77.35K 100kPa下的沸点 N2的制备工业方法：空气分馏O2，90.18K Ar，87.研制中的氮-氧膜分离器研制中的氮-氧膜分离器N2的制备实验室方法NH4+ + NO2- = N2 + 2H2O重铬酸铵分解法NH3氧化法NH3 + Br2NH3 + CuON2的制备实验室方法4.1.2 N的氢化物N可形成多种氢化物NH3N2H4NH2OHHN3名称氨联氨、肼羟胺、胲氢叠氮酸熔点/oC-781.432-80沸点/oC-3

19、3113.6分解37偶极矩/D1.471.75-4.1.2 N的氢化物N可形成多种氢化物NH3N2H4NH2NH3NH3是合成其他含氮化合物的基础N2NH3固氮Mg + N2 Mg2N3 NH3Haber法（1913）1918年诺贝尔化学奖实验室制法NH4+ + OH- NH3NH3是合成其他含氮化合物的基础NH3的结构和性质NH3的结构和物理性质（略）NH3的化学性质极性溶剂自偶电离与碱金属的反应配位反应取代反应氧化反应NH3的结构和性质NH3的结构和物理性质（略）NH3的配位反应（加合反应）NH3有孤对电子，为Lewis碱，能与其他分子或离子形成配合物与Cu2+、Zn2+、Ag+等VIBI

20、IB金属离子形成氨配离子与质子酸形成NH4+与缺电子化合物BF3等Lewis酸结合与水以氢键结合：H3NHOHNH3的配位反应（加合反应）NH3有孤对电子，为Lewis碱NH3的取代反应NH3分子中H被其他原子或原子团取代NH3与活泼金属反应NH3与Cl2（过量）反应氨解反应COCl2 + 4NH3 = CO(NH2)2 + 2NH4Cl对比：COCl2 + 4H2O = CO(OH)2 + 2HClNH3的取代反应NH3分子中H被其他原子或原子团取代氨解反应的微观过程O|CClCl:NH3C+O-ClClNHHHO|CClNH2O|CH2NNH2氨解反应的微观过程O|CClCl:NH3C+O

21、-ClCNH3的氧化反应NH3作为还原剂，不同条件下产物不同NH3与O2反应直接燃烧，生成N2（黄色火焰）催化氧化，生成NONH3与Cl2反应Cl2过量：（取代反应）生成NCl3Cl2不足：生成N2NH3的氧化反应NH3作为还原剂，不同条件下产物不同NH4+，铵盐NH4+半径接近K+、Rb+，具有很多类碱金属盐的性质（无色、易溶、复盐、晶格结构等）NH4+稳定性低，易热分解，易被氧化掌握NH4NO3的分解情况NH4+的鉴定Nessler试剂：HgI42-碱性溶液与NH4+反应得到褐色红色沉淀NH4+，铵盐NH4+半径接近K+、Rb+，具有很多类碱金属N2H4N2H4是NH3中H被氨基取代的产物

22、NH3+NH2Cl+OH-=N2H4+Cl-+H2O2NH3+ClO-=N2H4+Cl-+H2O实质上，反应第一步是NH3+ClO-=NH2Cl+OH-N2H4极性很强（大于NH3，略小于H2O）HNH和NNH NNHN2H4N2H4是NH3中H被氨基取代的产物HNH和NNN2H4化学性质N2H4具有配位性，是桥联配体而非多基配体N2H4二元碱，弱于NH3N2H4热力学不稳定N2H4具有还原性，碱性条件下还原能力很强N2H4具有氧化性，酸性环境下氧化性很强（没有实际价值）N2H4化学性质N2H4具有配位性，是桥联配体而非多基配体N2H4化学性质由于动力学原因，N2H4溶液尚能稳定存在，一般保存

23、在酸性环境，用作还原剂N2H5+，无“污染”的还原剂可用作高能燃料（火箭推进剂）N2H4(l) + 2H2O2(l) = N2(g) + 4H2O(g)，rHm=-642.24kJmol-1N2H4(l) + O2(g) = N2(g) + 2H2O(g)，rHm=-621.74kJmol-1N2H4化学性质由于动力学原因，N2H4溶液尚能稳定存在，一NH2OHNH2OH是NH3中H被羟基取代的产物NH2OH极不稳定，酸性条件下由于动力学原因存在NH2OH也具有配位性和碱性，但都弱于NH3和N2H4NH2OH具有强烈的氧化型和还原性，但由于动力学原因而作为还原剂随着氧化剂不同，产物可能是N2或

24、N2O注意：课本P505羟胺作为氧化剂E=+1.34VNH2OHNH2OH是NH3中H被羟基取代的产物注意：课本PHN3和N3-制备N2H4 + HNO2 = HN3 + 2H2ONaNO3 + NaNH2 = NaN3 + NaOH + NH3性质HN3弱酸性（HAc），稳定性很差MN3类似于MX，稳定性差（NaN3稳定性尚可）一般分解成金属+N2，CsN3微热分解生成Cs3NPb(N3)2是应用广泛的起爆剂HN3和N3-制备HN3和N3-结构:NNN:-:NNNH请注意：N3-是CO2的等电子体！ HN3和N3-结构:NNN:-:NN4.1.3 N的含氧化合物N能形成多种氧化物N2O、NO

25、、N2O3、NO2、N2O5二聚体N2O2、N2O4一些不稳定氧化物（N4O、N4O2等）N-O化物研究较为深入有机及基本化学工业用作硝化剂或氧化剂主要的大气污染源常见的配体各类N-O化物结构、性质参阅课本4.1.3 N的含氧化合物N能形成多种氧化物N的氧化物N2O是N3-和CO2的等电子体，键长接近三键NO和NO2都含有单电子，可双聚离域键均为34N2O2、N2O3和N2O4可看成两个单元耦合而成，N-N键（175218pm）显著大于单键键长（147pm），意味着化学键很脆弱N2O3中右侧N-O键长接近三键（图15-10）除N2O5外常温为气体，且为平面分子N2O5固态时以NO2+NO3-离

26、子形式存在N的氧化物N2O是N3-和CO2的等电子体，键长接近三键N的含氧酸和含氧酸盐N主要有两种含氧酸HNO2：弱酸，仅存在于溶液中HNO3：强酸，可获得纯酸强氧化性HNO2和HNO3都是强氧化剂与还原剂作用，可分别得到NO、N2O、NH3OH+、N2H5+甚至NH4+（HNO3还可得到NO2）N的含氧酸和含氧酸盐N主要有两种含氧酸N的含氧酸和含氧酸盐的结构HNO2和NO2-：参阅图15-13和15-14NO2-是O3的等电子体，存在34HNO3和NO3-：参阅图15-15HNO3中存在34NO3-是CO32-的等电子体，存在46N的含氧酸和含氧酸盐的结构HNO2和NO2-：参阅图15-1H

27、NO2及其盐制备NO2+NO通入冰水或碱硝酸盐高温分解或还原NaNO3 强热 NaNO2+O2HNO2以氧化性为主HNO2不稳定，久置歧化为HNO3和NO，但NO2-稳定性较强，几乎没有氧化性NO2-配位能力很强（两可配体）HNO2及其盐制备HNO2及其盐NO2-被强氧化剂氧化为NO3-5NO2-+2MnO4-+6H+=2Mn2+5NO3-+3H2ONO2-+H2O2=NO3-+H2O但与HNO3相比，HNO2氧化性更强稀溶液中HNO2能把I-氧化为I2，而HNO3不能亚硝酸盐一般易溶（AgNO2例外）亚硝酸盐稳定性强于相应硝酸盐，但高温下仍会分解HNO2及其盐NO2-被强氧化剂氧化为NO3-

28、HNO3HNO3中存在分子内氢键（挥发酸）HNO3受热或见光易分解，NO2溶于HNO3呈黄色从电极电势而论，HNO3可被还原成HNO2和N2，但事实上不会发生浓HNO3与金属反应一般得到NO2，但与非金属反应往往得到NOS + HNO3（浓） H2SO4 + NOP4 + HNO3（浓） H3PO4 + NOI2 + HNO3（浓） HIO3 + NOHNO3HNO3中存在分子内氢键（挥发酸）HNO3浓HNO3还原产物一般是NO2的原因浓HNO3会氧化掉低氧化态氮的化合物HNO3+NONO2，低氧化态氮化合物来不及逸出就重新反应掉稀HNO3环境下，NO2继续与还原剂反应NO2在HNO3被还原的

29、反应中起催化作用（NO2-可起类似作用）HNO3浓HNO3还原产物一般是NO2的原因金属被HNO3氧化的产物金属被氧化的产物大多数是可溶性的高氧化态硝酸盐Sn、Sb、Ti、Mo、W与浓HNO3作用生成不溶于HNO3的水合氧化物（含氧酸）Sn+HNO3(浓)SnO2xH2O+NO2Sb+HNO3(浓)Sn2O5xH2O+NO2Mo+HNO3(浓)H2MoO4+NO2+H2OFe、Cr、Al在冷浓HNO3中钝化金属被HNO3氧化的产物金属被氧化的产物大多数是可溶性的高氧王水部分不溶于浓HNO3的金属(Au、Pt、Os、Ir)能溶于王水浓HNO3(15moldm-3):浓HCl(12moldm-3)

30、=1:3(V/V)的混合液Au+HNO3+4HCl=HAuCl4+NO+2H2O这主要是因为高浓度的Cl-的存在Cl-与Au3+形成稳定的配离子AuCl4-，降低了溶液中Au3+浓度，有利于反应向Au溶解的方向进行但仍有金属甚至不溶于王水（Nb、Ta、Ru、Rh）王水部分不溶于浓HNO3的金属(Au、Pt、Os、Ir)能溶其他HNO3混酸HNO3-HF混酸腐蚀力很强，能迅速溶解Nb、Ta以及在王水中溶解很慢的V、Ti、Mo、W、Ir、Os等金属Nb+5HNO3+7HF=H2NbF7+5NO2+6H2OHNO3-H2SO4混酸有机化学中常用的硝化剂HNO3+2H2SO4=NO2+H3O+HSO4

31、-其他HNO3混酸HNO3-HF混酸硝酸盐硝酸盐一般以溶于水，高温分解碱金属（Li除外）碱土金属（Be、Mg）除外 Li、Be、Mg活动性在Cu之前的元素 Cu活动性在Cu之后的元素 亚硝酸盐+O2 氧化物+NO2+O2 金属+NO2+O2 NH4NO3、Fe(NO3)2等 单质或氧化物+NO2 如果带结晶水，则发生水解，生成碱式盐或氧化物硝酸盐硝酸盐一般以溶于水，高温分解碱金属（Li除外）Li、BNO3-的检验棕色环试验在溶液中加入少量FeSO47H2O晶体，沿杯壁缓缓加入浓H2SO4，则在交界面上出现棕色环生成棕色配离子Fe(NO)(H2O)52+NO2-也有类似反应，但NO2-只需用HA

32、c酸化即可显棕色NO3-的检验棕色环试验NO2-的检验棕色环试验酸化溶液后，有棕红色气体释放，可使淀粉-KI试纸变色NO2-可与Co2+反应，生成Co(NO2)63-，是定性鉴定K+的试剂7NO2-+Co2+2H+=Co(NO2)63-+NO+H2OCo(NO2)63-+3K+=K3Co(NO2)6（黄色沉淀）此反应亦可用于Co2+的鉴定NO2-的检验棕色环试验4.2 P及其化合物4.2 P及其化合物P的成键特征P的电子排布3s23p3，可形成离子键：P3-，稳定性极差3(+1)，sp3杂化：PH3、PCl3、P4O63+1，sp2杂化：HPO3（不稳定）5，sp3d杂化：PCl54+1，sp

33、3d杂化：POCl3、H3PO4反馈键 P的成键特征P的电子排布3s23p3，可形成反馈键 P化合物结构特征P4四面体氧化物、硫化物 PO43-四面体含氧酸及其盐 P化合物结构特征P4四面体PO43-四面体P与N的主要差别P可形成多于4个共价键，最高配位数为6（PF6-），而N为4（NH4+）P多进行sp3杂化，而不进行sp2或sp杂化P难以形成普通键和离域键，类似N2的P2分子结构仅在高温下存在P可形成反馈键P的常见氧化数比N少得多-3，+1，+3，+5P与N的主要差别P可形成多于4个共价键，最高配位数为6（PF4.2.1 P的单质制备：磷酸钙、石英砂、炭粉+电弧炉Ca3(PO4)2 + S

34、iO2 CaSiO3 + P4O10P4O10 + C P4 + CO_Ca3(PO4)2+SiO2+CCaSiO3+P4+CO 利用反应耦合可显著降低反应温度可利用P4易升华的特征进行提纯4.2.1 P的单质制备：磷酸钙、石英砂、炭粉+电弧炉同素异形体白磷(黄磷)P4，不稳定 红磷，介稳 黑磷，最稳定 密闭加热400oC 加压加热220oC，8天 熔融骤冷 同素异形体白磷(黄磷)P4，不稳定 红磷，介稳 黑磷，最稳定三种单质的性质比较白磷红磷黑磷外观无色透明晶体暗红色粉末灰色固体燃点/oC40240-空气中放置自燃、发光缓慢氧化潮解无变化溶解性溶于苯、CS2，不溶于水不溶不溶导电性不导电不良

35、导体导电反应性X2剧烈加热反应不反应碱反应不反应不反应三种单质的性质比较白磷红磷黑磷外观无色透明晶体暗红色粉末灰色白磷P4分子，正四面体结构，分子中共6个共价键，每个P上还有一对孤对电子存在很大的键张力（弯曲键）（95.4kJmol-1）白磷P4以还原性为主要特征，在常温下即具有明显的还原性（碱性环境下接近于Al）白磷P4分子，正四面体结构，分子中共6个共价键，每个P上还有P4的化学反应自发燃烧在O2、Cl2等气体中均会自发剧烈燃烧（黄色火焰）歧化（热浓碱）P4 + 3OH- + 3H2O = PH3 + 3H2PO2-反应同时伴有HPO32-或PO43-生成P4的化学反应自发燃烧P4的化学反

36、应与其他氧化剂反应P4 + HNO3 + H2O H3PO4 + NOP4 + I2 + H2O H3PO4 + HIP4 + H2SO4（浓） H3PO3 + SO2与重金属离子的反应P4 + Cu2+ + H2O = Cu + H3PO4P4 + Cu2+ + H2O = Cu3P + H3PO4可用CuSO4溶液解P4之毒 P4的化学反应与其他氧化剂反应可用CuSO4溶液解P4之毒 4.2.2 P的氢化物P可形成一系列氢化物，通式PnHn+2最重要的是PH3，磷化氢或膦制备方法P3-水解PH4I与碱反应P4直接与H2反应P4在碱中歧化类似于NH3的合成 4.2.2 P的氢化物P可形成一系

37、列氢化物，通式PnHn+2PH3无色剧毒气体，易燃，燃烧火焰浅蓝色PH3本身不易自燃（燃点150oC），但若含有痕量P2H4，则迅速自燃结构类似于NH3，但键角更小，极性也弱（0.55D）有微弱碱性，存在PH4+，但在水中迅速水解PH3无色剧毒气体，易燃，燃烧火焰浅蓝色PH3与NH3类似，易发生取代反应，生成PR3（R=X、烷基、烷氧基、苯环等）PH3及其取代物都是强场配体，配位能力远强于NH3等回忆：d-d反馈键与NH3相比，PH3是较弱的质子碱，却是较强的Lewis碱具有强还原性（强于Zn）PH3与NH3类似，易发生取代反应，生成PR3（R=X、烷基4.2.3 P的氧化物P是亲氧元素，可形

38、成多种氧化物P4O6、P4O7、P4O8、P4O9、P4O10等有意义的只有P4O6和P4O10P4 + 3O2（不足量） P4O6P4 + 5O2（不足量） P4O10结构上均以P4四面体为基础4.2.3 P的氧化物P是亲氧元素，可形成多种氧化物P4O6俗称“三氧化二磷”，为亚磷酸酸酐物性白色有滑腻感吸潮性蜡状固体，有毒，易溶于有机溶剂结构分子中含有P-O键12个化学性质溶于冷水成亚磷酸，溶于热水歧化P4O6俗称“三氧化二磷”，为亚磷酸酸酐P4O10在P4O6基础上，每个P再结合一个端氧共含有P-O键12个，P=O键4个白色粉末，为磷酸的酸酐，吸湿性极强P4O10(HPO3)nH4P2O7H

39、3PO4P4O10在P4O6基础上，每个P再结合一个端氧4.2.4 P的含氧酸及其盐P含氧酸种类极其丰富，只有Si能媲美通性在所有含氧酸及其盐中，P都是sp3杂化，4配位，以PO4四面体为结构单元通过P-O-P或P-P键连接，形成长链或环状结构每个P都存在一个P=O键在含氧酸中，并非每个H都能解离出H+纯酸多为固体，但一般配成溶液使用4.2.4 P的含氧酸及其盐P含氧酸种类极其丰富，只有Si能各种P的含氧酸氧化数分子式名称+1H3PO2次磷酸+3HPO2H4P2O5H3PO3偏亚磷酸焦亚磷酸亚磷酸+4H4P2O6连二磷酸+5HPO3H4P2O7H3PO4偏磷酸焦磷酸磷酸+6H4P2O8过二磷酸

40、各种P的含氧酸氧化数分子式名称+1H3PO2次磷酸+3HPO次磷酸和亚磷酸次磷酸H3PO2是一元酸，亚磷酸H3PO3是二元酸，酸性H3PO2H3PO3H3PO4二者都是强还原剂，易发生歧化（PH3+PO43-）次磷酸和亚磷酸次磷酸H3PO2是一元酸，亚磷酸H3PO3是二磷酸高沸点固体酸三元中强酸没有氧化性强配位能力PO43-和HPO42-能与多种金属离子配位浓磷酸对金属具有强腐蚀能力，能腐蚀耐酸的不锈钢、Ti、V等材料磷酸高沸点固体酸磷酸脱水H3PO4加热会逐步脱水H3PO4 200 H4P2O7 300 H5P3O10 (HPO3)n P4O10磷酸脱水H3PO4加热会逐步脱水磷酸盐简单磷酸

41、盐正磷酸的各种盐：M3PO4、M2HPO4和MH2PO4简单磷酸盐比较重要的性质溶解性、水解性、稳定性一个要点任何简单磷酸盐与Ag+作用都得到Ag3PO4磷酸盐简单磷酸盐磷钼酸铵法含PO43-试液和适量HNO3及过量饱和(NH4)2MoO4溶液混合，加热得黄色磷钼酸铵沉淀PO43-+3NH4+12MoO42-+24H+ (NH4)3PO412MoO36H2O + 6H2O磷酸镁铵法在含PO43-的试液中加适量NH3H2O和MgCl2，则生产NH4MgPO4白色沉淀PO43- + NH4+ + Mg2+ = NH4MgPO4PO43-的鉴定磷钼酸铵法PO43-的鉴定复杂多磷酸盐示例链式结构环状结

42、构复杂多磷酸盐示例链式结构环状结构H4P2O7纯H4P2O7可由加热H3PO4和POCl3制备5H3PO4+POCl3=3H4P2O7+3HClP2O74-有强配位性，在过量时能与Cu2+、Ag+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Sn2+等形成配离子在水溶液中P2O74-能水解为PO43-（缩合反应的逆反应），但反应速度非常慢可用Ag+鉴别P2O74-和PO43- ，Ag4P2O7为白色沉淀，而Ag3PO4为浅黄色沉淀H4P2O7纯H4P2O7可由加热H3PO4和POCl3制备4.2.5 P的卤化物P4与卤素单质直接反应，可以获得PX3或PX5一般X2过量生成PX5，不足量生成PX3，但都不纯净

43、P4与F2在任何配比下都生成PF5，PF3必须采用间接方法制备PCl3 + AsF3 = AsCl3 + PF34.2.5 P的卤化物P4与卤素单质直接反应，可以获得PX3PX3的一些物性PF3PCl3PBr3PI3键长pm157204220243键角o10410110098fHm KJmol-1-339-119-46熔点oC-152-94-4261沸点oC-10276173-颜色无色无色无色红PX3的一些物性PF3PCl3PBr3PI3键长pm1572PX3的性质所有PX3均为三角锥结构，均有毒PX3是PH3的取代物，是强Lewis碱配位能力PF3最强，最有毒性除PF3均易水解，在空气中发烟

44、PCl3 + 3H2O H3PO3 + 3HCl醇解：PCl3 + 3ROH P(OR)3 + 3HCl除PF3外均易被氧化PX3的性质所有PX3均为三角锥结构，均有毒PX5的一些物性PF5PCl5PBr5PI5键长pm?158214202未知fHm KJmol-1-463-280熔点oC-94-100分解沸点oC-85160升华颜色无色无色无色PX5的一些物性PF5PCl5PBr5PI5键长pm?214PX5的性质所有PX5气态时均为三角锥结构在液态时，PCl5和PBr5以离子形式存在PCl4+PCl6-、PBr4+Br-，能够导电易水解，产物与水量有关POX3（四面体结构）、H3PO4除P

45、F5外，热稳定性差PCl5有一定Lewis碱性PCl5 + AlCl3 = PCl4+AlCl4-PX5的性质所有PX5气态时均为三角锥结构4.3 As、Sb、Bi的化学4.3 As、Sb、Bi的化学概述As、Sb、Bi原子变形性较大，易形成硫化物，而与N、P差异较大As、Sb、Bi难以得到电子，几乎不存在-3氧化数As、Sb、Bi常见氧化态+3、+5，从上到下+3稳定性增强单质一般采用硫化物提炼法制备硫化物 煅烧 氧化物 CO还原 单质概述As、Sb、Bi原子变形性较大，易形成硫化物，而与N、P4.3.1 As、Sb、Bi单质As、Sb均有多种晶形，稳定形类似于红磷或黑磷As、Sb在气态时主

46、要以As4结构存在（高温下可分解成As2）Sb、Bi性质不同于一般金属反常膨胀，反常导电导热，稍硬而脆Bi的熔点相当低，用于制备低熔合金4.3.1 As、Sb、Bi单质As、Sb均有多种晶形，稳定单质化学性质As、Sb、Bi常温下不与水或非氧化性酸反应，但与HNO3反应As生成H3AsO3或H3AsO4Sb生成Sb(NO3)3或H3SbO4Bi生成Bi(NO3)3与浓H2SO4反应一般都得到+3氧化态Sb可溶于浓HCl，形成SbCl6-As溶于熔融NaOH，生成Na3AsO3+H2单质化学性质As、Sb、Bi常温下不与水或非氧化性酸反应，但单质化学性质As、Sb、Bi常温下与F2反应，视用量分

47、别生成MF3或MF5加热时与多种非金属反应O2、S、其他卤素：一般生成+3氧化态与绝大多数金属形成合金与IIIA元素化合物，如GaAs、GaSb、InAs、AlSb都是半导体材料单质化学性质As、Sb、Bi常温下与F2反应，视用量分别生成4.3.2 氢化物As、Sb、Bi均形成氢化物MH3AsH3，砷化氢（胂）最重要，剧毒BiH3极不稳定，无实际意义制备方法金属砷化物Na3As水解氧化物还原：Zn还原As2O3工业制法：NaAsO2 + KBH44.3.2 氢化物As、Sb、Bi均形成氢化物MH3不稳定性2AsH3 = 2As + 3H2砷镜反应（Marsh试砷法）医学上以此反应鉴定样品中As含量生成的砷镜可用NaClO洗掉本法检出