车用驱动电机原理与控制基础-课件-第6章-感应电机的空间矢量描述和磁场定向控制

车用驱动电机原理与控制基础第6章感应电机的空间矢量描述和磁场定向控制26.1感应电机转子结构和工作原理6.1.1三相感应电机转子结构a）鼠笼型绕组b）绕线式异步电机转子结构图6-1感应电机转子结构示意图感应电机的定子结构与交流同步电机基本相同，主要差别在于转子结构和转子磁场的产生原理不同。感应电机的转子电磁结构主要包括转子铁芯和转子绕组两部分，常见的绕组类型为鼠笼型和绕线型两种。1.鼠笼型绕组鼠笼型绕组是一个自行闭合的短路绕组，它由插入每个转子槽的导条和两端的环形端环组成，如果去掉铁芯，整个绕组如一个“圆形鼠笼”，如图6-1所示，因此称为鼠笼型绕组。转子铁芯作为电机磁路的一部分，所用材料与定子一样，由硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的槽，用来安置转子绕组。2.绕线型转子绕线型转子的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到装在轴上的三个集电环上，通过电刷与外电路连接，如图6-1所示，这种转子的特点是可以在转子绕组中接入外加可调电阻，以改善电动机的起动和调速性能。与鼠笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，在车用电驱动系统中基本没有应用。36.1.2三相感应电机的工作原理和物理模型a）等效物理模型b）等效轴线圈表示图6-2三相感应电机物理模型定子为三相对称绕组，结构与三相同步电机相同。同时将转子也等效成三相对称绕组a-x、b-y和c-z，并将其短接起来，于是就构成了基本的三相感应电机。

46.1.2三相感应电机的工作原理和物理模型转差角频率和转差率

56.1.2三相感应电机的工作原理和物理模型两轴等效物理模型图6-3三相感应电动机的等效2轴物理模型

66.1.3定子坐标系、转子坐标系和磁场同步坐标系

表6-1三个坐标轴系下的电流矢量表示及变换关系76.2感应电机的矢量方程6.2.1感应电机定转子电感与磁链1.三相绕组自感和互感

86.2.1感应电机定转子电感与磁链1.三相绕组自感和互感

96.2.1感应电机定转子电感与磁链1.三相绕组自感和互感

106.2.1感应电机定转子电感与磁链2.定转子磁链空间矢量

116.2.1感应电机定转子电感与磁链2.定转子磁链空间矢量

126.2.1感应电机定转子电感与磁链2.定转子磁链空间矢量

图6-4三相感应电动机内定、转子电流和各磁链矢量136.2.2静止轴系下的空间矢量方程1.定子电压方程

146.2.2静止轴系下的空间矢量方程2.转子电压方程

156.2.2静止轴系下的空间矢量方程2.转子电压方程

166.2.2静止轴系下的空间矢量方程2.转子电压方程图6-5三相感应电机稳态矢量图

176.2.3任意同步旋转DQ轴系矢量方程矢量方程

186.2.3任意同步旋转DQ轴系矢量方程矢量方程的坐标分解

196.3转子磁场建立过程及其定向图6-7转子磁场表示为气隙磁场与转子漏磁场的合成

206.3.1运动电动势诱导的转子图6-8

转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量a）由转子导条电流构成的转子磁动势矢量b）导条中运动电动势和电流大小的空间分布

216.3.1运动电动势诱导的转子图6-8

转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量c）转子线圈电流磁动势矢量及其合成d）转子t轴伪静止线圈t226.3.2感生电动势诱导的转子m轴磁动势a）转子电流与转子磁动势

b）导条中变压器电动势和电流大小的空间分布图6-9转子磁场幅值变化时的转子电流矢量电机在动态运行过程中，如果转子磁场幅值发生了变化，那么在转子各导条中会感生出变压器电动势。若在图6-9a所示时刻，转子磁场幅值正在增加，由楞次定律，各导条中的电动势便如图6-9a中所示。

236.4转子磁场定向（MT轴系）矢量方程6.4.1MT轴系的定义和特征图6-10转子笼型绕组等效为MT轴线圈图6-11磁场定向MT轴系

246.4.2定、转子磁链方程

256.4.3定、转子电压方程1.动态电压方程

266.4.3定、转子电压方程2.稳态电压方程

276.4.4定、转子电流方程1.励磁分量

286.4.4定、转子电流方程2.转矩分量

296.4.4定、转子电流方程2.转矩分量图6-12磁场定向后三相感应电动机磁链和电流矢量图

a）

磁链和电流动态矢量图；306.4.5转矩方程用电流表达的转矩公式

316.4.5转矩方程用磁链表达的转矩公式

326.4.5转矩方程用坐标分量和转差角频率来表示的转矩公式

336.5基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.1电压—电流模型磁场定向是矢量控制中必不可少的。而在三相感应电机的矢量控制中，由于其转子磁场方向不可直接通过检测转子位置的方式检测，因此，感应电机较PMSM矢量控制更为复杂，需要对转子磁场方向进行估计。感应电机转子磁场定向是通过运算（估计）来确定转子磁链矢量的空间位置，通常是通过一定的运算估计出转子磁链矢量，称为磁链观测法。磁链估计一般是根据定子电压矢量方程或者转子电压矢量方程，利用可以直接检测到的物理量，例如定子三相电压、电流和转速，通过必要的运算来获得转子磁链矢量的幅值和相位信息。常用的转子磁链估计方法主要有电压—电流模型以及电流—转速模型。在中、高速范围选择电压—电流模型较合适，而电流—转速模型适合于低速。也可以将两种模型结合起来，以相互弥补高频和低频的不足，在中、高速时采用电压—电流模型，在低速时采用电流—转速模型，但模型切换应快速而平滑。346.5基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.1电压—电流模型图6-13电压—电流模型

356.5基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.2电流—转速模型

366.5基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.2电流—转速模型图6-14以定子电流和转速的实测值作为输入的MT轴系“电流—转速”模型

376.6转子磁场定向感应电动机控制实现6.6.1转子磁场定向控制基本结构图6-15基于转子磁场定向的感应电机矢量控制

386.6.2最大转矩/电流比控制

396.6.3弱磁控制图6-16感应电机全速度范围运行区域感应电机弱磁控制应以最大转矩输出为目标，考虑到电压、电流的限制条件，对电流进行合理分配。由于受到电压和电流的限制，在弱磁区感应电机输出的有效转矩减小。而在电压和电流有限制的情况下，为了充分利用驱动系统的最大转矩能力，需要对电压和电流进行最合理的利用。感应电机在整个速度范围可以分为3个区域：恒转矩区、恒功率区和恒电压区，如图6-16所示。当电机转速小于弱磁基速时，由于产生的反电动势小于逆变器输出的最大电压，电机运行仅受到电机允许通过的最大电流限制，可以输出的最大转矩保持不变，因此，该区域称为恒转矩区。弱磁基速以上进入弱磁区，反电动势几乎等于逆变器输出的最大电压。电机运行