车用驱动电机原理与控制基础（第2版）课件：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2版)

感应电机的空间矢量描述和磁场定向控制27.1感应电机转子结构和工作原理7.1.1三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7-1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。37.1.2三相感应电机的工作原理等效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。

图7-2a三相感应电机等效物理模型47.1.2三相感应电机的工作原理转差角频率和转差率

57.1.3定子坐标系、转子坐标系和磁场同步坐标系三个坐标轴系

表7-1三个坐标轴系下的电流矢量表示及变换关系6磁链和电感7.2感应电机的矢量方程7.2.1感应电机定转子电感与磁链

图7-3感应电机等效四线圈物理模型77.2.1感应电机定转子电感与磁链图7-4三相感应电动机内定、转子电流和各磁链矢量87.2.2静止轴系下的空间矢量方程电压方程

97.2.3转子固结abc轴系矢量方程电压方程

107.2.4任意磁场同步旋转MT轴系矢量方程MT轴系坐标分解

117.2.4任意磁场同步旋转MT轴系矢量方程MT坐标系下磁链和电压方程

127.2.4任意磁场同步旋转MT轴系矢量方程电压方程

137.2.4任意磁场同步旋转MT轴系矢量方程电压方程MT轴分解

147.2.4任意磁场同步旋转MT轴系矢量方程图7-5三相感应电机稳态矢量图157.3转子磁场建立过程及其定向转子磁场定向图7-6转子磁场表示为气隙磁场与转子漏磁场的合成

167.3.1动生电动势诱导的转子t轴磁动势图7-7

转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量b）导条中运动电动势和电流大小的空间分布

a）由转子导条电流构成的转子磁动势矢量17图7-8

转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量a）转子线圈电流磁动势矢量及其合成b）t轴等效励磁电流

7.3.1动生电动势诱导的转子t轴磁动势187.3.2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7-9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7-9a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7-9a中所示。

197.3.3转子磁场定向轴系的定义和特征转子磁场的建立图7-11转子笼型绕组等效为MT轴线圈图7-12磁场定向MT轴系

207.3.4定、转子磁链方程

217.3.5定、转子电压方程

22励磁分量

7.3.6定、转子电流方程23转矩分量

7.3.6定、转子电流方程24图7-13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7.3.6定、转子电流方程257.3.7转矩方程

26

7.3.7转矩方程277.3.7转矩方程

287.4基于电流相平面的矢量控制原理7.4.1电流相平面的控制约束条件

297.4.1电流相平面的控制约束条件

307.4.1电流相平面的控制约束条件

图7-18感应电机控制约束及规律图示317.4.1电流相平面的控制约束条件

32图7-19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7-19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。电机运行要同时受到最大电流和最大电压的限制，但输出功率恒定，因此称为恒功率区；随着电机转速的继续升高，电流由于最大转差率的限制不