1、Copyright LMS Imagine-2009北航北航-LMS教研培训中心教研培训中心电机及驱动库Electric Motors and Drives(EMD)2Copyright LMS Imagine-20092目录目录基础理论基本物理现象电机基础EMD 库直流电机电池感应电机(Parks 转换)电机控制速度控制环磁场定向矢量控制电流滞环控制3Copyright LMS Imagine-20093目录目录基础基本物理现象电机基础EMD 库直流电机电池感应电机(Parks 转换)电机控制速度控制环磁场定向矢量控制电流滞环控制4Copyright LMS Imagine-20094基础基
2、础:基本物理现象基本物理现象 毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart）Biot-Savart 定律将磁场与产生磁场的电流联系起来。沿回路流动的电流所建立的磁通密度B为各电流源Idi作用的叠加。楞次定律（Lenz）:感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。法拉第定律（Faradays）:磁场中导线线圈的任何变化会在线圈中产生感应电压。30rr4l dIBddtde5Copyright LMS Imagine-20095基础基础:基本物理现象基本物理现象 磁通密度 B(unit:T or Wb/m2)产生磁场的电流可以是导线中的宏观电流，也可以是原子中电子的微观电流。2个主要磁场源:线圈和磁铁
3、 磁通量 (Unit:Wb)通过面积S的磁通量定义为:SSdSnB6Copyright LMS Imagine-20096基础基础:基本物理现象基本物理现象 磁场强度 H(Unit:A/m)磁场强度显示磁性材料的作用 在空隙中:在磁性材料中:HB0HBr0 软材料 小磁滞回路 硬材料大磁滞回路(永久磁体)7Copyright LMS Imagine-20097基础基础:基本物理现象基本物理现象 洛仑兹（Lorentz）力洛仑兹（Lorentz）力描述了作用于磁场中的移动电荷的力 拉普拉斯（Laplace）法则 拉普拉斯法则（Laplace）描述了作用于磁场中的导线的力 BVqFBl diF8C
4、opyright LMS Imagine-20098基础基础:基本物理现象基本物理现象拉普拉斯-洛仑兹关系磁场和电荷的交互作用被用于机电系统:F=Bli和 e=Blv(Laplace-Lorentz 关系)在这个例子中，我们不考虑磁感应强度B的实现和其在磁路中的意义。F v e i Bl GY 9Copyright LMS Imagine-20099基础基础:基本物理现象基本物理现象 磁场公式:麦克斯韦法则（Maxwell）安培定律（Amperes law）法拉第定律（Faradays law）磁通量守恒 电流守恒00jdivBdivdtBdEtrojHtro 麦克斯韦力（Maxwell fo
5、rce）:作用于运动部分的力:式中 R 是电阻22 RFlHR10Copyright LMS Imagine-200910基础基础:电机电机 电机基础 电机将电能转化为机械能。反之，将机械能转化为电能是由发电机来实现的。Electrical motor Vr Ir Is Vs T Electrical motor Vs Is Ir Vr lossmecelecPPPUIPelecmmecTP11Copyright LMS Imagine-200911基础基础:电机电机 电机基础磁铁磁力线绕组转子定子磁极麦克斯韦拉普拉斯麦克斯韦力通常更大 电机中的力拉普拉斯或麦克斯韦12Copyright LM
6、S Imagine-200912基础基础:电机电机 电机类型:Power kWVelocity rpm直流电机同步电机感应电机开关磁阻电机永磁电机定子磁铁线圈磁心转子磁铁-永磁电机-线圈直流电机开关磁阻电机同步电机感应电机同步电机磁心-开关磁阻电机-13Copyright LMS Imagine-200913目录目录基础回顾基本物理现象电机基础EMD 库DC 电机电池感应电机(Parks 转换)电机控制速度控制环磁场定向矢量控制电流滞环控制14Copyright LMS Imagine-200914 EMD 库:一系列经过验证的模块用来对各种类型的电力设备建模 电源(DC 和 AC)和连线 R
7、-L 节点 Park正逆变换 理想三相逆变器 直流,感应和同步电机 采用数据文件的电机 电池 EMD 库库:直流电机直流电机15Copyright LMS Imagine-200915 EMD 库库:直流电机直流电机库中的模块库中的模块:信号电电(三相)机械16Copyright LMS Imagine-200916 EMD 库库:直流电机直流电机典型直流电机在电磁场两极间有一个旋转电枢。换向器旋转一周改变电流方向2次。在切换瞬间，惯性保持电机正确的转向。电机的速度与电压成正比，转矩与电流成正比。速度控制通过改变电压或电流来控制。通过改变电机绕组匝数或改变供电电压来改变电压或电流。优点:易于设
8、计和控制 低速大扭矩 缺点:需要电刷 有磨损 速度限制 噪音 电扰动17Copyright LMS Imagine-200917第一个例子:直流电机定负载下启动IkT EMD 库库:直流电机直流电机DCmotor.ameLkIRUUdtdI13模型假设:无磁心饱和定磁场强度 直流电机模型18Copyright LMS Imagine-200918第一个例子:直流电机在定负载下启动 EMD 库库:直流电机直流电机19Copyright LMS Imagine-200919 电池模型:内阻模型,采用压力源和内部阻尼来表征电池特性。开路电压和内部阻尼的实验数据(SOC)。不考虑热影响。EMD 库库:
9、电池电池20Copyright LMS Imagine-200920第二个例子:电池供电直流电机 EMD 库库:电池电池Battery.ame 正扭矩负载:作为一个电机，电池放电 负扭矩负载:作为一个发电机，电池充电chargedischargetorque0torque021Copyright LMS Imagine-200921感应电机感应电机:原理原理 三相供电的相位差在电机内部产生了旋转的电磁场。旋转磁场在转子导体内感生出电流，使转子随着磁场旋转方向旋转。转子的旋转速度比多相供电产生的旋转磁场慢鼠笼感应电机(Leroy-Somer)转子:绕线式或鼠笼式(最常用):优点:便宜 噪音低 寿
10、命长无干扰 缺点:恒速pFNs 60Ns,同步速度 rpm,F 交流电频率 Hz,p 极对数NsNrNsSS:滑动系数,Nr 转动速度 rpm22Copyright LMS Imagine-200922感应电机感应电机:参考框架公式参考框架公式dtdRiu 123123123123RSRSRRSSRSiiRMMRuu321321123123RRRSSSRSuuuuuuuu321321123123RRRSSSRSiiiiiiiiSSSSSSSSSSSSSslRsMsMsMslRsMsMsMslRRRRRRRRRRRRRRRslRsMsMsMslRsMsMsMslRRmSRmSRmSRmSRmSR
11、mSRmSRmSRmSRRSSRsMsMsMsMsMsMsMsMsMMMcoscoscoscoscoscoscoscoscos211221对每个绕组:对6个相位:(s:定子,r:转子)电压和磁通矢量:电阻矩阵:感应矩阵:with:s:Laplace 算子 d/dt23Copyright LMS Imagine-200923 Parks 转换的原理转换的原理 为了简化公式,采用 Parks 转换:将3绕组转为2绕组:ABC to dq0 and dq0 to ABC 转换:C:constant(2/3,1 for non power invariant transform,(2/3)for po
12、wer invariant transform)24Copyright LMS Imagine-200924感应电机感应电机:Parks 框架的公式框架的公式定子电压:转子方面(转子电压为0，因为转子侧是短路):定子磁通量公式:转子磁通量公式:电磁转矩:频率间关系:动态方程:SQSSDSDSSDdtdIRVSDSSQSQSSQdtdIRVRQRRDRDRdtdIR0RDRRQRQRdtdIR0RDSRSDSSDIMILRQSRSQSSQIMILSDSRRDRRDIMILSQSRRQRRQIMILSDRQSQRDRSReIILMptRSpREttdtdJ25Copyright LMS Imagi
13、ne-200925第三个例子:自由加速度响应感应电机 感应公式:采用 Parks 转换 Frame fixed to the rotor:r=0s=-p.m EMD 库库:感应电机模型感应电机模型IMmotor.ame26Copyright LMS Imagine-200926第三个例子:自由加速度响应感应电机 EMD 库库:感应电机模型感应电机模型150060rpmpFNs27Copyright LMS Imagine-200927 EMD 库库:理想三相逆变器理想三相逆变器第四个例子:理想三相逆变器 这个例子显示脉宽调制(PWM)技术这个技术是数字编码模拟信号的方式逆变器的功能是连接供电和
14、负荷我们希望得到理想输入信号下（正弦）的好的近似值 28Copyright LMS Imagine-200928 EMD 库库:理想三相逆变器理想三相逆变器AMESim block主逆变模块公式VA0VB0VC0VanVbnVcnVswitchVan=Vswitch(2VA0 -VB0-VC0)/3;Vbn=Vswitch(2VB0 -VC0 -VA0)/3;Vcn=Vswitch(2VC0 -VA0 -VB0)/3;29Copyright LMS Imagine-200929第四个例子:理想三相逆变器 EMD 库库:理想三相逆变器理想三相逆变器 这个例子用正弦三角PWM来说明这种调制方法比较
15、采用正弦波调制（低频）和三角波调制（高频）在调制与载波间的交互作用决定整流的瞬态性Tx+and Tx-Are complementarycarrier参考电压ge30Copyright LMS Imagine-200930第四个例子:理想三相逆变器 EMD 库库:理想三相逆变器理想三相逆变器基于脉宽调制的模型，采用阻性，感性负载PTPinverter.ame31Copyright LMS Imagine-200931 EMD 库库:理想三相逆变器理想三相逆变器第四个例子:理想三相逆变器32Copyright LMS Imagine-200932目录目录基础回顾基本物理现象电机基础EMD 库DC
16、 电机电池感应电机(Parks 转换)电机控制速度控制环磁场定向矢量控制电流滞环控制33Copyright LMS Imagine-200933电机控制电机控制:概论概论 直流电机不受磁通量和转矩控制的约束 缺点:磨损,价格,动力 随着电子学的发展，直流电机被感应电机和同步电机所代替。一些经典控制方法:转矩控制:通过转矩参考进行电机转矩控制。电机速度工作点由电机转矩和负载转矩曲线的交叉来确定。这种控制方法用于快速和精确转矩控制需要的场合。标量控制:通过改变变频器的输出频率来控制电机转速。电机速度由频率和负载转矩来决定。可以通过速度反馈(闭环标量控制)来提高速度控制的精确性。矢量控制:测量定子和
17、转子的速度并把这些信息反馈到电机里的数学模块中。电机模块计算2个要素，分别代表转矩和磁通量。34Copyright LMS Imagine-200934电机控制电机控制:速度控制环速度控制环 电机/发电机的静态能量模型及其变频器采用数据文件来确定转矩和能量损失。双向(电机/发电机)与具体物理结构无关转矩命令 对于长期仿真有用35Copyright LMS Imagine-200935 电机控制电机控制:速度控制环速度控制环MotorSpeedControl.ame 目的:当转矩变化时保持速度恒定36Copyright LMS Imagine-200936电机控制：同步电机电机控制：同步电机-原
18、理原理 构造:3相定子(与感应电机一样)转子绕组或永久磁铁同步运行(无滑移).经常由晶体管变频驱动器来驱动 可以当作交流发电机来用 有时作为牵引电机(TGV)pFNs 60Ns,同步速度 rpm,F 交流电频率 Hz,p 极对数37Copyright LMS Imagine-200937 电机控制电机控制:同步电机模型同步电机模型环形转子凸极 定子电流:定子磁通量:转子磁通量:转矩:38Copyright LMS Imagine-200938第六个例子:永磁同步（PMSM）电机电流滞环控制电机控制电机控制:电流滞环控制电流滞环控制PMSMmotor.ame 通常采用的控制:电流滞环控制39Copyright LMS Imagine-200939电机控制电机控制:电流滞环控制电流滞环控制第六个例子:永磁同步（PMSM）电机电流滞环控制Copyright LMS Imagine-2009谢谢！
