電動汽車異步電機(jī)矢量控制原理

1、電動汽車異步電機(jī)矢量控制原理第1頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四1、定子繞組電壓平衡方程 ： 各相量正方向均據(jù)變壓器慣例，則定子和轉(zhuǎn)子的電動勢平衡方程式如下：定子 E1=4.44f1N1kw1m13.3 異步電機(jī)的電勢平衡 轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的定轉(zhuǎn)子電路示意圖 第2頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 設(shè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度為n1-n，故轉(zhuǎn)子電動勢E2和電流I2的頻率為： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，由轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：2、轉(zhuǎn)子繞組的電動勢第3頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 轉(zhuǎn)子

2、轉(zhuǎn)動后，從電路角度看，最主要不同之處在于轉(zhuǎn)子頻率f2隨轉(zhuǎn)速而變化了。它影響到轉(zhuǎn)子電動勢E2和漏抗x2隨之變化。 令E2s表示轉(zhuǎn)動后的電動勢，x2s表示轉(zhuǎn)動后的漏抗，則 E2s=4.44f2N2kw2m=sE2 x2s=2f2l2=2sfl2=sx2式中E2、x2轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子電動勢和漏抗。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，s=1,n=0,f2=f1,當(dāng)n=n1時(shí),f2=0第4頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四轉(zhuǎn)動后的轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式可寫成： 0=E2s-I2(R2+j x2s) z2s = R2+j x2s第5頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 設(shè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n

3、，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度為n1-n，故轉(zhuǎn)子電動勢E2和電流I2的頻率為： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，由轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：13.4 異步電機(jī)的磁勢平衡第6頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 因?yàn)檗D(zhuǎn)子自身以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，故轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢相對于定子的轉(zhuǎn)速為：由此可見，不論轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)速n如何，由轉(zhuǎn)子電流I2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢和由定子電流所產(chǎn)生的定子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢沒有相對運(yùn)動。 第7頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 前已分析，不論轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速如何，磁勢平衡式仍成立有 F1+F2=Fm 或 F1=Fm -F2 即

4、 轉(zhuǎn)子的磁勢：第8頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 一、頻率折算 前面列出的定、轉(zhuǎn)子電動勢平衡方程式，它們的頻率不同，而不同頻率的物理量所列出的方程式不能聯(lián)立求解，因此需要對轉(zhuǎn)子電路進(jìn)行頻率折算，使與定子電路有相同頻率。 上節(jié)已討論過，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，定、轉(zhuǎn)子具有相同頻率，故等效的轉(zhuǎn)子電路應(yīng)該是靜止不動的。 13.5 異步電機(jī)的等效電路第9頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 只要保持頻率折算后的轉(zhuǎn)子電流的大小和相位不變，就可保持磁動勢平衡不變，從而保持定子電流的大小和相位不變，也就保持了功率和損耗不變。具體推導(dǎo)如下（ 由前面電勢方程式，求得）(1)

5、第10頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四將上式分子分母同除以s，其值不變。即有： 從上面兩式，不僅在保持I2與2不變的條件下進(jìn)行了數(shù)學(xué)變換，其實(shí)有著不同的物理意義。(2)第11頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 (1)式表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)的實(shí)際情況，轉(zhuǎn)子電動勢為E2s=sE2，轉(zhuǎn)子頻率為f2=sf1，轉(zhuǎn)軸上輸出機(jī)械功率。 電路圖如圖所示第12頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四(2)式表示頻率歸算后的等效轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子電動勢為E2，轉(zhuǎn)子頻率為f1，轉(zhuǎn)軸上不輸出機(jī)械功率，但轉(zhuǎn)子回路的電阻變了。我們把分解為兩項(xiàng)：的物理意義:在實(shí)際轉(zhuǎn)動的

6、電機(jī)中，在轉(zhuǎn)子回路中并無此電阻，但有機(jī)械功率輸出。第13頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四換言之，可以由靜止不動的等效電路中計(jì)算出電功率 從而間接地求出軸上的機(jī)械功率，故 又稱模擬電阻，電路如下頁圖.第14頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四第15頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四它和變壓器接有純電阻負(fù)載時(shí)的等效電阻相似。所接負(fù)載為模擬機(jī)械功率的模擬電阻 由該等效電路可分析以下幾種情況： 1.當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)n0，即s=1，則 即機(jī)械功率為零。 第16頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 2當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到同

7、步速時(shí)nn1，即s0，則 相當(dāng)于等效電路的副邊開路，轉(zhuǎn)子電流等于零，機(jī)械功率也就等于零。3當(dāng)0nn1，即1s0，則 0 機(jī)械功率為正，即有機(jī)械功率輸出，為感應(yīng)電機(jī)的正常電動運(yùn)行狀態(tài)。第17頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四二、電流折算： 相數(shù) m2m1 N2N1kw2kw1每相串聯(lián)匝數(shù)繞組分布系數(shù)同時(shí)其內(nèi)阻 r2,x2相應(yīng)改為E2E2 I2I2折算的條件：必須滿足折算前后電機(jī)內(nèi)部的電磁性能和平衡關(guān)系保持不變。和分析變壓器相似的方法，可把異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組折算為一個相數(shù)、匝數(shù)和繞組系數(shù)都與定子側(cè)相同的等效轉(zhuǎn)子，因此，還需要對除頻率外的其它參數(shù)進(jìn)行折算。第18頁，共73頁，2

8、022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子磁勢應(yīng)保持不變?yōu)闂l件，即應(yīng)滿足 F2 =F2由此可求得折算后的轉(zhuǎn)子電流： 式中 稱為感應(yīng)電機(jī)的電流變比 第19頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四三、電勢折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子視在功率保持不變?yōu)闂l件，即應(yīng)滿足 故得 四、阻抗的折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子上的銅耗保持不變?yōu)闂l件式中 稱為感應(yīng)電機(jī)的電動勢變比 第20頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四即應(yīng)滿足由此可求得折算后的轉(zhuǎn)子電阻 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子功率因數(shù)保持不變?yōu)闂l件,應(yīng)滿足式中 稱為感應(yīng)電機(jī)的阻抗變比 第21頁，共73頁，2022年，5月20

9、日，18點(diǎn)52分，星期四由此可求得折算后的轉(zhuǎn)子漏抗折算后的異步機(jī)的基本方程式第22頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 經(jīng)頻率折算后的轉(zhuǎn)子電勢、電流和阻抗還應(yīng)按各自的變比進(jìn)行繞組折算?，F(xiàn)把頻率和繞組折算后的基本方程式匯總?cè)缦拢何濉⒌刃щ娐返?3頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四它們構(gòu)成的等效電路如圖第24頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 六、相量圖異步電機(jī)的相量圖與接有純電阻負(fù)載時(shí)的變壓器相量圖類似。感應(yīng)電機(jī)電阻壓降相當(dāng)于變壓器的副邊電壓，其余部分的畫法與變壓器相量圖的畫法相同，如圖所示。動畫第25頁，共73頁，2022年

10、，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四簡化形等效電路第26頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四13. 6 異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程式一、功率傳遞和損耗1、先介紹電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中的幾種損耗。 電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中，在電機(jī)內(nèi)部必然產(chǎn)生各種損耗，分別為：（1）在定子繞組輸入電流I1時(shí)，將在定子r1上產(chǎn)生損耗，把它叫定子銅耗 第27頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四（3）鐵芯損耗PFe定子鐵耗轉(zhuǎn)子鐵耗：正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子相對于n1的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子E2S 和I2的頻率f2=sf1很低，只有13Hz，PFe很小 （2）轉(zhuǎn)子繞組輸入電流I2時(shí)將在轉(zhuǎn)子R2 上產(chǎn)生損耗

11、，把它叫轉(zhuǎn)子銅耗 。第28頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四（4）電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由軸承摩擦和通風(fēng)引機(jī)的機(jī)械損耗,與其相應(yīng)，轉(zhuǎn)子上有制動性質(zhì)的機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩Tm產(chǎn)生的。由于電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中不可避免地有摩擦損耗和風(fēng)阻損耗，統(tǒng)稱機(jī)械損耗Pm。（5）由于定、轉(zhuǎn)齒槽的相對運(yùn)動以及磁場中的高次諧波分量影響，在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生附加損耗P .與之相應(yīng)的，產(chǎn)生制動性質(zhì)的附加損耗轉(zhuǎn)矩T 因而消耗電動機(jī)軸上機(jī)械功率。 小型異步機(jī) P (13)%P輸出 大型異步機(jī) P 0.5%P輸出第29頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四2、功率的傳遞 當(dāng)三相感應(yīng)電動機(jī)拖動機(jī)械負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)

12、行時(shí)，從電網(wǎng)吸收的電功率P1為：從“T”形等效電路可見，P1扣除銅耗PCu1鐵耗PFe之后第30頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四余下的是電磁Pem，再通過電磁感應(yīng)作用，借助氣隙磁場傳遞到轉(zhuǎn)子。第31頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四功率平衡關(guān)系第32頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四第33頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四由等效電路可知，傳遞到轉(zhuǎn)子邊的（）電磁功率PM扣除轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2之后，余下的全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械P ,稱總機(jī)械功率。轉(zhuǎn)子銅耗為第34頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分

13、，星期四所以機(jī)械功率P可寫成第35頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四以上兩式說明異步電機(jī)一項(xiàng)重要關(guān)系。即總機(jī)械功率是電磁PM的(1-s)部分，而轉(zhuǎn)子銅耗PCu2也稱為轉(zhuǎn)差功率。 總機(jī)械功率再扣除機(jī)械損耗Pm和附加損耗P后，是電動機(jī)軸上輸出的凈機(jī)械功率。第36頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四兩個重要關(guān)系式 可見，從氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率分為兩部分，一小部分變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅損耗，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭倷C(jī)械功率。轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)子銅損耗就越多，電機(jī)效率越低。因此正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率均很小。第37頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四總之，由

14、電網(wǎng)輸入到電機(jī)的電功率，在扣除電機(jī)內(nèi)部的五項(xiàng)損耗之后，才轉(zhuǎn)變?yōu)閺妮S端輸出的機(jī)械功率 ，故有功功率平衡式 P1=P2+PCu1+PFe+PCu2+Pm+P第38頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四例題 設(shè)有一臺380伏、50Hz，1450r/m、15kw，三角形聯(lián)結(jié)三相異步電機(jī)，定子參數(shù)與轉(zhuǎn)子參數(shù)如折算到同一邊時(shí)可作為相等，r1=r2=0.724，每相漏抗為每相電阻的4倍，rm=9，xm=72.4，并且電流增減時(shí)漏抗近似為常數(shù)。 試求(1)在額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率，電磁功率，總機(jī)械功率，以及各項(xiàng)損耗；(2) 最大電磁轉(zhuǎn)矩，過載能力，以及出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率。 第39頁，共7

15、3頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四解：（1）n11500r/m ，U1380V 所以ZZL/ 第40頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四輸入 第41頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四（2）最大 第42頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四 二、轉(zhuǎn)矩方程式 : 感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸上存在三種轉(zhuǎn)矩 ：（1）電磁轉(zhuǎn)矩T，它是由電磁功率轉(zhuǎn)化而來的。（2）空載轉(zhuǎn)矩T0，它是由機(jī)械損耗 Pm 和附加P所引起的制動轉(zhuǎn)矩。 （3）負(fù)載制動轉(zhuǎn)矩T2，它是轉(zhuǎn)子所拖動的負(fù)載反作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。 在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，旋轉(zhuǎn)體的功率等于作用在旋轉(zhuǎn)

16、體上的轉(zhuǎn)矩與它的機(jī)械角速度的乘積。 第43頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四在電動機(jī)中式中 機(jī)械角速度同步角速度 轉(zhuǎn)矩方程式：T=T2+T0=T2+Tm+T第44頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四三、電磁轉(zhuǎn)矩公式：為了加深對電磁轉(zhuǎn)矩物理意義的理解，從等效電路給出電磁T公式：又極對數(shù)電角速度第45頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四是一個常數(shù)對籠型轉(zhuǎn) m2=z2 N2=0.5 kw2=1上式表明：Tm與I2有功分量乘積成正比。第46頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四13.7 異步電動機(jī)的機(jī)械特性 電機(jī)參

17、數(shù)不變的情況下，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n隨著T變化的關(guān)系曲線，即 通常異步電動機(jī)用S表示轉(zhuǎn)子的速度，所以機(jī)械性可用S=f(T)來表示。 按照函數(shù)表達(dá)式T=f(s)給出曲線，稱作Ts曲線。機(jī)械持性是指：第47頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四一、三相異步機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式： 由簡化等效電路可得轉(zhuǎn)子電流I 的大小為第48頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四于是電磁轉(zhuǎn)矩上式中， U單位V伏特 電阻r、漏抗x 單位歐姆Tem 單位Nm在電網(wǎng)電壓u 、f和電機(jī)參數(shù)已知情況下,由上式算出Tem 與s一組數(shù),而后畫出s=f(Tem)曲線。第49頁，共73頁，2022

18、年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四普通三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線形狀如圖示在1s0范圍，電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在此范圍內(nèi)有一個Tmax出現(xiàn)：第50頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四當(dāng)s1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)在電磁制動狀態(tài)下運(yùn)行，是電動機(jī)運(yùn)行Tem-s曲線的延伸。隨sTem將繼續(xù)減小。當(dāng)s0時(shí)，正轉(zhuǎn)速度大于同步速度，異步電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行,Tem-s曲線形狀與電動機(jī)狀態(tài)相似第51頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四二、最大電磁轉(zhuǎn)矩和過載倍數(shù)1、Tmax 轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式表達(dá)了T=f(s)函數(shù)關(guān)系，為了求取Tmax對s求導(dǎo)數(shù)，并令dT/ds=0.

19、 求得Tmax對應(yīng)的sm為稱為臨界轉(zhuǎn)差率對繞線型轉(zhuǎn)子的電動機(jī) R2改R2=R2+R大轉(zhuǎn)子回路每相串入的可調(diào)電阻的折算值第52頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四式中 + 用于電動機(jī)運(yùn)行 - 用于發(fā)電機(jī)運(yùn)行由公式可見，一般發(fā)電機(jī)Tmax要稍大些通常因R1PCu2,故由s=PCu2/Pem 可見，當(dāng)P2=0 時(shí)s0。 隨P2=T2，要求異步電動機(jī)供給更大的轉(zhuǎn)矩，故Tem=T2T0也增加。第65頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四從異步機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的機(jī)械特性可見，s是隨著Tem的而。因此，當(dāng)P2時(shí)s也，轉(zhuǎn)差率特性是一條略微上翹的曲線 ,如圖示又 PCu2

20、sPem為保證具有較高的，通常，額定負(fù)載轉(zhuǎn)差SN一般控制在0.0150.05。第66頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四二、轉(zhuǎn)矩特性T2=f(P2)異步電動機(jī)端輸出轉(zhuǎn)矩T2 P2。電動機(jī)從空載至額定負(fù)載的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速n的變化量n是很小。所以，輸出T2=f(P2)曲線是一條接近直線略微上翹的曲線 ，如圖所示第67頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四三、定子電流特性I1=f(P2) 前已述及：第68頁，共73頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)52分，星期四四、功率因數(shù)特性Cos1=(P2) 異步電動機(jī)空載運(yùn)行時(shí)， 由于定子電流基本上是無功磁化電流，因此，空載時(shí)功率因數(shù)很低，通常0.2。 隨負(fù)載P2Tem,因?yàn)門emI2Cos2 轉(zhuǎn)子電流有功分量也 定子電流有功分量隨之使得電動機(jī)的Cos1。 對一般電機(jī)，在額定負(fù)載