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1、北航-LMS教研培训中心,电机及驱动库Electric Motors and Drives (EMD),2,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,3,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,4,基础 : 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
2、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。,5,基础: 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,磁通量 (Unit: Wb)通过面积S的磁通量定义为:,6,基础: 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:,软材料 小磁滞回路,硬材料大磁滞回路(永久磁体),7,基础 : 基本物理现象,洛仑兹（Lorentz）力洛仑兹（Lorentz）力描
3、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,8,基础 : 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。,9,基础 : 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,麦克斯韦力（Maxwell force）:作用于运动部分的力: 式中 R 是电阻,10,基础
4、 : 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,11,基础 : 电机,电机基础,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,12,基础 : 电机,电机类型:,Power kW,Velocity rpm,直流电机,同步电机,感应电机,开关磁阻电机,永磁电机,13,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,14,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
5、连线R-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: 直流电机,15,EMD 库: 直流电机,库中的模块:,信号,电,电 (三相),机械,16,EMD 库: 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,17,第一个例子: 直流电机定负载下启动,EMD
6、库: 直流电机,DCmotor.ame,模型假设:无磁心饱和定磁场强度,直流电机模型,18,第一个例子: 直流电机在定负载下启动,EMD 库: 直流电机,19,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: 电池,20,第二个例子: 电池供电直流电机,EMD 库: 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,charge,discharge,torque0,torque0,21,感应电机: 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
7、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 寿命长无干扰 缺点: 恒速,Ns, 同步速度 rpm, F 交流电频率 Hz, p 极对数,S: 滑动系数, Nr 转动速度 rpm,22,感应电机: 参考框架公式,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/dt,23,Parks 转换的原理,为了简化公式, 采用 Parks 转换: 将3绕组转为
8、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 power invariant transform),24,感应电机: Parks 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:,25,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: 感应电机
9、模型,IMmotor.ame,26,第三个例子: 自由加速度响应感应电机,EMD 库: 感应电机模型,27,EMD 库: 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负荷我们希望得到理想输入信号下（正弦）的好的近似值,28,EMD 库: 理想三相逆变器,AMESim block,主逆变模块公式,VA0,VB0,VC0,Van,Vbn,Vcn,Vswitch,Van = Vswitch (2VA0 - VB0 - VC0)/3;,Vbn = Vswitch (2VB0 - VC0 - VA0)/3;,V
10、cn = Vswitch (2VC0 - VA0 - VB0)/3;,29,第四个例子: 理想三相逆变器,EMD 库: 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 complementary,carrier,参考电压ge,30,第四个例子: 理想三相逆变器,EMD 库: 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.ame,31,EMD 库: 理想三相逆变器,第四个例子: 理想三相逆变器,32,目录,基础回顾基本物理现象电机基础
11、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,33,电机控制: 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: 测量定子和转子的速度并把这些信息反馈到
12、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。,34,电机控制: 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,35,电机控制: 速度控制环,MotorSpeedControl.ame,目的: 当转矩变化时保持速度恒定,36,电机控制：同步电机 - 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),Ns, 同步速度 rpm, F 交流电频率 Hz, p 极对数,37,电机控制: 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:,38,第六个例子: 永磁同步（PMSM）电机电流滞环控制,电机控制: 电流滞环控制,PMSMmotor.ame,通常采用的控制: 电流滞环控制,39,电机控制: 电流滞环控制,第六个例子: 永磁同步（PMSM）电机电流滞环控制,谢谢！,
