1目录目录(mùlù)•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(Park’s转换(zhuǎnhuàn))•电机控制•速度控制环•磁场定向矢量控制•电流滞环控制第1页/共40页第一页，共41页 2目录目录(mùlù)•基础•基本物理现象•电机基础•EMD库•直流电机•电池•感应电机(Park’s转换)•电机控制•速度(sùdù)控制环•磁场定向矢量控制•电流滞环控制第2页/共40页第二页，共41页 3基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart）ØBiot-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Ø楞次定律（Lenz’ ）:Ø感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因 Ø法拉第定律（Faraday’s）:Ø磁场中导线线圈的任何(rènhé)变化会圈中产生感应电压 第3页/共40页第三页，共41页 4基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø磁通密度 B (unit: T or Wb/m2)Ø产生磁场(cíchǎng)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(xiànquān)和磁铁Ø磁通量 Φ (Unit: Wb)通过面积S的磁通量定义为: 第4页/共40页第四页，共41页 5基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø磁场强度 H (Unit: A/m)Ø磁场强度显示(xiǎnshì)磁性材料的作用 Ø在空隙中: Ø在磁性材料中: ü软材料(cáiliào) ü小磁滞回路ü硬材料大磁滞回路(永久磁体)第5页/共40页第五页，共41页 6基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø洛仑兹（Lorentz）力Ø洛仑兹（Lorentz）力描述(miáo shù)了作用于磁场中的移动电荷的力 Ø拉普拉斯（Laplace）法则Ø 拉普拉斯法则（Laplace）描述(miáo shù)了作用于磁场中的导线的力 第6页/共40页第六页，共41页 7基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø拉普拉斯-洛仑兹关系(guān xì)ü磁场和电荷的交互作用被用于机电系统:üF = Bli和 e = Blvü(Laplace-Lorentz 关系)ü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(cí lù)中的意义。
第7页/共40页第七页，共41页 8基础基础(jīchǔ):基本物理现象基本物理现象Ø磁场公式(gōngshì): 麦克斯韦法则（Maxwell）Ø安培定律（Ampere’s law）Ø法拉第定律（Faraday’s law）Ø磁通量守恒Ø电流守恒Ø麦克斯韦(mài kè sī wéi)力（Maxwell force）:Ø作用于运动部分的力:Ø 式中 R 是电阻第8页/共40页第八页，共41页 9基础基础(jīchǔ):电机电机Ø电机基础Ø 电机将电能(diànnéng)转化为机械能反之，将机械能转化为电能(diànnéng)是由发电机来实现的Ø Electrical motor第9页/共40页第九页，共41页 10基础基础(jīchǔ):电机电机Ø电机(diànjī)基础Ø 磁铁磁力线绕组转子定子磁极麦克斯韦(mài kè sī wéi)拉普拉斯麦克斯韦力通常更大Ø电机中的力拉普拉斯或麦克斯韦 第10页/共40页第十页，共41页 11基础基础(jīchǔ):电机电机Ø电机(diànjī)类型:]Wk [ rewoPVelocity [rpm]直流电机同步电机感应(gǎnyìng)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-第11页/共40页第十一页，共41页。
12目录目录(mùlù)•基础•回顾(huígù)基本物理现象•电机基础•EMD库•DC电机•电池•感应电机(Park’s转换)•电机控制•速度控制环•磁场定向矢量控制•电流滞环控制第12页/共40页第十二页，共41页 13 EMD 库: 一系列经过(jīngguò)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-L 节点Park正逆变换 理想三相(sān xiānɡ)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: 直流电机直流电机第13页/共40页第十三页，共41页 14 EMD 库库: 直流电机直流电机Ø库中的模块库中的模块(mó kuài):信号(xìnhào)电电 (三相(sān xiānɡ))机械第14页/共40页第十四页，共41页 15EMD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(fāngxiàng)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 电扰动第15页/共40页第十五页，共41页 16第一个例子: 直流电机定负载(fùzài)下启动 EMD 库库: 直流电机直流电机DCmotor.ame模型假设(jiǎshè):无磁心饱和定磁场强度Ø 直流电机模型(móxíng)第16页/共40页第十六页，共41页 17第一个例子: 直流电机在定负载(fùzài)下启动 EMD 库库: 直流电机直流电机第17页/共40页第十七页，共41页 18Ø 电池(diànchí)模型: 内阻模型,采用压力源和内部阻尼来表征电池(diànchí)特性Ø 开路电压和内部阻尼的实验数据 (SOC) Ø 不考虑热影响 EMD 库库: 电池电池(diànchí)第18页/共40页第十八页，共41页 19第二个例子(lì zi): 电池供电直流电机 EMD 库库: 电池电池(diànchí)Battery.ameü 正扭矩负载: 作为一个电机(diànjī)，电池放电ü 负扭矩负载: 作为一个发电机(diànjī)，电池充电chargedischargetorque>0torque<0第19页/共40页第十九页，共41页。
20感应电机感应电机(diànjī):原理原理Ø 三相供电的相位差在电机内部产生了旋转的电磁场Ø 旋转磁场(xuán zhuǎn cí chǎnɡ)在转子导体内感生出电流，使转子随着磁场旋转方向旋转 Ø 转子的旋转速度比多相供电产生的旋转磁场(xuán zhuǎn cí chǎnɡ)慢鼠笼感应(gǎnyìng)电机 (Leroy-Somer)转子: 绕线式或鼠笼式 (最常用): Ø 优点:ü 便宜ü 噪音低ü 寿命长ü无干扰 Ø 缺点:ü 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]第20页/共40页第二十页，共41页 21感应电机感应电机:参考框架参考框架(kuànɡjià)公式公式对每个绕组(ràozǔ):对6个相位(xiàngwèi):(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第21页/共40页第二十一页，共41页 22Park’s转换转换(zhuǎnhuàn)的原理的原理Ø 为了简化公式, 采用(cǎiyòng) Park’s 转换: 将3绕组转为2绕组:Ø ABC to dq0 and dq0 to ABC 转换(zhuǎnhuàn):C: constant (2/3, 1 for non power invariant transform, √(2/3) for power invariant transform)第22页/共40页第二十二页，共41页。
23感应电机感应电机(diànjī):Park’s框架的公式框架的公式ü定子电压(diànyā):üü转子方面 (转子电压(diànyā)为0，因为转子侧是短路):üü ü定子磁通量公式:üü转子磁通量公式:üü电磁转矩:üü频率间关系:ü动态方程:第23页/共40页第二十三页，共41页 24第三个例子(lì zi): 自由加速度响应感应电机Ø感应(gǎnyìng)公式:Ø采用(cǎiyòng) Park’s 转换ØFrame fixed to the rotor:Øωr = 0Øωs = -p . ωm EMD 库库: 感应电机模型感应电机模型IMmotor.ame第24页/共40页第二十四页，共41页 25第三个例子: 自由加速度响应感应(gǎnyìng)电机 EMD 库库: 感应电机感应电机(diànjī)模型模型第25页/共40页第二十五页，共41页 26 EMD 库库: 理想理想(lǐxiǎng)三相逆变器三相逆变器第四个例子: 理想(lǐxiǎng)三相逆变器Ø 这个例子显示脉宽调制 (PWM)技术Ø这个技术是数字编码模拟信号的方式Ø逆变器的功能是连接供电和负荷(fùhè)Ø我们希望得到理想输入信号下（正弦）的好的近似值第26页/共40页第二十六页，共41页。
27EMD库库:理想理想(lǐxiǎng)三相逆变器三相逆变器AMESim block主逆变模块(mó kuài)公式VA0VB0VC0VanVbnVcnVswitchVan = Vswitch (2VA0 - VB0 - VC0)/3;Vbn = Vswitch (2VB0 - VC0 - VA0)/3;Vcn = Vswitch (2VC0 - VA0 - VB0)/3;第27页/共40页第二十七页，共41页 28第四个例子: 理想(lǐxiǎng)三相逆变器 EMD 库库: 理想理想(lǐxiǎng)三相逆变器三相逆变器Ø 这个例子用正弦－三角PWM来说明Ø这种调制方法(fāngfǎ)比较采用正弦波调制（低频）和三角波调制（高频）Ø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ge第28页/共40页第二十八页，共41页 29第四个例子: 理想(lǐxiǎng)三相逆变器 EMD 库库: 理想理想(lǐxiǎng)三相逆变器三相逆变器基于脉宽调制的模型，采用(cǎiyòng)阻性，感性负载PTPinverter.ame第29页/共40页第二十九页，共41页。
30 EMD 库库: 理想理想(lǐxiǎng)三相逆变器三相逆变器第四个例子: 理想(lǐxiǎng)三相逆变器第30页/共40页第三十页，共41页 31目录目录(mùlù)•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(Park’s转换(zhuǎnhuàn))•电机控制•速度控制环•磁场定向矢量控制•电流滞环控制第31页/共40页第三十一页，共41页 32电机控制电机控制(kòngzhì):概论概论Ø 直流电机不受磁通量和转矩控制的约束Ø 缺点: 磨损, 价格, 动力Ø 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Ø 一些经典控制方法:Ø 转矩控制: Ø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Ø 标量控制:Ø通过改变变频器的输出频率(pínlǜ)来控制电机转速电机速度由频率(pínlǜ)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Ø 矢量控制: Ø测量定子和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。
第32页/共40页第三十二页，共41页 33电机电机(diànjī)控制控制:速度控制环速度控制环Ø 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 Ø 双向 (电机/发电机)Ø 与具体物理结构(jiégòu)无关转矩命令(mìng lìng)Ø 对于长期仿真有用第33页/共40页第三十三页，共41页 34电机电机(diànjī)控制控制:速度控制环速度控制环MotorSpeedControl.ameØ 目的: 当转矩变化时保持速度(sùdù)恒定第34页/共40页第三十四页，共41页 35电机控制电机控制(kòngzhì)：同步电机：同步电机-原理原理Ø 构造:Ø 3相定子 (与感应电机一样)Ø 转子绕组或永久磁铁Ø同步运行 (无滑移).Ø 经常由晶体管变频驱动(qū dònɡ)器来驱动(qū dònɡ) Ø 可以当作交流发电机来用Ø 有时作为牵引电机 (TGV)Ns, 同步(tóngbù)速度 [rpm], F 交流电频率 [Hz], p 极对数第35页/共40页第三十五页，共41页 36电机控制电机控制(kòngzhì):同步电机模型同步电机模型环形(huán xínɡ)转子凸极ü 定子电流(diànliú):üü 定子磁通量:ü 转子磁通量:ü 转矩:üü 第36页/共40页第三十六页，共41页。
37第六个例子: 永磁同步(tóngbù)（PMSM）电机电流滞环控制电机电机(diànjī)控制控制: 电流滞环控制电流滞环控制PMSMmotor.ameØ 通常(tōngcháng)采用的控制: 电流滞环控制第37页/共40页第三十七页，共41页 38电机控制电机控制(kòngzhì): 电流滞环控制电流滞环控制(kòngzhì)第六个例子: 永磁同步(tóngbù)（PMSM）电机电流滞环控制第38页/共40页第三十八页，共41页 谢谢谢谢(xièxie)！！第39页/共40页第三十九页，共41页 40感谢您的观赏(guānshǎng)！第40页/共40页第四十页，共41页 内容(nèiróng)总结1第2页/共40页毕奥-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第3页/共40页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旋转(xuánzhuǎn)磁场在转子导体内感生出电流，使转子随着磁场旋转(xuánzhuǎn)方向旋转(xuánzhuǎn)。
通过转矩参考进行电机转矩控制第四十一页，共41页。