1、電機簡要學習手冊2015-2-3.一、直流電機原理與控制方法1 直流電機簡介直流電機（DM）是指能將直流電能轉換成機械能 （直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機） 的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。 當它作電動機運行時是直流電動機， 將電能轉換為機械能； 作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。直流電機由轉子 （電樞）、定子（勵磁繞組或者永磁體）、換向器、電刷等部分構成，以其良好的調速性能以至于在矢量控制出現以前基本占據了電機控制領域的整座江山。但隨著交流電機控制技術的發展，直流電機的弊端也逐漸顯現， 在很多領域都逐漸被交流電機所取代。但如今直流電機仍然

2、占據著不可忽視的地位， 廣泛用于對調速要求較高的生產機械上，如軋鋼機、電力牽引、挖掘機械、紡織機械，龍門刨床等等，所以對直流電機的了解和研究仍然意義重大。'.2 直流電動機基本結構與工作原理2.1 直流電機結構如下圖，是直流電機結構圖，電樞繞組通過換向器流過直流電流與定子繞組磁場發生作用，產生轉矩。定子按照勵磁可分為直勵，他勵，復勵。電樞產生的磁場會疊加在定子磁場上使得氣隙主磁通產生一個偏角，稱為電樞反應，通常加補償繞組使磁通畸變得以修正。2.2 直流電機工作原理如圖所示給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據電磁

3、力定律，載流導體ab 和cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動。如果轉子轉到如上圖 （b）所'.示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba，從電刷 B 流出。此時載流導體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產生的轉矩的方向卻是不變的。發電機的原理則是電機的逆過程：原動機提供轉矩，

4、利用法拉第電磁感應產生直流電流。如下圖，比較清晰的說明了直流電動機的原理。3 直流電機重要特性如下圖，更加清晰的揭示了直流電機電流電壓與轉速轉矩之間的關系。我們可以得到直流電機的四個基本方程：'.U=E+I*R(1)+E=Ce*n(2)=*T=Ct*I(3)=*Tm-TL-T0=J*dw/dt(4)3.1 直流電機反電動勢推導'.3.2轉矩方程推導一個主極下導體產生的轉矩：Ni a，因 I a2ai a ， p 為磁極對數，由 T2則電樞全部導體產生的電磁轉矩為：Tem 2pT2p N2ai apN I a KT I a22a2 a重要結論 ：TemKT I a其中轉矩系數、轉

5、矩常數K TpN2 a特點：直流電動機電磁轉矩與每極磁通和電樞電流的乘積成正比。對他勵DCM，不考慮電樞反應影響時、勵磁電流恒定時，有TC I，CKT常數有量綱：emT aTWb優點：直流電動機的電磁轉矩直接受電樞電流控制【線性、能觀能控】KT 與 Ke 的關系'.公式 T* =Pm=Ea*Ia 正好驗證了反電動勢產生的電磁能全部轉化成總的機械能。其中， T* =Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (單位： W)3.3 能量關系電源輸入的電能磁場中能量的增加輸出的機械能減去加上加上電阻中能量損耗鐵芯中損耗的能量通風 , 摩擦損耗的能并勵時P1UIUI f UI

6、 a Pcuf UI a忽略勵磁電路銅耗：P1UI a Pcua Pem Pcua PFe P P2 Pcua P0 P2'.電動機的功率流圖PPP21emPPPPF ec u aP0c u f其中 P0 就是空載轉矩，基本可認為變化不大，常當做恒定值?，F在看第四個方程Tm-TL-T0=J*dw/dt, 兩邊同乘于，用電機常用參數表示，則可得公式Tm-TL-T0=GD2/375*dn/dt.3.4 直流電機特性曲線在勵磁磁通恒定的情況下， 電機特性曲線如下圖， 由于良好的線性特性， 所以電機調速范圍廣，線性度好。4 直流電機控制系統傳統的直流電機調速，通常是以下幾種'.4.直流

7、電機調速由于傳統調速原理已被大家廣為熟知， 所以不再贅述， 這里主要介紹直流雙閉環調速系統。近年來，隨著電力電子技術的迅速發展， 由晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統已取代了發電機 - 電動機調速系統，它的調速性能也遠遠地超過了發電機 - 電動機調速系統。特別是大規模集成電路技術以及計算機技術的飛速發展， 使直流電動機調速系統的精度、 動態性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術中 IGBT 等大功率器件的發展正在取代晶閘管，出現了性能更好的直流調速系統。以下是基于直流電機的雙閉環調速系統：該調速系統的特點是：'.動態特性如圖所示：啟動時，能保證電機以最大允許啟動電流快速啟動，保證了

8、電機啟動轉矩，提高了快速性能，一旦達到額定轉矩，電機電流下降，轉速快速進入穩定范圍。該調速系統能抗負載擾動和電網電壓波動，是一種高性能的調速系統。'.二 .交流異步電機1.異步電機簡介1.1 物理結構定子結構轉子結構1.2 物理模型2.異步電機矢量控制基本理論2.1 異步電機的數學模型在研究異步電動機的數學模型時，還需做如下假設：'.1）忽略其在空間諧波，設三相繞組對稱，且在空間互差 120°電角度，所產生的磁動勢沿氣隙按正弦規律分布；2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；3）忽略鐵心損耗；4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。三相異步電動機的物理模

9、型如圖2.1 所示，轉子繞組軸線a 、 b 、 c 以角速度隨轉子旋轉，定子三相繞組軸線A 、 B 、 C 在空間上是固定的。以定子軸線 A 軸為參考坐標軸，轉子a 軸和定子 A 軸之間的電角度為空間角位移變量。規定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。Bu Bbi Bau bi bu ai aAi Au Ai ci CucuCCc圖 2.1三相異步電動機的物理模型2.1.1異步電機三相動態模型數學表達式異步電動機的動態模型由磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程組成，其中磁鏈仿真和轉矩方程為代數方程，電壓方程和運動方程為微分方程。1）磁鏈方程ALAALABLACLAaL

10、AbLAciABLBALBBLBCLBaLBbLBciBC=LCALCBLCCLCaLCbLCciC（ 2.1）LaALaBLaCLaaLabLaciaabLbALbBLbCLbaLbbLbcibcLcALcBLcCLcaLcbLccic式中i A，iB，iC，ia，ib，ic為定子和轉子相電流的瞬時值；A，B，C，a ， b ， c 為各項繞組的全磁鏈。2）電壓方程三相定子繞組的電壓方程為'.u AdAi A R sdtu BdB(2.2)i B R sdtu CdCi C Rsdt與此相對應，三相轉子繞組折算到定子側后的電壓方程為u ai a Rrddtu bi bRrddtu c

11、i cRrddtab(2.3)c式中 u A ， u B ， u C ， u a ， u b ， u c 為定子和轉子相電壓的瞬時值；R s ，R r 為定子和轉子繞組電阻值。3）轉矩方程根據機電能力轉換原理，在線性電感的條件下，可得到轉矩方程為：Ten p L ms ( i A ia i B i biC i c ) sin( i A i bi B i ci C i a ) sin(120 )( i A i ci B i ai C i b ) sin(120)(2. 4)4）運動方程運動控制系統的運動方程為JdwTL(2. 5)n pTedt式中 : J 為機組的轉動慣量，T L 包括摩擦阻轉

12、矩的負載轉矩.2.1.2坐標變換由于異步電動機三相原始動態模型相當復雜， 若在三相坐標系下分析和求解異步電動機的方程則顯得十分困難。 因而必須予以簡化，才能在實際中得到運用，使用坐標變換是化簡電動機方程的基本原理。 由于異步電動機中有一個復雜的電感矩陣和轉矩方程使得異步電動機數學模型變的復雜， 這個復雜的電感矩陣和轉矩方程體現了異步電動機的能量轉換和電磁耦合的相互關系。 為此，需要從電磁耦合關系出發簡化數學模型。1)三相 -兩相變換三相異步電動機的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動機定子繞組、，各相磁勢矢量的空間位置如圖2.2 所示'.BN 2iFN 3 i B13ON 3 i AN

13、 2 iA3N 3 i CC圖 2.2三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量根據變換前后總磁動勢不變和變換前后總功率相等的原則 ,3s/2s 變換用矩陣可表示為N2 iN3 (iA1 i B1 iC )(2. 6)22N 2 i3 N 3 ( i BiC )(2. 7)2i111iAN322iB(2.8)iN2330iC22根據前后變換的總功率不變，可求得匝數比為：N 3N 22C3/232(2.9)=3111223(2.10)30222) 靜止兩相 -旋轉正交變換qN 2iFN 2 i1dN2 iqN 2 idON 2iA圖 2.3靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系中的磁動勢矢量從靜止兩相

14、正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換，稱作靜止兩相 - 旋轉正交變換，簡稱為 2s/2r 變換（其中 s 表示靜止， r 表示旋轉），變換同樣是磁動勢相等原則。由圖 2.3 可知i dicosisin(2.11)i qisinicos(2.12)'.寫成矩陣形式，得idcossini(2.13)iqsincosiC2s/2 rcossinsin(2.14)cos2.1.3靜止兩相正交坐標系中的動態數學模型從異步電動機的物理模型可知，異步電動機定子繞組是靜止的，因此只要進行 3/2 變換就行了， 而對于轉子繞組而言， 在實際過程中轉子是旋轉的， 因此必須先通過三相到兩相變換， 再通過旋轉到靜

15、止的變換， 才能變換到靜止兩相正交坐標系。1）電壓方程usRs000isus0Rs00isdur=0R0ir0dtrur000Rrirs 0s 0(2.15)rrrrrr2）磁鏈方程為sLs0Lm0iss0Ls0Lmis=0Lr0ir(2.16)rLmr0Lm0Lrir3）轉矩方程Te n p Lm (is i r i s ir )(2.17)通過旋轉變換， 改變了定、轉子繞組間的耦合關系， 使用相對靜止等效繞組代替相對運動的定、轉子繞組，使得磁鏈和轉矩不受定、轉子繞組間夾角對的影響。旋轉變換將非線性變參數的異步電機磁鏈方程轉化為了線性定常的方程，但是加劇了電壓方程中的非線性耦合程度， 將矛盾

16、從磁鏈方程轉移到電壓方程中來了，并沒有改變對象的非線性耦合性質。2.1.4旋轉正交坐標系中的動態數學模型1）電壓方程1'.usdRs000isdusq0R00isqd=surd00Rr0ird dturq000Rrirq2）磁鏈方程為 1sd1sqsq1sd（2.18 ）rd(1)rqrq(1)rdsdLs0Lm0isdsq0Ls0Lmisq=0Lr0ird(2.19)rdLmrq0Lm0Lrirq3）轉矩方程 1Ten p Lm (isq i rd isd i rq )(2.20)旋轉變換將原來靜止的定子繞組使用旋轉的繞組代替， 并使等效的轉子繞組與等效的定子繞組重合， 保持嚴格同步

17、， 等效的后定、 轉子繞組間不存在相對運動。從異步電機的模型來看，旋轉正交坐標系（ dq 坐標系）中的動態數學模型還不如靜態靜止兩相正交坐標系 （ ， ）中的簡單， 但是，從方程中可以看出，旋轉正交坐標系較靜止兩相正交坐標系的優點在于增加了一個輸入量1 ，提高了系統控制的自由度，磁場定向控制就是通過選擇1 而實現的。旋轉速度任意的正交坐標系無實際使用意義， 常用的是同步旋轉坐標系， 將繞組中的交流量變為直流量，以便模擬直流電動機進行控制。2.2轉子磁鏈定向矢量控制按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想是通過坐標變換， 在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中， 得到等效的直流電動機模型， 然后按照直流電

18、動機的調速方法來控制電磁轉矩與磁鏈， 然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量， 以實施控制。 由于變換的變量是矢量， 因此這樣的坐標變換也稱作矢量變換，對應的控制系統稱為按轉子磁鏈定向控制系統。令 d 軸與轉子磁鏈矢量重合， 稱作按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系，簡稱 mt坐標系；由于 m軸與轉子磁鏈矢量重合，因此rmrdr(2.21)rtrq0(2.22)為了保證 m 軸與轉子磁鏈矢量始終重合，還必須使'.d rtd rq0(2.23)dtdt從而得到 mt坐標系中的狀態方程d=np2 LmistnpTLdtJLrrJdr1rLm ismdtTrTr(2.2

19、4)RsL2rRr L2m i smdismLmr1istusmdtLsLrTrLsL2rLsdistLmrRsLr2Rr Lm2ist1ismustdtLs LrLsLr2Ls導出 mt坐標系的旋轉角速度L mi st(2.25)1= +T rrmt坐標系旋轉角速度與轉子轉速之差定義為轉差角頻率L mi st(2.26)s= 1T rr可以求得 mt坐標系中的電磁轉矩表達式n p L m(2.27)T erL r i st由上面的公式可以看出， 通過按轉子磁鏈定向， 可以將定子電流分解為勵磁分量 i sm 和轉矩分量 i st ，轉子磁鏈r 僅由定子電流勵磁分量 i sm 產生，而電磁轉矩

20、T e 正比于轉子磁鏈和定子電流轉矩分量的乘積i str ，實現了定子電流兩個分量的解耦，而且降低了微分方程組的階次。2.3轉子磁鏈計算由于轉子磁鏈的直接檢測比較困難， 在異步電機交流調速系統中采用按模型計算的方法，即利用容易測得的電壓、 電流或轉速等信號， 借助于轉子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值和空間位置。 轉子磁鏈模型可以更具電動機數學模型的公式推導出來，也可以利用狀態觀測器或狀態估計理論得到閉環的觀測模型。 在實際中，多用比較簡單的計算模型。 在磁鏈計算的模型中， 由于主要測量的信號不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。'.2.3.1電流模型1) 在坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型由

21、實測的三相定子電流通過3/2 變換得到靜止兩相正交坐標系上的電流，在利用坐標系中的數學模型計算轉子磁鏈在軸上的分量：dr1rrrLmi sddtTrTr(2.28)r1rrrLmi sdtTrTr也可表述為：1(Lmisr TrrrTr s11(Lmisr TrrrTr s1)(2.29)在坐標系中計算轉子磁鏈時，即使系統達到穩定，由于電壓、電流和磁鏈均為正弦量，計算量大，程序復雜，對計算步長敏感。圖2.4 為坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型。is+1rcosLm×Tr s1÷×Tr×is+Lm×2 2rrr1÷sinTr s1r圖 2

22、.4坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型2）在 mt坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型d r1rLm i smdtTrTr(2.30)1 Lm ist Tr r三相定子電流 iabc 經過坐標變換，再按照轉子磁鏈定向，得到mt坐標軸上'.的電流 i st ， i sm ，從而求得r 和s 信號，由s 與實測轉速相加得到定子頻率信號 1 ，再經過積分即為轉子磁鏈的相位角。和第一種模型相比，這種模型更容易收斂，計算量更小，而且也比較準確。i AisismL mr3/2旋轉T rs1變換變換2s/2riBisi st÷L m+×1 1T rss+sincossincos圖 2.5

23、在 mt坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型上述討論的兩種計算轉子磁鏈的電流模型都是需要實際測量的電流和轉速信號，不論電機運行在高速還是低速時都能夠適用， 但從其方程中可以看出， 轉子磁鏈的計算受到電動機參數變化的影響。 如電動機溫度的升高、 頻率的變化影響轉子電阻 Rr，磁鏈的飽和程度會影響電感 Lm和 Lr 。由于這些影響的存在， 會使得計算的磁鏈幅值與位置信號產生失真， 轉子磁鏈信號的失真必然使磁鏈閉環控制系統的性能降低，這是電流模型的不足之處。2.3.2電壓模型根據電壓方程中感應電動勢等于磁鏈變化率的關系， 取電動勢的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型叫做電壓模型。rLr(usRsis )dtL

24、s isLm（2.31 ）Lrr(usRsis )dtLsisLm式中： TrLr1- L2mRrLsLr'.us+×1sLrrcoss+×Lm÷isRsLs22rrrus+×1sLrrsin+×sLm÷isRsLs圖 2.6計算轉子磁鏈的電壓模型電壓模型通過實測的電流和電壓信號來計算定子磁鏈。從電壓模型的表達式中可以看出，計算轉子磁鏈是不需要轉速信號的，并且與轉子電阻Rr 無關。相對于電流模型而言，電壓模型受電動機參數變化的影響比較小，而且算法簡單，適合在實際中運用。 電壓模型的缺點是其計算表達式中包含純積分項，積分的初始值

25、和累積誤差都會影響計算結果，在低速時，定子電阻壓降變化的影響也比較大。比較電壓模型和電流模型， 電壓模型更適合于中、 高速范圍， 而電流模型能適應低速。實際中可以將兩者模型結合起來，在低速時采用電流模型，在中、高速時采用電壓模型， 解決好兩者的過渡問題， 便可以提高整個運行范圍中計算轉子磁鏈的準確度。3.具體控制方案3.1 控制框圖×速度調轉矩電×電流調節器流計算節器Park 逆SVPWM變換勵磁電×電流調流計算節器轉子磁ParkClark鏈角度變換變換計算MPG'.3.2 基于瑞薩 RX62T 系統的實現方案AC常閉節點整流器逆變器R 0R 1C 0MR

26、 2欠壓/ 過壓保護過流保護電流采樣ADMTU3_PWM數碼管EEPROMRX62T按鍵MAX485 通訊溫度檢測系統總體硬件框圖基本架構系統硬件和軟件初始化中斷使能12KHz中斷10ms主程序循環系統總體軟件框圖主程序Eeprom參數更新循環控制面板指令與顯示A/D偏移電壓讀取外設初始化MAX485通訊變量初始化參數 / 變量更新開定時中斷系統主程序框圖'.中斷服務程序定時中斷入口進入 A/D 中斷現場保護電流值讀取否3/2 變換電機運行是轉速估算禁制 PWM輸出A/D 電流采樣開始PI 調節速度環和電流環A/D 電流采樣轉換完畢坐標變換SVPWM輸出恢復現場系統中斷框圖三 .交流同

27、步電機1 同步電動機結構同步電機即轉子的轉速恒等于定子旋轉磁場的轉速的電機。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機運行。 作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式， 作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節， 在不要求調速的場合， 應用大型同步電動機可以提高運行效率。 近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。 同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率， 以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。2 同步電動機矢量控制原理2.1 工作原理

28、定子三相繞組通入三相交流電后會形成旋轉的磁勢， 其速度 n1=60f/p( 即同步轉速 ) 。其中 p 為極對數， f 為通入三相交流電的頻率。異步電機中，轉子是三相閉合回路， 旋轉磁場切割轉子回路， 產生感應電動勢， 在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。 轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用， 產生電磁力矩， 使轉子旋轉。 所以轉子速度和同步速度之間（定子磁鏈速度）有個轉差，故稱為異步電機。在同步電機中，轉'.子為永磁體或是通過直流勵磁建立起轉子磁場，如圖所示：同步電機轉速可以達到定子磁鏈轉速（即同步轉速），轉子速度 n2=n1=60f/p

29、.即電樞繞組的磁場旋轉速度與轉子旋轉方向一致，轉速相同。很重要的一點是同步電機定、轉子的 磁極 數必須相同，否則電機是不能運轉的。而對于異步或感應電機來講，其轉子的極數是自動感應定子極數的。也可以講，轉子是沒有極數的。2.2 結構形式同步電機根據轉子結構可分為凸極式和隱極式同步電機。凸極式同步電機轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，如圖所示。當勵磁線圈中通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現一定的極性，相鄰磁極交替為 N 極和 S 極。對水輪發電機來說， 由于水輪機的轉速較低， 要發出工頻電能， 發電機的極數就比較多， (根據同步轉速公式 )做成凸極式結構工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。水輪發電機隱極式轉子上