第3章电动机转矩转速控制.

第3章电动机转矩转速控制本章主要内容§3.1旋转电动机基本原理§3.2直流步电动机原理与特性§3.3直流电动机驱动电路§3.4直流电动机转矩转速控制§3.5无刷直流电动机调速系统§3.6永磁同步电动机矢量控制§3.7交流感应电动机原理与特性§3.8交流感应电动机变频调速§3.9交流感应电动机矢量调速交流电动机电动机直流电动机鼠笼式绕线式异步电动机同步电动机他励、异励、串励、复励电动机的分类固定磁阻变磁阻开关磁阻电机变磁阻步进电机本章重点讨论内容：固定磁阻电动机的基本结构、工作原理、机械特性、数学模型以及转矩和转速控制问题。n1nei§3.1旋转电动机基本原理NSf磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定方向用左手定则确定磁场旋转f在机械运动控制中，是电能经过耦合磁场转换为机械能的过程。关键是耦合磁场及其对电系统和机械系统的作用与反作用。Tem作用于电磁回路的电磁转矩表示与电磁回路交链的磁场磁链i表示流经产生磁场的电磁回路的电流§3.1.1电磁转矩与感应电动势耦合磁场具有电路和机械两个独立端点对。电路端点对具有一对独立变量(,)i。机械端点对的一对独立变量,)emT（为电磁转矩作用下的机械节点的角位移若取为独立变量，则磁链可表示为设电动机是由n个导体回路组成的系统，该系统的磁场同等能量可表示为(,)i,)i=（'mW'''1101(,)(,,,,0,,0;)dknimkkkkWiiiii'''1101constant(,)(,,,,0,,0;)dknimemkkkkiWiTiiii1ddddnjjkjkkieitt§3.1.2固定磁组电动机①转子和定子的导磁率足够高，使得在他们内部的磁阻与气隙磁阻相比小得可以忽略不计。②气隙g和转子半径R与长度l相比足够小，使得端部的杂散磁场和气隙磁场沿径向的变化可以忽略不计；③嵌线槽的宽度和深度在圆周和径向两个方向对磁场的影响都可以忽略不计。1122112211221122,02,2,2,2rrrrNiNiHgNiNiHgNiNiHgNiNiHg四个区域的磁场强度110022011122122ddrrmmNHlRNHlRLiLiLiLi其计算结果分别为对于的情况可以得到相同关系，只是互感改为0122(1),mLLNN磁场同等能量1221222'''''112111200''''11111220022111122(,0;)d(,;)dd(())d11()22iimiiWiiiiiiLiiLiLiiLiLiiLi电磁转矩'01212012122,02,0mmLNNiiWTLNNii§3.1.3变磁组电动机02cos2LLL02(cos2)LiLLi'''0201d(cos2)2imWLiiLLi'22sin2memWTLi§3.1.4能量转换关系1'1NmjjemjNmjjemjdWidTddWdiTd00dd0dd0NjjemjNjjemjiTiT蜒蜒机械能与电能的转换关系：02(sin2)cosiLLLtIt'22021(sin2)cos2mWLLtIt2222cosemTLIconstt''20/4,02/4,212mmttWWLI磁链磁场同等能量电磁转矩022320222d()(sin2cos2cossin2sin)d()(sin2cos4coscossin)d()tLItLIttLItttILtLtLtLttt电路提供的能量为2222020042222222022222()d()(sincos2cos4cos2cossin)d()1[sin(sin)2231(sin2sin4)2811(sin4)]4162ittILttLtLtLtttLItLttLtttLttLI电的能量消耗§3.1.5电动机的一般数学模型1(,),1,,njjkjjjjkkdiurijnidt电压平衡方程：任一回路的外加电压等于回路电阻上的压降与感应电动势之和。转矩平衡方程：电磁转矩减去负载阻转矩后的剩余转矩用于加速电动机轴上的惯性负载。()(,,,)(,,)emLdJTitTtdtddt磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势vlBe导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流i（左手定则）通电导线在磁场中受力ilBfn1neiNSf1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：2.线圈比磁场转得慢1nnn1neiNSf异步三相异步机的结构YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。线绕式鼠笼式鼠笼转子旋转磁场的产生AYCBZ§3.1.6三相异步电动机的工作原理AiBiCimIt1n(•)电流出()电流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmA0tAXYCBZNSAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁场方向：向下180tXBZ1nAYC60tAXYCBZSN1n60A120tXYCBZ1n同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：AiBiCitmI旋转方向：取决于三相电流的相序。1n1n改变电机的旋转方向：换接其中两相。AiBiCimItAiCiBimIt旋转磁场的旋转方向旋转磁场的转速大小分）转/(601fn一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°电流频率为fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：n1称为同步转速分转/3000,501nHzf极对数（P）的概念BiAXBYCZAiCi1p此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZNS极对数（P）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCi将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。'X'AAXBY'B'YCZ'C'Z极对数2pA'XX'ANSSNZC'Z'CBY'B'YC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiCiBiAiBiCimIt0tXNSASNZB'X'AYC'Z'B'C'Y0t分）转/(601pfn60t'A0nAZ'XXC'Z'CSNSN30极对数和转速的关系AiBiCimIt三相异步电动机的同步转速分）转/(601pfn2p180分）转/(50011p360分）转/(0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)50(Hzf1n3p120分）转/(0001电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速（额定转速）:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但异步电动机1nn无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果1nn转差率的概念：)(s%10011nnns异步电机运行中:%9~1s转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:1,0sn（转差率最大）转差率最小），转子最大转速(01snn10ss范围：分）转/(6011pfn%10011nnns转子感生电流的频率：pnnf6012111160sfpnnnnpnf6011例1：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2min/1000350606011rpfn同步转速：04.01000960100011nnns转差率：Hzsff25004.012一、三相异步电动机的“电－磁”关系§3.1.7三相异步电动机的负载运行定子电路i2R1R2i1u1e1e2：主磁通产生的感应电动势。e1e2、转子电路dtdNeeRiu111111设：tsin1mΦ则：tΦNum1111cos定子边：mmmΦNffΦNΦNU111111144.42/22/tΦNum1111cosmΦNfUE111144.4i2R1R2i1u1e1e211144.4NfUΦm2f：转子感应电动势的频率2N：转子线圈匝数2f取决于转子和旋转磁场的相对速度12sffmΦNfE22244.4同理可得：mΦNfUE111144.4i2R1R2i1u1e1e2202122222sXLsfLfX的最大值）（时的22212020212221,44.444.444.4EEsΦNfEsEΦNsfΦNfEmmmi2R1R2i1u1e1e222022202)(sXRsEI222222XREI转子电流转子功率因数220222222222)(cossXRRXRR例2：三相异步电动机，p=2，n=1440r/min，转子R2=0.02，X20=0.08，E20=20V，f1=50Hz。启动时I2（st）额定转速下的I2（N）22022202)(sXRsEIs=1A242)08.0()02.0(20)(222202220XRE04.0150014401500sA40)08.004.0()02.0(2004.0)(222202220sXRsE电磁转矩T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。22cosIΦKTmT常数每极磁通转子电流转子电路的2cos转矩公式的推导（牛顿米）22cosIKTmT21220222)(UsXRsRKT得到转矩公式22022202)(sXRsEI2202222)(cossXRR将其中参数代入：11144.4NfUΦmmΦNfE212044.4二、三相电动机的机械特性)(SfT21220222)(UsXRsRKT根据转矩公式Ts10n1Tn得特性曲线：启动时n=0最大转速n=n1时11nnns)(Tfn三个重要转矩n1TnNT额定转矩：电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，电机转轴上输出的转矩。NPNn(1))/()(9550602分转千瓦NNNNNnPnPT（牛顿•米）NTnN如果电机将会因带不动负载而停转。maxTTL最大转矩：(2)maxT电机带动最大负载的能力。求解0ST21220222)(UsXRsRKTTs10smTm202XRsm2021max21XKUT过载系数：NTTmax三相异步机2.2~8.1工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使注意：（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。maxTmaxTTL（2）电机严重过热0n121)(sII2021max21XKUTstT起动转矩：(3)电机起动时的转矩。n1TnstT21220222)(UsXRsRKT0n1)(s其中则21220222)(UXRRKTstLstTTstT体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。n1TnTmTst)(Tfn机械特性曲线TL启动：TstTL(负载转矩)，电机启动转速n，转矩Tcc点：转矩达最大Tm，转速n继续，T，沿cb走bb点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行若TL，