第3章_2_电动汽车用电动机

HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第1页第3章电动汽车用电动机(二)3.4异步电动机3.5永磁同步电动机3.6开关磁阻电动机HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第2页3.4异步电动机异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机的种类很多。最常见的方法是按转子结构和定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电动机和绕线型异步电动机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第3页1.异步电动机的结构与特点1)．异步电动机的结构异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。(1)定子异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。(2)转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第4页1.异步电动机的结构与特点三相异步电动机的典型结构HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第5页2).异步电动机的特点转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。异步电动机转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。1.异步电动机的结构与特点HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第6页2.异步电动机的工作原理异步电动机工作原理图HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第7页2.异步电动机的工作原理异步电动机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率表示，即有式中，为转差率；为定子旋转磁场的同步转速；为转子转速。11nnnss1nnHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第8页3.异步电动机的运行特性1)．异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指电动机在保持额度电压和额定频率不变的情况下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率变化的特性。转速特性和转矩特性关系到电动机与机械负载匹配的合理性；定子电流特性可以表明电动机的发热情况，关系到电动机运行的可靠性和使用寿命；效率特性和功率因数特性关系到电动机运行的经济性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第9页3.异步电动机的运行特性异步电动机的工作特性HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第10页3.异步电动机的运行特性2)．异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性是指电动机在恒定电压和恒定频率的情况下，电动机的转速与转矩之间的关系。异步电动机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第11页3.异步电动机的运行特性在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第12页3.异步电动机的运行特性电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它附属设备，其中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第13页4.异步电动机的数学模型三相异步电动机的物理模型HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第14页4.异步电动机的数学模型（1）电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为AAA1BBB1CCC1ddddddΨuiRtuiRtuiRtHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第15页4.异步电动机的数学模型三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为aaa2bbb2ccc2dddddduiRtuiRtuiRt分别为定子和转子相电压的瞬时值；分别为定子和转子相电流的瞬时值；分别为各相绕组的全磁链；分别为定子和转子绕组的电阻。ABCabc,,,,,uuuuuuABCabc,,,,,iiiiiiABCabc,,,,,12,RRHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第16页4.异步电动机的数学模型上述各量度已折算到定子侧。将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子代替微分符号。PddtcbaCBAcbaCBAcbaCBAPiiiiiiRRRRRRuuuuuu222111000000000000000000000000000000HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第17页4.异步电动机的数学模型（2）磁链方程六个绕组的磁链可表示为对角线元素是各有关绕组的自感，其余各项是绕组间的互感。cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第18页4.异步电动机的数学模型根据磁链方程和电压方程，可以得到展开后的电压方程为ddddiLRiLittuRiPLiddddiLRiLittHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第19页4.异步电动机的数学模型（3）运动方程在一般情况下，电气传动系统的运动方程式是式中，TL为负载转矩；J为机组的转动惯量；D为与转速成正比的负载转矩阻尼系数；K为扭转弹性转矩系数；为极对数。对于恒转矩负载，D=0，K=0，则pKpDtpJTTLeddtpJTTLeddHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第20页4.异步电动机的数学模型（4）转矩方程按照机电能量转换原理，可求出电磁转矩Te的表达式为)]120sin()()120sin()(sin)[(1oobCcBcAaCcBbAcCbBaAmeiiiiiiiiiiiiiiiiiipLTHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第21页4.异步电动机的数学模型三相异步电动机的数学模型将前述式子归纳起来，便构成在恒转矩负载下三相异步电动机的多变量非线性数学模型。ttpJTTiLtiLRiuLeddddddddHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第22页5.异步电动机的控制异步电动机是一个多变量（多输入输出）系统，其中变量电压（电流）、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以其又是强耦合的多变量系统。如何对这样一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统进行有效控制，成为研究的重点。目前对异步电动机的调速控制主要有恒压频比开环控制（VVVF）、转差控制、矢量控制（VC）以及直接转矩控制（DTC）等。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第23页5.异步电动机的控制1)．异步电动机的矢量控制矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电动机内部的电磁过程。它模仿对直流电动机的控制技术，将交流电动机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电动机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第24页5.异步电动机的控制异步电动机矢量控制原理对于笼型转子电动机，转子短路，则有，数学模型中的电压矩阵方程式可简化为转矩方程为2211221111111100000qdqdrsmsrmmmsssmssqdiiiiRLLpLRpLpLLpLRLLpLLpLRuu21qrmeiLLpTHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第25页5.异步电动机的控制在矢量控制系统中，被控制量是定子电流，因此，必须从数学模型中找出定子电流的两个分量与其他物理量的关系。运算得所以运算得到式中，为转子励磁时间常数。22222210dnddrdmniRpiRiLiLp222Rpind1221dnmiptL22/RLtrHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第26页5.异步电动机的控制由简化得电压矩阵方程式可得02222221dsqdrdmsiRiRiLiL进一步计算可得122222dmdsitLiRHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第27页5.异步电动机的控制异步电动机矢量控制的特点(1)可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广；(2)可以对转矩实行较为精确控制；(3)系统的动态响应速度很快；(4)电动机的加速度特性很好。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第28页5.异步电动机的控制2).异步电动机直接转矩控制直接转矩控制是将电动机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电动机转速。通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第29页5.异步电动机的控制异步电动机直接转矩控制系统的结构与原理直接转矩控制系统框图如下图所示。它主要包括磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等。其中磁链观测器对磁链的观测是否准确对整个控制系统的稳定性有着举足轻重的作用，而开关策略和磁链、转矩调节是先进控制算法的核心部分。直接转矩控制系统结构图HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第31页5.异步电动机的控制直接转矩控制的特点(1)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数字模型，控制电动机的磁链和转矩。(2)直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量。(4)直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第32页3.5永磁同步电动机永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。HARBININSTIT