可控电源供电电机的设计与分析 教学课件 ppt 作者 赵争鸣 第1章　基 本 概 念

可控电源供电电机的设计与分析,第1章 基 本 概 念,1.1 电磁变换基本理论 1.2 电机设计与结构 1.3 数学模型及解算 1.4 可控电源-电机的发展,第1章 基 本 概 念,图1.1 常规电机与可控 电源-电机系统比较,可控电源-电机系统即为电力电子与电机的合成，是一个系统的概念，也可定义为实现电磁能量转换的系统装置。电源-电机系统比较也可以作为电动系统。,第1章 基 本 概 念,表1.1 常规电机系统与可控电源-电机系统比较,1.1 电磁变换基本理论,1.1.1 麦克斯韦方程 1.1.2 洛仑兹力及电磁转矩 1.1.3 电磁基本理论在电机中的应用,1.1.1 麦克斯韦方程,1.1.2 洛仑兹力及电磁转矩,1.1.3 电磁基本理论在电机中的应用,1.电机中的全电流定律 2.电机中的电磁感应定律 3.电机中的电磁力定律,1.电机中的全电流定律,图1.2 电机中的全电流定律,1.电机中的全电流定律,表1.2 电路和磁路的对比,2.电机中的电磁感应定律,(1)自感电动势 根据全电流定律，当线圈中有电流i流过时，就会产生与线圈自己交链的磁通L。 (2)互感电动势 类似地，若存在两个相邻的线圈(线圈1与线圈2)，当线圈1内有电流i1流过时，它产生的磁通中有一部分21交链线圈2。,2.电机中的电磁感应定律,2.电机中的电磁感应定律,图1.3 电动势与磁通的相位关系,2.电机中的电磁感应定律,图1.4 运动电动势的产生及其右手定则,(1)自感电动势,(1)自感电动势,图1.5 自感电 动势的正方向,(2)互感电动势,3.电机中的电磁力定律,图1.6 左手定则,1.2 电机设计与结构,1.2.1 电机设计 1.2.2 电机结构 1.2.3 电机运行中的基本概念,1.2.1 电机设计,表1.3 电机重量与成本比较,1.2.1 电机设计,图1.7 百年来电机体积(同功率)的变迁,1.2.1 电机设计,图1.8 电机设计自动网格划分计算,1.2.2 电机结构,1)允许d轴磁力线通过整个转子表面而获得最大的d轴电感。 2)由于q轴方向存在许多层永磁材料，其磁特性相当于气隙，阻碍q轴磁力线的通过，而得到很小的q轴电感。 3)永磁材料镶嵌在叠片之间，其磁力线与轴电流作用产生一个正转矩。,1.2.2 电机结构,图1.9 典型电机结构剖面图 a)直流电机 b)异步电机 c)开关磁阻电机 d)永磁同步电机,1.2.2 电机结构,图1.10 开关磁阻电机结构原理图,1.2.2 电机结构,图1.11 各种不同结构形式的开关磁阻电机,1.2.2 电机结构,图1.12 典型的永磁电机结构图 a)表面式 b)表面嵌入式 c)内嵌式 d)多层嵌入式,1.2.2 电机结构,图1.13 新型同步磁阻永磁电机转子结构及其电机实物图 a)转子支架 b)转子结构 c)电机实物图,1.2.2 电机结构,图1.14 内嵌永磁片的同步磁阻电机平面结构图,1.2.3 电机运行中的基本概念,1)“相数”的概念：“相”指的是导体里面通过的周期性电流或者电动势的相位，“同相”指的是电量相位相同，“不同相”则指的是相位不同。 2)“极数”的概念：“极”指的是磁场两极，定子绕组通以电流所产生的磁极数就是定子绕组极数，感应到转子上也是一样的极数。 3)“极-相-匝”的关系：在异步电机里面，定子绕组相数由通电方式确定，极数由绕组接法确定，转子绕组相数由转子导条结构所确定，与定子相数可以不一样。,1.2.3 电机运行中的基本概念,4)“频率-极对数-转速”之间的关系：在异步电机里面，定子的转速n1为定子绕组里电流产生的旋转磁场转速，它等于转子的转速n2加上转子绕组里电流产生的旋转磁场转速ns，即n1=n2+ns。 5)“转矩-转速-功率”之间的关系：其定义如式(1-50)所示。 6)异步电机和同步电机有什么区别：同步指转子转速与气隙旋转磁场的转速一致，异步指转子转速与气隙旋转磁场的转速不一致。,1.2.3 电机运行中的基本概念,图1.15 三相对称电流空间矢量图,1.2.3 电机运行中的基本概念,图1.16 气隙圆形旋转磁场,1.2.3 电机运行中的基本概念,图1.17 调节后的总磁动势旋转轨迹,1)“相数”的概念：,图1.18 感应电机转子导条连接,2)“极数”的概念：,图1.19 电机定转子绕组电流产生的磁场极数对应关系,3)“极-相-匝”的关系：,在异步电机里面，定子绕组相数由通电方式确定，极数由绕组接法确定，转子绕组相数由转子导条结构所确定，与定子相数可以不一样。感应电机定转子绕组的极数一定是一样的。绕组每匝由一个同相回路构成，笼式导条每一相只有半匝。,4)“频率-极对数-转速”之间的关系：,在异步电机里面，定子的转速n1为定子绕组里电流产生的旋转磁场转速，它等于转子的转速n2加上转子绕组里电流产生的旋转磁场转速ns，即n1=n2+ns。定子频率f1与转子电流的频率fs之间相差一个转子转速频率f2，即f1=f2+fs。定子旋转磁场的转速n1、转子转速n2、定子频率f1、定转子转差率和极对数p0之间的关系为,5)“转矩-转速-功率”之间的关系：,6)异步电机和同步电机有什么区别：,同步指转子转速与气隙旋转磁场的转速一致，异步指转子转速与气隙旋转磁场的转速不一致。同步电机可以运行在异步状态下，异步电机也可以运行在同步状态下。一般来说，同步电机有两个磁场源(定转子侧各一个)，而异步电机只有一个磁场源，即通过电磁感应使另一侧带电产生磁场，因此异步电机的电源侧必须提供励磁电流，即提供无功功率，所以异步电机的功率因数总是小于1。,1.3 数学模型及解算,1.3.1 电机数学模型及其解算历程 1.3.2 电机模型解算方法 1.3.3 电机系统综合数学模型,1.3.1 电机数学模型及其解算历程,图1.20 等效后的正交绕组示意图,1.3.1 电机数学模型及其解算历程,图1.21 电机的多物理综合模型,1.3.2 电机模型解算方法,1.电磁场解析模型解算 2.等效电路模型解算 3.电磁场模型数值解算 4.场路耦合模型联立解算,1.电磁场解析模型解算,图1.22 电枢磁动势产生的气隙磁场解析坐标图,1.电磁场解析模型解算,2.等效电路模型解算,1)电磁感应等效，即引进了一个重要的参数反电动势。 2)一、二次绕组匝数等效。 3)定转子绕组电量交变频率等效。,图1.23 电机等效电路模型,2.等效电路模型解算,图1.24 abc系统与dq0系统的转换关系,2.等效电路模型解算,2.等效电路模型解算,3.电磁场模型数值解算,图1.25 电磁场差分法的离散过程 a)直角坐标平面上的网格剖分 b)节点(i,j)与相邻四节点的关系,4.场路耦合模型联立解算,1.3.3 电机系统综合数学模型,1)电机内电动势在一个采样周期内恒定。 2)开关频率恒定，开关周期为T。,1.3.3 电机系统综合数学模型,图1.26 典型的电机系统简化等效电路图,1.4 可控电源-电机的发展,1.4.1 可控电源-电机的特点 1.4.2 可控电源-电机的应用,1.4.1 可控电源-电机的特点,可控电源-电机主要特点如下： 1)它将电力电子、电机及控制技术高度的一体化。 2)具有集成化和智能化的特点。 3)具有高性能和高可靠性。 4)溶入新材料和新结构元素。,1.4.1 可控电源-电机的特点,几个需要注意的问题： 1)电机的机械特性也称为输出特性或转矩-转速关系特性，在恒频恒压电源供电下，该特性曲线是固定的；但在可控电源供电下，由于电源频率和电压可变，则该特性曲线也是可变的，如图1.27所示。 2)变频器控制的只是电磁转矩，并没有直接控制转子转矩。 3)变频器对电机的起动具有软起动特点，即通过降频来提高起动转矩，抑制起动电流，从而得到高起动转矩和低起动电流的优良起动特性。,1.4.1 可控电源-电机的特点,4)转差率与铁耗成正比，转差率越大效率越低，而另一方面，输出功率越大需要的转差率越大，所以对于同一个工作点如何找到最优转差率是一个很重要的问题。 5)电机控制中的矢量表示瞬时电流的大小和位置，不一定是正弦量；电机中的相量指的是空间正弦分布的电流有效值。 6)定转子电流在相位上不是完全相反，定转子有功电流相互抵消，无功电流没有完全抵消，转子无功电流一般起去磁作用。 7)典型逆变器驱动异步电机系统一般采用正弦脉宽调制(SPWM)控制。,图1.27 可控电源下的电机机械特性曲线,1.4.1 可控电源-电机的特点,1.4.2 可控电源-电机的应用,(1)一体化的变频调速 常规的变频调速系统中的电机与变频器是分别进行独立设计的，参数不匹配，系统功能低下。 (2)高效的伺服控制 以往伺服电机系统中的电机与控制是分立的，基于可控电源-电机概念的伺服系统则可以将电机与控制系统在物理上集成在一起，从而形成一个整体。 (3)全电化牵引系统 全电化牵引系统是在国防和民用领域出现的新概念，也是一种可控电源-电机系统的典型应用。 (4)智能机器人 智能机器人是可控电源-电机的重要应用之一。 (5)虚拟现实平台 以可控电源-电机为基础组成电力传动系统实时仿真平台，称之为电力传动的“虚拟现实”。,(1)一体化的变频调速,1)由于电源频率不同，则电机机械特性可以随之平移。 2)由于逆变器能够平滑变频变压，从而可以将异步电机调节在最佳运行点上，即得到最小转差率、最大效率和高功率因数。 3)由于逆变器供电下的电机大多不是长期工作在一个额定状况下，而是处于不断变化之中，因此其温升极限得以提高。,