北航-LMS教研培訓中心電機及驅動庫

ElectricMotorsandDrives(EMD)北航-LMS教研培訓中心電機及驅動庫

ElectricMo2目錄基礎理論基本物理現象電機基礎EMD庫直流電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制2目錄基礎理論3目錄基礎基本物理現象電機基礎EMD庫直流電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制3目錄基礎4基礎:基本物理現象畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart）

Biot-Savart定律將磁場與產生磁場的電流聯系起來。沿回路流動的電流所建立的磁通密度B為各電流源Idi作用的疊加。楞次定律（Lenz’）:

感應電流的效果總是阻礙引起感應電流的原因。

法拉第定律（Faraday’s）:

磁場中導線線圈的任何變化會在線圈中產生感應電壓。

4基礎:基本物理現象畢奧-薩伐爾定律（Biot-Sava5基礎:基本物理現象磁通密度B(unit:TorWb/m2)

產生磁場的電流可以是導線中的宏觀電流，也可以是原子中電子的微觀電流。

2個主要磁場源:線圈和磁鐵磁通量

Φ(Unit:Wb)通過面積S的磁通量定義為:

5基礎:基本物理現象磁通密度B(unit:Tor6基礎:基本物理現象磁場強度

H(Unit:A/m)

磁場強度顯示磁性材料的作用

在空隙中:

在磁性材料中:

軟材料

小磁滯回路硬材料大磁滯回路(永久磁體)6基礎:基本物理現象磁場強度H(Unit:A/m)軟7基礎:基本物理現象洛侖茲（Lorentz）力

洛侖茲（Lorentz）力描述了作用于磁場中的移動電荷的力

拉普拉斯（Laplace）法則

拉普拉斯法則（Laplace）描述了作用于磁場中的導線的力

7基礎:基本物理現象洛侖茲（Lorentz）力8基礎:基本物理現象拉普拉斯-洛侖茲關系磁場和電荷的交互作用被用于機電系統:F=Bli

和 e=Blv(Laplace-Lorentz關系)在這個例子中，我們不考慮磁感應強度B的實現和其在磁路中的意義。8基礎:基本物理現象拉普拉斯-洛侖茲關系磁場和電荷的交互9基礎:基本物理現象磁場公式:麥克斯韋法則（Maxwell）安培定律（Ampere’slaw）法拉第定律（Faraday’slaw）磁通量守恒電流守恒麥克斯韋力（Maxwellforce）:作用于運動部分的力:

式中R是電阻9基礎:基本物理現象磁場公式:麥克斯韋法則（Maxwe10基礎:電機電機基礎電機將電能轉化為機械能。反之，將機械能轉化為電能是由發電機來實現的。

Electricalmotor10基礎:電機電機基礎Electricalmotor11基礎:電機電機基礎

磁鐵磁力線繞組轉子定子磁極麥克斯韋拉普拉斯麥克斯韋力通常更大電機中的力拉普拉斯或麥克斯韋

11基礎:電機電機基礎磁鐵磁力線繞組轉子定子磁極麥克斯韋12基礎:電機電機類型: Power[kW]Velocity[rpm]直流電機同步電機感應電機開關磁阻電機永磁電機定子磁鐵線圈磁心轉子磁鐵-永磁電機-線圈直流電機開關磁阻電機同步電機感應電機同步電機磁心-開關磁阻電機-12基礎:電機電機類型: Power[kW]Veloc13目錄基礎回顧基本物理現象電機基礎EMD庫DC電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制13目錄基礎14EMD庫:

一系列經過驗證的模塊用來對各種類型的電力設備建模電源(DC和AC)和連線R-L節點Park正逆變換

理想三相逆變器直流,感應和同步電機采用數據文件的電機電池

EMD庫:直流電機14EMD庫:EMD庫:直流電機15EMD庫:直流電機庫中的模塊:信號電電(三相)機械15EMD庫:直流電機庫中的模塊:信號電電(三相)機16EMD庫:直流電機典型直流電機在電磁場兩極間有一個旋轉電樞。換向器旋轉一周改變電流方向2次。在切換瞬間，慣性保持電機正確的轉向。

電機的速度與電壓成正比，轉矩與電流成正比。速度控制通過改變電壓或電流來控制。通過改變電機繞組匝數或改變供電電壓來改變電壓或電流。

優點:

易于設計和控制

低速大扭矩

缺點:

需要電刷

有磨損

速度限制

噪音

電擾動16EMD庫:直流電機典型直流電機在電磁場兩極間有一個17第一個例子:直流電機定負載下啟動EMD庫:直流電機DCmotor.ame模型假設:

無磁心飽和

定磁場強度

直流電機模型17第一個例子:直流電機定負載下啟動EMD庫:直流電18第一個例子:直流電機在定負載下啟動EMD庫:直流電機18第一個例子:直流電機在定負載下啟動EMD庫:直流19

電池模型:內阻模型,采用壓力源和內部阻尼來表征電池特性。

開路電壓和內部阻尼的實驗數據(SOC)。

不考慮熱影響。EMD庫:電池19電池模型:內阻模型,采用壓力源和內部阻尼來表征電池特20第二個例子:電池供電直流電機EMD庫:電池Battery.ame正扭矩負載:作為一個電機，電池放電

負扭矩負載:作為一個發電機，電池充電chargedischargetorque>0torque<020第二個例子:電池供電直流電機EMD庫:電池Bat21感應電機:原理三相供電的相位差在電機內部產生了旋轉的電磁場。

旋轉磁場在轉子導體內感生出電流，使轉子隨著磁場旋轉方向旋轉。

轉子的旋轉速度比多相供電產生的旋轉磁場慢鼠籠感應電機(Leroy-Somer)轉子:繞線式或鼠籠式(最常用):

優點:

便宜

噪音低

壽命長無干擾

缺點:

恒速Ns,同步速度[rpm],F交流電頻率[Hz],p極對數S:滑動系數,Nr轉動速度[rpm]21感應電機:原理三相供電的相位差在電機內部產生了旋轉的22感應電機:參考框架公式對每個繞組:對6個相位:(s:定子,r:轉子)電壓和磁通矢量:電阻矩陣:感應矩陣:with:s:Laplace算子d/dt22感應電機:參考框架公式對每個繞組:對6個相位:電壓和磁23Park’s轉換的原理為了簡化公式,采用Park’s轉換:將3繞組轉為2繞組:

ABCtodq0anddq0toABC轉換:C:constant(2/3,1fornonpowerinvarianttransform,√(2/3)forpowerinvarianttransform)23Park’s轉換的原理為了簡化公式,采用Par24感應電機:Park’s框架的公式定子電壓:

轉子方面(轉子電壓為0，因為轉子側是短路):

定子磁通量公式:

轉子磁通量公式:

電磁轉矩:

頻率間關系:動態方程:24感應電機:Park’s框架的公式定子電壓:25第三個例子:自由加速度響應感應電機感應公式:采用Park’s轉換Framefixedtotherotor:ωr=0ωs=-p.ωmEMD庫:感應電機模型IMmotor.ame25第三個例子:自由加速度響應感應電機感應公式:采用Pa26第三個例子:自由加速度響應感應電機EMD庫:感應電機模型26第三個例子:自由加速度響應感應電機EMD庫:感應27EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相逆變器這個例子顯示脈寬調制(PWM)技術這個技術是數字編碼模擬信號的方式逆變器的功能是連接供電和負荷我們希望得到理想輸入信號下（正弦）的好的近似值

27EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想28EMD庫:理想三相逆變器AMESimblock主逆變模塊公式VA0VB0VC0VanVbnVcnVswitchVan=Vswitch(2VA0-VB0-VC0)/3;Vbn=Vswitch(2VB0-VC0-VA0)/3;Vcn=Vswitch(2VC0-VA0-VB0)/3;28EMD庫:理想三相逆變器AMESimblock主29第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想三相逆變器這個例子用正弦－三角PWM來說明這種調制方法比較采用正弦波調制（低頻）和三角波調制（高頻）在調制與載波間的交互作用決定整流的瞬態性Tx+andTx-Arecomplementarycarrier參考電壓ge29第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想30第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想三相逆變器基于脈寬調制的模型，采用阻性，感性負載PTPinverter.ame30第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想31EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相逆變器31EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相32目錄基礎回顧基本物理現象電機基礎EMD庫DC電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制32目錄基礎33電機控制:概論

直流電機不受磁通量和轉矩控制的約束

缺點:磨損,價格,動力

隨著電子學的發展，直流電機被感應電機和同步電機所代替。

一些經典控制方法:

轉矩控制:通過轉矩參考進行電機轉矩控制。電機速度工作點由電機轉矩和負載轉矩曲線的交叉來確定。這種控制方法用于快速和精確轉矩控制需要的場合。

標量控制:通過改變變頻器的輸出頻率來控制電機轉速。電機速度由頻率和負載轉矩來決定。可以通過速度反饋(閉環標量控制)來提高速度控制的精確性。

矢量控制:測量定子和轉子的速度并把這些信息反饋到電機里的數學模塊中。電機模塊計算2個要素，分別代表轉矩和磁通量。33電機控制:概論直流電機不受磁通量和轉矩控制的約束34電機控制:速度控制環電機/發電機的靜態能量模型及其變頻器采用數據文件來確定轉矩和能量損失。

雙向(電機/發電機)

與具體物理結構無關轉矩命令對于長期仿真有用34電機控制:速度控制環電機/發電機的靜態能量模型及其變35電機控制:速度控制環MotorSpeedControl.ame目的:當轉矩變化時保持速度恒定35電機控制:速度控制環MotorSpeedContro36電機控制：同步電機-原理構造:3相定子(與感應電機一樣)

轉子繞組或永久磁鐵同步運行(無滑移).

經常由晶體管變頻驅動器來驅動

可以當作交流發電機來用

有時作為牽引電機(TGV)Ns,同步速度[rpm],F交流電頻率[Hz],p極對數36電機控制：同步電機-原理構造:Ns,同步速度[37

電機控制:同步電機模型環形轉子凸極定子電流:

定子磁通量:

轉子磁通量:

轉矩:

37電機控制:同步電機模型環形轉子凸極定子電流:38第六個例子:永磁同步（PMSM）電機電流滯環控制電機控制:電流滯環控制PMSMmotor.ame通常采用的控制:電流滯環控制38第六個例子:永磁同步（PMSM）電機電流滯環控制電機控39電機控制:電流滯環控制第六個例子:永磁同步（PMSM）電機電流滯環控制39電機控制:電流滯環控制第六個例子:永磁同步（PMSM謝謝！謝謝！北航-LMS教研培訓中心電機及驅動庫

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ElectricMo42目錄基礎理論基本物理現象電機基礎EMD庫直流電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制2目錄基礎理論43目錄基礎基本物理現象電機基礎EMD庫直流電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制3目錄基礎44基礎:基本物理現象畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart）

Biot-Savart定律將磁場與產生磁場的電流聯系起來。沿回路流動的電流所建立的磁通密度B為各電流源Idi作用的疊加。楞次定律（Lenz’）:

感應電流的效果總是阻礙引起感應電流的原因。

法拉第定律（Faraday’s）:

磁場中導線線圈的任何變化會在線圈中產生感應電壓。

4基礎:基本物理現象畢奧-薩伐爾定律（Biot-Sava45基礎:基本物理現象磁通密度B(unit:TorWb/m2)

產生磁場的電流可以是導線中的宏觀電流，也可以是原子中電子的微觀電流。

2個主要磁場源:線圈和磁鐵磁通量

Φ(Unit:Wb)通過面積S的磁通量定義為:

5基礎:基本物理現象磁通密度B(unit:Tor46基礎:基本物理現象磁場強度

H(Unit:A/m)

磁場強度顯示磁性材料的作用

在空隙中:

在磁性材料中:

軟材料

小磁滯回路硬材料大磁滯回路(永久磁體)6基礎:基本物理現象磁場強度H(Unit:A/m)軟47基礎:基本物理現象洛侖茲（Lorentz）力

洛侖茲（Lorentz）力描述了作用于磁場中的移動電荷的力

拉普拉斯（Laplace）法則

拉普拉斯法則（Laplace）描述了作用于磁場中的導線的力

7基礎:基本物理現象洛侖茲（Lorentz）力48基礎:基本物理現象拉普拉斯-洛侖茲關系磁場和電荷的交互作用被用于機電系統:F=Bli

和 e=Blv(Laplace-Lorentz關系)在這個例子中，我們不考慮磁感應強度B的實現和其在磁路中的意義。8基礎:基本物理現象拉普拉斯-洛侖茲關系磁場和電荷的交互49基礎:基本物理現象磁場公式:麥克斯韋法則（Maxwell）安培定律（Ampere’slaw）法拉第定律（Faraday’slaw）磁通量守恒電流守恒麥克斯韋力（Maxwellforce）:作用于運動部分的力:

式中R是電阻9基礎:基本物理現象磁場公式:麥克斯韋法則（Maxwe50基礎:電機電機基礎電機將電能轉化為機械能。反之，將機械能轉化為電能是由發電機來實現的。

Electricalmotor10基礎:電機電機基礎Electricalmotor51基礎:電機電機基礎

磁鐵磁力線繞組轉子定子磁極麥克斯韋拉普拉斯麥克斯韋力通常更大電機中的力拉普拉斯或麥克斯韋

11基礎:電機電機基礎磁鐵磁力線繞組轉子定子磁極麥克斯韋52基礎:電機電機類型: Power[kW]Velocity[rpm]直流電機同步電機感應電機開關磁阻電機永磁電機定子磁鐵線圈磁心轉子磁鐵-永磁電機-線圈直流電機開關磁阻電機同步電機感應電機同步電機磁心-開關磁阻電機-12基礎:電機電機類型: Power[kW]Veloc53目錄基礎回顧基本物理現象電機基礎EMD庫DC電機電池感應電機(Park’s轉換)電機控制速度控制環磁場定向矢量控制電流滯環控制13目錄基礎54EMD庫:

一系列經過驗證的模塊用來對各種類型的電力設備建模電源(DC和AC)和連線R-L節點Park正逆變換

理想三相逆變器直流,感應和同步電機采用數據文件的電機電池

EMD庫:直流電機14EMD庫:EMD庫:直流電機55EMD庫:直流電機庫中的模塊:信號電電(三相)機械15EMD庫:直流電機庫中的模塊:信號電電(三相)機56EMD庫:直流電機典型直流電機在電磁場兩極間有一個旋轉電樞。換向器旋轉一周改變電流方向2次。在切換瞬間，慣性保持電機正確的轉向。

電機的速度與電壓成正比，轉矩與電流成正比。速度控制通過改變電壓或電流來控制。通過改變電機繞組匝數或改變供電電壓來改變電壓或電流。

優點:

易于設計和控制

低速大扭矩

缺點:

需要電刷

有磨損

速度限制

噪音

電擾動16EMD庫:直流電機典型直流電機在電磁場兩極間有一個57第一個例子:直流電機定負載下啟動EMD庫:直流電機DCmotor.ame模型假設:

無磁心飽和

定磁場強度

直流電機模型17第一個例子:直流電機定負載下啟動EMD庫:直流電58第一個例子:直流電機在定負載下啟動EMD庫:直流電機18第一個例子:直流電機在定負載下啟動EMD庫:直流59

電池模型:內阻模型,采用壓力源和內部阻尼來表征電池特性。

開路電壓和內部阻尼的實驗數據(SOC)。

不考慮熱影響。EMD庫:電池19電池模型:內阻模型,采用壓力源和內部阻尼來表征電池特60第二個例子:電池供電直流電機EMD庫:電池Battery.ame正扭矩負載:作為一個電機，電池放電

負扭矩負載:作為一個發電機，電池充電chargedischargetorque>0torque<020第二個例子:電池供電直流電機EMD庫:電池Bat61感應電機:原理三相供電的相位差在電機內部產生了旋轉的電磁場。

旋轉磁場在轉子導體內感生出電流，使轉子隨著磁場旋轉方向旋轉。

轉子的旋轉速度比多相供電產生的旋轉磁場慢鼠籠感應電機(Leroy-Somer)轉子:繞線式或鼠籠式(最常用):

優點:

便宜

噪音低

壽命長無干擾

缺點:

恒速Ns,同步速度[rpm],F交流電頻率[Hz],p極對數S:滑動系數,Nr轉動速度[rpm]21感應電機:原理三相供電的相位差在電機內部產生了旋轉的62感應電機:參考框架公式對每個繞組:對6個相位:(s:定子,r:轉子)電壓和磁通矢量:電阻矩陣:感應矩陣:with:s:Laplace算子d/dt22感應電機:參考框架公式對每個繞組:對6個相位:電壓和磁63Park’s轉換的原理為了簡化公式,采用Park’s轉換:將3繞組轉為2繞組:

ABCtodq0anddq0toABC轉換:C:constant(2/3,1fornonpowerinvarianttransform,√(2/3)forpowerinvarianttransform)23Park’s轉換的原理為了簡化公式,采用Par64感應電機:Park’s框架的公式定子電壓:

轉子方面(轉子電壓為0，因為轉子側是短路):

定子磁通量公式:

轉子磁通量公式:

電磁轉矩:

頻率間關系:動態方程:24感應電機:Park’s框架的公式定子電壓:65第三個例子:自由加速度響應感應電機感應公式:采用Park’s轉換Framefixedtotherotor:ωr=0ωs=-p.ωmEMD庫:感應電機模型IMmotor.ame25第三個例子:自由加速度響應感應電機感應公式:采用Pa66第三個例子:自由加速度響應感應電機EMD庫:感應電機模型26第三個例子:自由加速度響應感應電機EMD庫:感應67EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相逆變器這個例子顯示脈寬調制(PWM)技術這個技術是數字編碼模擬信號的方式逆變器的功能是連接供電和負荷我們希望得到理想輸入信號下（正弦）的好的近似值

27EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想68EMD庫:理想三相逆變器AMESimblock主逆變模塊公式VA0VB0VC0VanVbnVcnVswitchVan=Vswitch(2VA0-VB0-VC0)/3;Vbn=Vswitch(2VB0-VC0-VA0)/3;Vcn=Vswitch(2VC0-VA0-VB0)/3;28EMD庫:理想三相逆變器AMESimblock主69第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想三相逆變器這個例子用正弦－三角PWM來說明這種調制方法比較采用正弦波調制（低頻）和三角波調制（高頻）在調制與載波間的交互作用決定整流的瞬態性Tx+andTx-Arecomplementarycarrier參考電壓ge29第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想70第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想三相逆變器基于脈寬調制的模型，采用阻性，感性負載PTPinverter.ame30第四個例子:理想三相逆變器EMD庫:理想71EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相逆變器31EMD庫:理想三相逆變器第四個例子:理想三相72目錄基礎回顧基本物理現象電機基礎EMD庫DC