車用驅動電機原理與控制基礎(第2版)

感應電機的空間矢量描述和磁場定向控制27.1感應電機轉子結構和工作原理7.1.1三相感應電機轉子結構a）鼠籠型繞組b）繞線式異步電機轉子結構圖7-1感應電機轉子結構示意圖感應電機的定子結構與交流同步電機基本相同，主要差別在于轉子結構和轉子磁場的產生原理不同。感應電機的轉子電磁結構主要包括轉子鐵芯和轉子繞組兩部分，常見的繞組類型為鼠籠型和繞線型兩種。1.鼠籠型繞組鼠籠型繞組是一個自行閉合的短路繞組，它由插入每個轉子槽的導條和兩端的環形端環組成，如果去掉鐵芯，整個繞組如一個“圓形鼠籠”，如圖6-1所示，因此稱為鼠籠型繞組。轉子鐵芯作為電機磁路的一部分，所用材料與定子一樣，由硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的槽，用來安置轉子繞組。2.繞線型轉子繞線型轉子的槽內嵌有絕緣導線組成的三相繞組，繞組的三個出線端接到裝在軸上的三個集電環上，通過電刷與外電路連接，如圖6-1所示，這種轉子的特點是可以在轉子繞組中接入外加可調電阻，以改善電動機的起動和調速性能。與鼠籠型轉子相比較，繞線型轉子結構稍復雜，價格稍貴，在車用電驅動系統中基本沒有應用。37.1.2三相感應電機的工作原理等效物理模型定子為三相對稱繞組，結構與三相同步電機相同。同時將轉子也等效成三相對稱繞組a-x、b-y和c-z，并將其短接起來，于是就構成了基本的三相感應電機。

圖7-2a三相感應電機等效物理模型47.1.2三相感應電機的工作原理轉差角頻率和轉差率

57.1.3定子坐標系、轉子坐標系和磁場同步坐標系三個坐標軸系

表7-1三個坐標軸系下的電流矢量表示及變換關系6磁鏈和電感7.2感應電機的矢量方程7.2.1感應電機定轉子電感與磁鏈

圖7-3感應電機等效四線圈物理模型77.2.1感應電機定轉子電感與磁鏈圖7-4三相感應電動機內定、轉子電流和各磁鏈矢量87.2.2靜止軸系下的空間矢量方程電壓方程

97.2.3轉子固結abc軸系矢量方程電壓方程

107.2.4任意磁場同步旋轉MT軸系矢量方程MT軸系坐標分解

117.2.4任意磁場同步旋轉MT軸系矢量方程MT坐標系下磁鏈和電壓方程

127.2.4任意磁場同步旋轉MT軸系矢量方程電壓方程

137.2.4任意磁場同步旋轉MT軸系矢量方程電壓方程MT軸分解

147.2.4任意磁場同步旋轉MT軸系矢量方程圖7-5三相感應電機穩態矢量圖157.3轉子磁場建立過程及其定向轉子磁場定向圖7-6轉子磁場表示為氣隙磁場與轉子漏磁場的合成

167.3.1動生電動勢誘導的轉子t軸磁動勢圖7-7

轉子磁場幅值恒定時的轉子等效電流矢量b）導條中運動電動勢和電流大小的空間分布

a）由轉子導條電流構成的轉子磁動勢矢量17圖7-8

轉子磁場幅值恒定時的轉子等效電流矢量a）轉子線圈電流磁動勢矢量及其合成b）t軸等效勵磁電流

7.3.1動生電動勢誘導的轉子t軸磁動勢187.3.2感生電動勢誘導的轉子m軸磁動勢a）轉子電流與轉子磁動勢

b）導條中變壓器電動勢和電流大小的空間分布圖7-9轉子磁場幅值變化時的轉子電流矢量電機在動態運行過程中，如果轉子磁場幅值發生了變化，那么在轉子各導條中會感生出變壓器電動勢。若在圖7-9a所示時刻，轉子磁場幅值正在增加，由楞次定律，各導條中的電動勢便如圖7-9a中所示。

197.3.3轉子磁場定向軸系的定義和特征轉子磁場的建立圖7-11轉子籠型繞組等效為MT軸線圈圖7-12磁場定向MT軸系

207.3.4定、轉子磁鏈方程

217.3.5定、轉子電壓方程

22勵磁分量

7.3.6定、轉子電流方程23轉矩分量

7.3.6定、轉子電流方程24圖7-13磁場定向后三相感應電動機磁鏈和電流矢量圖

a）

磁鏈和電流動態矢量圖7.3.6定、轉子電流方程257.3.7轉矩方程

26

7.3.7轉矩方程277.3.7轉矩方程

287.4基于電流相平面的矢量控制原理7.4.1電流相平面的控制約束條件

297.4.1電流相平面的控制約束條件

307.4.1電流相平面的控制約束條件

圖7-18感應電機控制約束及規律圖示317.4.1電流相平面的控制約束條件

32圖7-19感應電機全速度范圍運行區域感應電機弱磁控制應以最大轉矩輸出為目標，考慮到電壓、電流的限制條件，對電流進行合理分配。由于受到電壓和電流的限制，在弱磁區感應電機輸出的有效轉矩減小。而在電壓和電流有限制的情況下，為了充分利用驅動系統的最大轉矩能力，需要對電壓和電流進行最合理的利用。感應電機在整個速度范圍可以分為3個區域：恒轉矩區、恒功率區和恒電壓區，如圖7-19所示。

當電機轉速小于弱磁基速時，由于產生的反電動勢小于逆變器輸出的最大電壓，電機運行僅受到電機允許通過的最大電流限制，可以輸出的最大轉矩保持不變，因此，該區域稱為恒轉矩區。弱磁基速以上進入弱磁區，反電動勢幾乎等于逆變器輸出的最大電壓。電機運行要同時受到最大電流和最大電壓的限制，但輸出功率恒定，因此稱為恒功率區；隨著電機轉速的繼續升高，電流由于最大轉差率的限制不