现代交流电机控制技术基础
现代电机控制技术
2
现代电机控制技术
第1章 基础知识 第2章 三相感应电动机矢量控制 第3章 三相永磁同步电动机矢量控制 第4章 三相感应电动机直接转矩控制 第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制 第6章 无速度传感器控制与智能控制
3
第1章 基础知识
1.1 电磁转矩 1.2 直、交流电机电磁转矩 1.3 空间矢量 1.4 矢量控制
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a) 三相绕组由逆变器供电
b) 电子开关VT1、VT2、VT6闭合时的电路
图1-29 定子电压矢量 c) 电压矢量us1的构成
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a) 正弦分布磁动势波
b) 正弦分布磁场
图1-30 A相绕组产生的正弦分布磁场
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1.1 电磁转矩
1.1.1 磁场与磁能 1.1.2 机电能量转换 1.1.3 电磁转矩生成 1.1.4 电磁转矩控制
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图1-1 双线圈励磁的铁心
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磁压降
磁压降
磁路的 磁动势
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铁心磁路 主磁通
铁心磁 路磁阻
气隙 磁通
气隙磁 路磁阻
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现代机电设备基础知识
第一章机电设备的发展与分类第一节机电设备的发展机电设备广泛用于国民经济各行业。
机电设备的技术水平，在一定程度上反映了国家工业生产的水平和能力。
所以，采用先进的机电设备，管好、用好机电设备,对提高企业效益，促进国民经济的发展都起着十分重要的作用。
一、机电设备的发展过程机电设备是随着科学技术的发展而不断发展的。
传统的机电设备是以机械技术和电气技术应用为主的设备。
例如,普通机床，其运动的传递、运动速度的变换主要是由机械机构来实现的,而运动的控制则是由开关、接触器、继电器等电器构成的电气系统来实现的,这里的“机”、“电”分别构成各自独立的系统,两者的“融合性”很差，这是传统机电设备的共同特点.虽然,传统的机电设备也能实现自动化，但是自动化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，设备的工作效率低，性能水平不高。
为了提高机电设备的自动化程度和性能，从20 世纪60 年代开始，人们自觉或不自觉地将机械技术与电子技术结合，以改善机械产品的性能，结果出现了许多性能优良的机电产品或设备。
到了20 世纪70、80 年代，微电子技术获得了惊人的发展，各种功能的大规模集成电路不断涌现,导致计算机与信息技术广泛使用。
这时人们自觉、主动地利用微电子技术的成果，开发新的机电产品或设备，使得机电产品或设备的发展发生了脱胎换骨的变化，机电产品或设备不再是简单的“机”和“电”相加，而是成为集机械技术、控制技术、计算机与信息技术等为一体的全新技术产品。
到了20 世纪90 年代，这种机电一体化技术迅猛发展,时至今日,机电一体化产品或设备已经透渗到国民经济和社会生活的各个领域。
二、现代机电设备的特点现代机电设备，如电动缝纫机、电子调速器、自动取款机、自动售票机、自动售货机、自动分检机、自动导航装置、数控机床、自动生产线、工业机器人、智能机器人等都是应用机电一体化技术为主的设备。
与传统机电设备相比，现代机电设备具有以下特点：1、体积小,重量轻机电一体化技术使原有的机械结构大大简化，如电动缝纫机的针脚花样主要是由一块单片集成电路来控制的，而老式缝纫机的针脚花样是由350 个零件构成的机械装置控制的.机械结构的简化,使设备的结构减小，重量减轻,用材减少。
电机控制技术手册
电机控制技术手册第一章：引言电机控制技术是现代工业中不可或缺的一部分。
它能够实现对电机系统的全面控制和管理，提高生产效率和产品质量。
本手册旨在介绍电机控制技术的基本原理和常见应用，帮助读者理解和掌握相关知识。
第二章：电机基础知识2.1 电机的工作原理电机是将电能转换为机械能的设备。
根据不同的原理和结构，电机可以分为直流电机、交流电机和步进电机等多种类型。
本节将详细介绍各种电机的工作原理和特点。
2.2 电机控制的基本原则电机控制的基本原则是根据实际需求对电机进行启动、停止、调速等操作。
常见的电机控制方法包括直接启动、星三角启动、变频调速等。
本节将详细介绍各种电机控制方法的原理和适用范围。
2.3 电机控制系统的组成电机控制系统由电源、控制器、传感器和执行器等组成。
每个组成部分都扮演着关键的角色，确保电机能够按照预定要求工作。
本节将逐一介绍各个组成部分的功能和作用。
第三章：电机控制技术的应用3.1 电动机控制系统电动机控制系统广泛应用于机械制造、能源、交通运输等领域。
本节将通过具体案例，介绍电动机控制系统在驱动各类机械设备中的应用和优势。
3.2 电机控制器的选型与调试电机控制器是电机控制系统中最重要的部分，其选择和调试对于系统的稳定性和性能至关重要。
本节将介绍如何根据实际需求选择合适的电机控制器，并对其进行调试和优化。
3.3 电机控制技术在智能制造中的应用随着工业智能化的发展，电机控制技术在智能制造中的应用越来越广泛。
本节将介绍电机控制技术在智能制造中的典型应用案例，包括自动化装配线、机器人等领域。
第四章：电机控制技术的发展趋势4.1 变频调速技术变频调速技术是当前电机控制技术的主流趋势之一。
本节将介绍变频调速技术的原理和应用优势，并展望其未来发展方向。
4.2 无感矢量控制技术无感矢量控制技术是电机控制技术领域的前沿技术。
本节将介绍无感矢量控制技术的原理和应用，并探讨其对电机控制技术的影响和未来发展方向。
现代电机控制技术
现代电机控制技术
现代电机控制技术是电力驱动的系统的核心部分，能够满足现代电机多种要求。
由于发展迅速，越来越多的机械设备被自动化，越来越依赖电机的控制，电机的控制技术有着极其重要的作用。
本文主要介绍现代电机控制技术的基础：
1. 马达控制原理：马达控制通过电源和传动系统来控制电机，由于电源传输的能量可以控制电机驱动的机械元件，所以可以控制机械设备的运动状态。
2. 机器控制内容：机器控制是采用数字化电机控制系统来控制机械设备的运动状态。
它是将电机的控制信号与机器设备的动作联系起来，使机械设备可以根据电源传输的能量实现控制。
3. 电力控制：电力控制是指在指定的电流或功率中对电机进行控制，以实现特定的动作。
它通常是指根据电机控制信号调整电机输出参数，实现电机控制的能力。
4. 电源信号控制：电源信号控制是指用电源传输的信号来控制电机的运动状态，可以实现电机的高精度控制。
综上所述，现代电机控制技术已经发展得相当成熟，取得了很大的成就，它深刻地改变了机械设备的结构，并有效地提升了机械设备的性能，为各种机械设备的自动化提供了有力的支持。
现代电机控制技术
(1-16)
式中， Wm 为主磁路磁场能量，它全部储存在气隙中； Vδ 为气隙体积。
16
现代电机控制技术
第1章 基础知识
当励磁电流 iA 变化时，磁链ψ AA 将发生变化。根据法拉第电磁感应 定律，ψ AA 的变化将在线圈 A 中产生感应电动势 eAA 。若设 eAA 的正方 向与 iA 正方向一致， iA 方向与 φmA 和 φσA 方向之间符合右手法则，则有
磁导， Λδ =
1 μ0 S 。 = Rδ δ
将式(1-8a)写为
φδ = Λmδ f A
式中， Λmδ =
(1-8b)
Λm Λδ 1 ， Λmδ 为串联磁路的总磁导， Λmδ = 。 Λm + Λδ Rmδ
11
式(1-8b)为磁路欧姆定律的另一种表达形式。
现代电机控制技术
第1章 基础知识
式(1-7)表明，作用在磁路上的总磁动势恒等于闭合磁路内各 段磁压降之和。 对图 1-1 所示的磁路而言，尽管铁心磁路长度比气隙磁路长 得多，但由于 μ Fe >> μ 0 ，气隙磁路磁阻还是要远大于铁心磁路的 磁阻。对于这个具有气隙的串联磁路，总磁阻将取决于气隙磁路 的磁阻，磁动势大部分将降落在气隙磁路中。 在很多情况下，为了问题分析的简化，可将铁心磁路的磁阻 忽略不计，此时磁动势 f A 与气隙磁路磁压降相等，即有
2 NA 2 = iA = N A ΛmδiA Rmδ
(1-10)
定义线圈 A 的励磁电感 LmA 为
LmA =
ψ mA
iA
2 NA 2 = = NA Λmδ Rmδ
(1-11)
LmA 表征了线圈 A 单位电流产生磁链ψ mA 的能力。对于图 1-1，又将 LmA 称
电工技术基础：控制三相交流电动机
电工技术基础：控制三相交流电动机引言在现代工业领域中，三相交流电动机广泛应用于各类机械设备中，如泵、风机、压缩机等。
掌握控制三相交流电动机的基本知识和技术，对于确保工业设备的正常运行和提高生产效率至关重要。
本文将介绍控制三相交流电动机的基础原理和常用的控制方法。
一、三相交流电动机的基本原理三相交流电动机是一种将电能转换为机械能的装置。
它由定子和转子两部分组成。
其中，定子上绕有三相绕组，通过定子绕组中的电流在旋转磁场的作用下，使转子旋转。
三相交流电动机的基本原理可以归结为两个关键概念：磁场旋转和感应电动机原理。
•磁场旋转：三相交流电动机的定子绕组通电后，产生的磁场会随着电流的变化而旋转。
这个旋转的磁场与转子磁铁产生相互作用，从而导致转子旋转。
•感应电动机原理：根据法拉第电磁感应定律，当导体（转子）在变化的磁场中移动时，会在导体中产生感应电动势。
这个感应电动势将导致转子上产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，从而推动转子旋转。
二、三相交流电动机的控制方法控制三相交流电动机有多种方法，常见的包括直接启动、自耦变压器启动、起动器控制和变频调速等。
下面将对这些方法一一进行介绍。
1. 直接启动直接启动是最简单的一种控制方法，它适用于小型电动机和起动负载不大的情况。
直接启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组与电源连接。
•打开电源开关，给电动机供电。
•电动机直接启动，并开始工作。
然而，直接启动可能会对电网和电动机本身造成较大的冲击。
因此，在大型电动机和重载起动的情况下，需要采用更加先进的控制方法。
2. 自耦变压器启动自耦变压器启动是一种减小启动冲击的方法。
它通过引入自耦变压器来减小启动时的电压冲击。
自耦变压器启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组、自耦变压器和电源连接。
•打开电源开关，给电动机和自耦变压器供电。
•首先，通过自耦变压器将电动机的起动电压减小为较低的值。
•待电动机达到正常转速后，通过切换开关去除自耦变压器，使电动机工作于额定电压下。
现代交流调速技术
（）定子部分 定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。 定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。 机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。 （）转子部分 转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 转子绕组： ）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导 条，形成一个多相对称短路绕组。）绕线式转子：转子绕组为三 相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。
0 n0
临界转差率：sm
R2 R12 ( X1 X 2 )2
正弦波电源供电下运行的功率因数低。
瞬时停电措施 电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生
紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路， 这段时间一般在秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会 产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。
§ 异步电动机的工作原理及机械特性
统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型 调速系统；转差功率不变型调速系统。
类型
调速方法
特点
转差功率消耗型 转差功率回馈型
降压调速;电磁转 差离合器调速;转子回路 串电阻调速;
绕线转子异步电机串级 调速.
消耗全部功率；效率最低； 结构简单；
大部分转差功率回馈利用；效 率较高；需要回馈装置
转差功率不变型
所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动 机工作在自同步状态。
四、交流调速系统的主要发展方向
.变频调速：是最有发展前途的一种交流调速方式。
交-直-交变频调速系统（在电压型和电流型基础上， 向PWM型变频和多重化技术方向发展） 交-交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的 趋势）
变频器的电力半导体器件向模块化﹑快速化﹑光控化﹑高电 压﹑大电流﹑自关断和高可靠性方向发展；
交流电机的控制技术与应用
交流电机的控制技术与应用电机是现代工业中最为常见的动力装置之一，广泛应用于各个领域，如制造业、交通运输、能源等。
而交流电机作为电机的一种，具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，因此在工业生产中得到了广泛应用。
本文将重点探讨交流电机的控制技术与应用。
1. 交流电机的基本原理交流电机是利用交流电流产生的旋转磁场与电机中的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动电机旋转。
交流电机的基本原理可以归纳为两个方面：电磁感应原理和洛伦兹力原理。
电磁感应原理指的是当交流电通过电机绕组时，产生的磁场与电机中的磁场相互作用，产生转矩。
洛伦兹力原理指的是当电机绕组中的电流与磁场相互作用时，会产生力矩，使电机旋转。
2. 交流电机的控制技术交流电机的控制技术主要包括转速控制、转矩控制和位置控制三个方面。
2.1 转速控制转速控制是指通过改变电机输入电压的频率和幅值，来控制电机的转速。
常用的转速控制方法有电压调制控制、频率调制控制和矢量控制等。
其中，电压调制控制是最为常用的方法，通过改变电压的幅值来控制电机的转速。
频率调制控制则是通过改变电压的频率来控制电机的转速。
而矢量控制则是综合了电压调制和频率调制的优点，可以实现更精确的转速控制。
2.2 转矩控制转矩控制是指通过改变电机输入电压和电流的幅值和相位，来控制电机的输出转矩。
常用的转矩控制方法有直接转矩控制和感应电机转矩控制等。
直接转矩控制是一种基于电流反馈的控制方法，通过测量电机电流来实现对转矩的控制。
感应电机转矩控制则是一种基于转子电流的控制方法，通过测量电机转子电流来实现对转矩的控制。
2.3 位置控制位置控制是指通过改变电机输入信号的频率和幅值，来控制电机的位置。
常用的位置控制方法有开环控制和闭环控制等。
开环控制是一种基于输入信号的预设值来控制电机位置的方法，但由于外界干扰和内部参数变化等因素的影响，其控制精度较低。
闭环控制则是一种基于位置反馈的控制方法，通过测量电机位置来实现对位置的控制，具有较高的控制精度。
交流电机原理和控制技术
书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
交流电机原理和控制技术
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。
一、交流电机概述
由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。
交流电
机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。
交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。
20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。
二、交流电机分类
2.1、交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。
由于电机工作状态的可逆性，同一台电机既
把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。
2.2、交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。
同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。
ns与所接交流电的频率(f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系
ns＝f/P
在中国，电源频率为50赫，所以三相交流电机中一对极电机的同步转
速为3000转/分，三相交流电机中两对极电机的同步转速为1500转/分，余类推。
异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。
异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10％以内。
转差率
专注下一代成长，为了孩子。
电机与电气控制技术基础
④ 利用式（15-2）求出磁动势IN。
15.1.2 铁心线圈与电磁铁
1．铁心线圈的电磁关系
铁心线圈的电磁关系有两种，一种是用直流来励磁，另一种是用交流励磁。直流励磁的铁心线圈，磁通恒定、电流I的大小只与线圈电阻R有关，功率损耗也只有I 2R，即所谓铜损。而交流铁心线圈的电磁关系与功率损耗等是比较复杂的。它也是变压器与交流电机的基础。
磁饱和性即磁性材料的磁化磁场B（或Φ）随着外磁场H（或I）的增强，并非无限地增强，而是当全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场一致时，磁感应强度B不再增大，达到饱和值。亦即铁磁性材料的磁化曲线是非线性的，如图15-2所示。为了尽可能大地获得强磁场，一般电机铁心的磁感应强度常设计在曲线的拐点a附近。
下面以非匀磁路图15-4的分析与计算为例，介绍其求解磁动势的一般步骤。
① 由于各段磁路的截面不同，而磁通Φ相同，因此各段磁路中的磁感应强度Bi=Φ/Si，由此求得B 1、B 2、及B 0，其中计算B 0时的截面S 0 时，因δ很小，可以也取铁心截面S 2。
② 据各段磁路材料的磁化曲线B=f（H），查得与上述B i对应的磁场度H i。其中空气隙或其它非铁磁材料的磁场强度H 0=B 0/μ0=B 0/4π×10-7（A/m）可以直接计算。
[牛顿] （15-11）
由式（15-11）可知，吸力在零与最大值Fm之间脉动（图15-8）。因而衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触头容易损坏。为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁坏（图15-9）。于是在分磁坏（或称短路环）中便产生感应电流，以阻碍磁通的变化，使在磁极两部分中的磁通Φ1与Φ2之间产生一相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，这就消除了衔铁的颤动，当然也就除去了噪音。
现代电机控制技术的发展现状与展望
现代电机控制技术的发展现状与展望摘要:本文介绍了现代电机控制技术的发展现状,包括各种现代电机控制系统的基本模式、组成模块和关键技术进行了系统介绍,最后对未来电机控制技术的发展方向进行了展望。
关键词:电机;新材料;矢量控制;直接转矩控制;发展与展望引言电机是把电能转换成机械能的设备,它在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业领域中都有着广泛的应用。
随着现代电力电子技术的飞速发展,现代电机控制技术正朝着小型化和智能化的方向发展。
1.电机的基本结构及分类普通电机主要由定子、转子、端盖、风扇、罩壳、机座和接线盒等组成。
以图1所示的最常见的三相鼠笼式电机为例,其主要由定子和转子构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转部分,在定子与转子之间有一定的气隙。
定子由铁心、绕组与机座三部分组成。
转子由铁心与绕组组成,转子绕组有鼠笼式和线绕式。
图2所示即为三相线绕式电机转子结构示意图,值得一提的是鼠笼式与线绕式两种电机虽然具有不同的结构,但是工作原理却是相同的。
电机按其工作电源种类的不同可划分为直流电机和交流电机两种,常见直流电机按结构及工作原理可进一步划分无刷直流电机和有刷直流电机,常见交流电机按结构及工作原理的不同也可以进一步划分为单相电机和三相电机。
这些电机也因为其结构和工作原理的不同而具有不同的特性。
2.无刷直流电机控制技术的发展现状与展望自1978年,MAC经典无刷直流电机及其驱动器推出之后,国际上对无刷直流电机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。
三十多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电机得到了长足的发展。
2.1.各组成部分发展状况2.1.1.电机本体无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基本一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可靠性得以提高。
无刷电机的发展与永磁材料的发展是分不开的,基本上经历了铝镍钴,铁氧体磁性材料和钕铁硼三个发展阶段。
电机控制器基础知识课件
保护电路通常由熔断器、过流保护器 、过压保护器等元件组成，实现对电 机的过流、过压、短路等保护。
04 电机控制器的软件组成
CHAPTER
控制算法
控制算法是电机控制器的核心， 用于实现电机的速度、位置和转
矩控制。
控制算法通常采用PID（比例-积 分-微分）控制、模糊控制、神经
网络控制等现代控制理论。
智能制造领域
电机控制器将在智能制造领域中发挥重要作用， 如自动化生产线、数控机床等。
绿色环保与可持续发展
能效提升
电机控制器的发展将注重能效提升，降低能源消耗和碳排放，推 动绿色环保的可持续发展。
环保材料
采用环保材料制造电机控制器，减少对环境的污染和破坏。
循环经济
电机控制器的设计将注重循环经济理念，方便回收和再利用，降 低资源浪费。
。
物流系统
电机控制器用于控制物流输送带 、升降机等设备的运行，提高物
流效率。
机器人
电机控制器用于控制机器人的关 节和运动，实现精确的定位和操
作。
电动车与新能源汽车
电动汽车
电机控制器是电动汽车的核心部件之一，用于控制电机的运行， 实现车辆的加速、减速、制动等功能。
混合动力汽车
电机控制器用于控制汽车的发动机、电动机和电池等部件，提高燃 油效率和减少排放。
现代电机控制器集成了更多的功能， 如保护、诊断和通讯等，同时采用智 能控制算法，提高了电机的运行效率 和可靠性。
随着微处理器技术的发展，数字电机 控制器逐渐取代了模拟电机控制器， 控制精度和稳定性得到了提高。
02 电机控制器的工作原理
CHAPTER
电机的工作原理
直流电机
直流电流通过电机的线圈产生磁场， 该磁场与电机中的永磁体相互作用， 产生转矩使电机旋转。直流电机的转 速可以通过改变输入电流的大小和方 向来调节。
电机控制的技术课程设计
电机控制的技术课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握电机控制的基本原理，包括电机的工作原理、类型及适用场合。
2. 使学生了解电机控制技术中的关键参数，如电压、电流、频率等，并能运用这些参数进行基本的电机控制计算。
3. 引导学生理解电机控制系统中的主要组成部分，如控制器、驱动器、传感器等，并掌握它们在系统中的作用。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行电机控制电路设计与搭建的能力，能够独立完成简单的电机控制实验。
2. 提高学生运用电机控制技术解决实际问题的能力，例如实现电机的启动、停止、正反转、速度调节等功能。
3. 培养学生运用电机控制软件进行编程、调试和优化电机控制系统性能的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电机控制技术的兴趣，激发他们探索电机控制领域的好奇心。
2. 培养学生团队协作精神，提高沟通与表达能力，使他们能够在团队中发挥积极作用。
3. 引导学生认识到电机控制技术在生产、生活和国防等领域的广泛应用，增强他们的社会责任感和使命感。
本课程针对高中年级学生，结合电机控制技术课程特点，注重理论联系实际，以实用性为导向，旨在培养学生的电机控制技术素养和实际操作能力。
课程目标具体、可衡量，便于学生和教师在教学过程中进行有效评估。
二、教学内容1. 电机控制原理：讲解电机的工作原理、类型及适用场合，包括直流电机、交流电机、步进电机等。
- 教材章节：第一章 电机控制概述- 内容：电机的基本结构、原理、分类及性能特点。
2. 电机控制技术关键参数：介绍电压、电流、频率等参数在电机控制中的应用，并进行相关计算。
- 教材章节：第二章 电机控制参数与计算- 内容：电机控制参数的含义、计算方法及实际应用。
3. 电机控制系统组成：分析控制器、驱动器、传感器等组成部分在电机控制系统中的作用。
- 教材章节：第三章 电机控制系统组成- 内容：控制器、驱动器、传感器等的工作原理及功能。
4. 电机控制电路设计与搭建：讲解电机控制电路的设计方法，指导学生进行实际操作。
现代电机控制技术第4章 三相感应电动机直接转矩控制
而若保持 ψs 的幅值不变，就可以快速地改变和控制电磁转矩，但是电磁转
矩 te 和负载角 sr 间呈显了非线性关系。
9
4.1.2 定子电压矢量作用与定子磁链轨迹变化
在定子三相轴系中，定子电压矢量方程为
us
Rs is
dψ s dt
(4-11)
若忽略定子电阻的影响，则有
us
dψ s dtΒιβλιοθήκη 可近似地表示为现代电机控制技术
第4章 三相感应电动机 直接转矩控制
第 4 章 三相感应电动机直接转矩控制
4.1 控制原理与控制方式 4.2 控制系统 4.3 空间矢量调制 4.4 直接转矩控制与矢量控制的联系和比较 4.5 直接转矩控制仿真举例
2
对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应 电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过 控制定子电流励磁分量来控制转子磁场、气隙磁场或者定子磁场，在此 基础上，通过控制定子电流转矩分量来控制电磁转矩。为此，先要进行 磁场定向，然后通过矢量变换，将磁场定向 MT 轴系中的定子电流励磁 分量和转矩分量变换为 ABC 轴系中的三相电流。总之，是通过控制定 子电流来间接控制电磁转矩。在这一过程中，磁场定向、矢量变换和定 子电流控制是必不可少的。
5
式(4-5)表明，电磁转矩决定于ψs 和ψ r 的矢量积，即决定于两者幅值 和其间的空间电角度。若 ψs 和 ψr 保持不变，电磁转矩就仅与负载角有 关。由式(4-5)，可得
dte
d sr
p0
Lm LsLr
ψs
ψr
cos sr
(4-6)
通常， sr 的值较小，可见 sr 对电磁转矩的调节和控制作用是明显的。于
现代电机控制技术[可修改版ppt]
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式(1-2)表明线圈 A 提供的磁动势 fA 被主磁路的两段磁压降所平
衡。此时， fA 相当于产生磁场 H 的“源”，类似于电路中的电动势。
在铁心磁路内，磁场强度 Hm 产生的磁感应强度 Bm 为
Bm Fe H m r 0H m
(1-4)
式中， Fe 为磁导率， r 为相对磁导率， 0 为真空磁导率。
电机中常用的铁磁材料的磁导率 Fe 约是真空磁导率 0 的 2000～6000 倍。空气磁导率与真空磁导率几乎相等。铁磁材料的 导磁特性是非线性的，通 常 将 Bm f (Hm ) 关 系 曲 线称为磁化曲线，如图 1-3 所示。可以看出，当 H m 达 到一定值后，随着 H m 的增 大，Bm 增加越来越慢，这 种现象称为饱和。
(1-13)
式中，
是线圈
AA
A
电流
iA 产生的磁场链过自身线圈的磁链，称为
自感磁链。
定义
LA LσA LmA
(1-14)
式中，LA 称为自感，由漏电感 LσA 和励磁电感 LmA 两部分构成。
这样，通过电感就将线圈 A 产生磁链的能力表现为一个集
路的总磁导成正比。由于总磁导与铁心磁路的饱和程度( Fe 值)有关，因此
LmA 是个与励磁电流 iA 相关的非线性参数。若将铁心磁路的磁阻忽略不计
(
Fe
)， LmA便是个仅与气隙磁导和匝数有关的常值，即有
Lm A
N
2 A
Λ
。
在磁动势 fA 作用下，还会产生没有穿过气隙主要经由铁心外空 气磁路而闭合的磁场，称之为漏磁场。它与线圈 A 交链，产生漏磁
链 σA ，可表示为
σA LσAiA
(1-12)
式中，LσA 为线圈 A 的漏电感。LσA 表征了线圈 A 单位电流产生漏磁
现代电机控制技术复习资料
1.机电能量转换：dt时间内磁能的变化d% =%dj +约由B + i A i B[dL AB（e r）/de r]dd r，由绕组A和B中变压器电动势从电源所吸收的全部电能加之运动电动势从电源所吸收电能的一半所组成；由运动电动势吸收的另外一半电能成为转换功率，成为机械功率。
产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条件，产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的关键。
转子在耦合场中运动产生电磁转矩，运动电动势和电磁转矩构成一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分。
2.磁阻转矩：t=-0.5（L^-LJi2sin26r。
当转子凸极轴线与定子绕组轴线重合，此时气隙磁导最大，定义ea q & 丁此时定子绕组的自感为直轴电感L d；当转子交轴与定子绕组轴线重合，此时气隙磁导最小，定义此时定子绕组的自感为交轴电感％；因此在转子旋转过程中，定子绕组的自感将发生变化。
由于转子运动使气隙磁导发生变化而产生的电磁转矩称为磁阻转矩。
转子励磁产生的电磁转矩称为励磁转矩。
3.直流电机电磁转矩：主磁极基波磁场轴线定义为d （直）轴，d轴反时针旋转90。
定义为q （交）轴。
直流电动机的电枢绕组又称为换向器绕组，其特征：电枢绕组本来是旋转的，但在电刷和换向器的作用下，电枢绕组产生的基波磁场轴线在空间却固定不动。
在动态分析中，常将换向器绕组等效为一个单线圈，若电刷放在几何中性线上，单线圈的轴线就被限定在q轴，称为q轴线圈。
因q轴磁场在空间是固定的，当q轴磁场变化时会在电枢绕组内感生变压器电动势；同时它又在旋转，在d轴励磁磁场作用下，还会产生运动电动势，q轴线圈为能表示出换向器绕组这种产生运动电动势的效应，它应该也是旋转的。
这种实际旋转而在空间产生的磁场却静止不动的线圈具有伪静止特性，称为伪静止线圈，它完全反映了换向器绕组的特征，可以由其等效和代替实际的换向器绕组。
电磁转矩Q =，控制i/不变，改变勿即改变Q，线性控制良好。
机电控制技术基础
机电控制技术基础机电控制技术基础机电控制技术是现代工程领域中基本的技术之一，它使用多种技术如机械、电子、计算机和控制论等控制方法，综合利用这些技术来实现机械设备系统的自动化控制。
机电控制技术在工业生产、生活服务等领域中应用广泛，对于提高生产效率、降低成本、提高安全系数等方面都起到了至关重要的作用。
因此，本文将从机电控制技术的基础方面入手，介绍以下内容：机电系统概述、传感器、电机、电器元件、控制器及其应用。
一、机电系统概述机电控制技术是一种机电一体化的技术，它主要应用在工业领域中。
它的核心工作是将电气控制系统和机械设备整合在一起，形成一个相互作用的系统，然后通过合理地制定控制策略，实现对机械设备的自动化控制。
机电系统通常由以下三部分组成：1. 机械结构部分：包括设备的传动装置、支撑结构和形体结构。
机械结构部分是机电系统的基础之一。
2. 电气部分：包括设备的电气系统、电气元件和电路。
电气部分是机电系统的控制核心。
3. 控制器：用于控制机械和电气部分，实现对机械设备的自动化控制。
二、传感器传感器是一种能够将检测到的物理量转换成电信号输出的设备。
常见的传感器有温度传感器、湿度传感器、光传感器、压力传感器、电流传感器等。
传感器可以将物理参数转换成电信号，然后将这些信号送到微处理器或控制器中进行计算和判断，控制设备的运转、维护和调试。
传感器是机电系统中不可或缺的部分，与机电系统中的电气部分紧密关联，有着重要的应用价值。
三、电机电机是机电系统中电气部分的核心元件，主要用于将电能转换成机械能。
常见的电机有直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。
电机的结构主要由转子（转动部分）和定子（不动部分）两部分构成。
在机械工程中，电机通常用作驱动力，从而实现各种机械设备的自动化运行。
四、电器元件电器元件是机电系统中的基础部分，其中包括了各种基本的电子元件、电容器、电感、二极管、三极管、场效应管等。
这些电器元件可以有效地控制电流和电压，使其达到合理的水平，并保证设备的安全运行。
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现代交流电机控制技术基础
控制科学与工程系自动化研究所 沈安文 87541547（O） shenanwn@
第一章 概 论
1.1 交流电机调速技术的发展
1.需要对电机进行调速
A：运行、生产、工艺的需要
高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。
2.需要对交流电动机进行调速 A：长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度 控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全 都采用直流电动机调速系统。 原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压 或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不 易控制 。
E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速 技术的发展和应用。
模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超 大规模集成电路、单板机、单片机、 DSP、专 用芯片等等
F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和 应用打下坚实的基础 第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
iPowIR
Total Solution
PI-IPM IPM
IGCT
Total Solution
Switching Controller LDO
集成化智能化
BBI GTO BJT
DirectFET
IGBT FlipFET
MOS+IC+…
Drive IC
双极性自关断器件
MOSFET
晶闸管
Power Management
B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制： （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有 一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率 上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案， 这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控 制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的 场合则根本无法用直流电机方案来实现。
2．高功率变换性能——绿色交流电机控制 系统
包括：负载侧的高传动性能和电网侧的高 功率交换性能
网侧: (1)高功率因数与能量可递 (2)低谐波
(3)EMC
这是以电力电子技术发展为基础的。
3．信息技术起入传动领域
也就是网络电气传动系统。
RS232/RS485→现场总线→局域网→广
域网
教学内容及考查方式
1.2 变频调速的一般概念
交流电机的转速公式为：
异步电机：n=60 f (1-s) / p
同步电机：n=60 f / p
交流电动机的调速方法实际上只有两大类： 改变ns和改变s。 高效调速方法：变ns 低效调速方法：变S
变频调速是交流电机最理想的调速方式
变频调速的核心是变频器
变频器的分类
而交流电动机（主要指笼式异步电动机和 同步电动机）主要用于不需要变速的电力 传动系统中. 原因是: （1）不论是异步电动机还是同步电动机， 唯有改变定子供电频率调速最为方便，而 且可以获得优异的调速特性。而大容量的 变频电源却在长时期内没有得到很好的解 决；
(2)异步电动机和直流电动机不同，它只 有一个供电回路—定子绕阻，致使其速度 控制比较困难，不像直流电动机那样通过 控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地 控制电动机的转速。
转子串电阻，浪费大量能量，很不经 济，若用电源代替电阻，即在转子回路中串 入一个与转子回路频率相同的交流附加电势 E2来取代电阻。
E 3I 2 2
P
产生附加电势 E
2
装置
I2
串级调速原理图
（1）当E2与转子电流同相，E2相当于一个负 电阻，电能输入到电机，电机转速升高；
（2）当E2与转子电流反相，E2相当于一个电 阻，电能从电机流到电网，电机转速降低；
1) 交-交变频器（直接变频器）
用于大容量,低速调速系统, 不需减速齿轮箱. 如: 轧钢机,球磨机,水泥回转窑等.
2) 交-直-交变频器（间接变频器）
主要适用于：中小功率、转速较高、负载较平稳的场合， 如：压缩机、挤压机、给水泵等。频率调节范围宽,功率
因数高.
3）两种变频器的比较
两种变到换向器的可靠工作，电枢及换 向器的直径一般都做的比较大，因此电机的转动 惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或 是在安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。
（3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经 常注意观察换向器的火花情况。因此在一些恶劣 条件下或人难以接近的工作场所，使用直流电机 就很难保证长期运行的安全性。
Power Electronics
G：新型交流电机的出现丰富和推动了交流电 机的应用 （1）无刷直流电机，亦称无换向器电机，70 年代在国外得到应用，它是未来电动汽车等的 首选电机——本质上是同步电动机 （2）开关磁阻电动机，也是70年代兴起的，它 在国外发展迅猛，大有和异步电动机、同步电动 机三分天下之趋势。
4、控制电路
是变频器的核心。
A. 输出电压调节方式:
1)PAM方式：脉冲幅值调节方式（Pulse
Amplitude Modulation--PAM）是通过改变直
流侧的电压幅值进行调压的
2)PWM方式：变频器中的整流器采用不可
控的整流二极管整流电路。变频器
的输出电压和输出频率均由逆变器 按PWM方式调节。
4.我们的机遇与挑战
电力电子与运动控制： 传统产业通向信息社会的桥梁与纽带。
中国正在成为世界电动机的生产基地，机遇与挑战？
• 可持续发展战略下，电机系统节能的巨大市场： 美国： 电动机进步，节电246亿kWh/年 变频供电，节电 606亿kWh/年 中国： 500亿/年的市场，1000亿kWh/年 • 变频调速对电动机发展的推动作用
1、整流器
不控整流
相控整流器
单相PFC PWM整流器
ud ud
RL
ua ia
三相PFC PWM整流器
ia ua
ud RL
单相可逆PWM整流器
ud+ ud
eL
ud-
eL
i ( 10A /grid ) i
i ( 10A / drid ) i u
u
Time ( 10ms / grid )
Time ( 10ms / grid )
压频比恒定控制 转差频率控制 矢量控制
直接转矩控制
1.3
交流电机控制技术的发展趋势
以省电为目的：改原来交流不调速为 交流调速 以减少维护为目的：改直流调速为交 流调速 原直流调速达不到的领域：大功率、 高压、高速场合应用交流调速系统
1 ．现代控制理论的成果在交流电机控制 系统中应用
包括：解耦控制方法、非线性状态反馈、 自适应控制方法、控制、智能控制等等。 因为：我们有了高速发展的微电子技术这 个强有力的工具。
计划学时数：32，其中包括实验学时数4。
第二章 坐标变换与异步电机等值电路
第三章 VVVF变频器原理及PWM方法 第四章 磁场定向矢量控制和直接转矩控制
第五章 同步电机的数学模型
第六章 同步电机的变频调速系统
考查方式：开卷考试，并结合小论文
参考书目
1. 许大中. 交流电机调速理论. 杭州:浙江大学出版社,1991 2. Leonhard W著,吕嗣杰译,陈伯时校. 电气传动控制. 北 京:科学技术出版社,1993 3. 陈坚. 交流电机数学模型及调速系统. 北京:国防大学出 版社,1989 4. 张琛. 直流无刷电动机：原理及应用. 北京:机械工业出 版社,1996 5. 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统. 北京：机械工业出版 社,2002 6. 李永东.交流电机数字控制系统. 北京：机械工业出版 社,2002
C：交流电机所具有的优越性。
而交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有 结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常 维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。
如果能控制好，它具有直流电机无法比拟的 优越性。
采用交流调速、方便、节能 一套2050mm的热连轧板机，精轧部分采用 交流传动，比直流传动节电1150万kW· h/年， 节水30％，转动惯量减少77％，响应时间 缩短30％，设备投资少，停机维修时间缩 短75％。 风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调 节方式改造成交流电机调速方式平均可节 电20％，设备改造费一般可在1年～3年内 回收。
（3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
D：变频调速是交流电动机最好的调速方法
（1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世 纪50年代中期，一直几乎无法实现。
（2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不仅开创 了电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制 技术发展的一个大飞跃。 （3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流 电机控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论 上和直流电机相当。 （4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流 电机控制技术发展发展起来推动作用。
B. 导通模式:
1)
180导通模式:任意时刻有三个管子同时
导通（每个桥臂上有一个管子），换流是在同 一桥臂内上下两个管子之间进行的，不会过电 压，但可能直通。
2)
120导通模式:同一桥臂中的两个管子之
间存在30的导通间隔，因而避免了直通的短路 事故发生。
C. 变频器的控制方法:
3．交流电机调速技术的发展，使交流电机传动 实用化成为现实。
传统的交流电机可分为异步电动机和同 步电机两大类。 A.早期的交流电机调速以以下3种为主
（1）线绕式异步电机的转子外串电阻 （2）笼型异步电动机的变极调速 （3）同步电机的变极调速 后两种极对数改变有限，调速范围不大。