【文章內(nèi)容簡介】 ? 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和機(jī)械特性。 ? 異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指電動(dòng)機(jī)在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、效率和功率因數(shù)隨輸出功率變化的特性。一般通過負(fù)載試驗(yàn)來測取。圖是異步電動(dòng)機(jī)的工作特性。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 35 頁 ? 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分為自然機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。 ? 在電源電壓和電源頻率恒定且定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何附加設(shè)備時(shí)的機(jī)械特性稱為自然機(jī)械特性， 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 36 頁 ? 電源電壓、電源頻率、電動(dòng)機(jī)極對數(shù)、定子或轉(zhuǎn)子回路接入其它附屬設(shè)備，其中任意一項(xiàng)改變得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。 ? 由于電源頻率不變，所以同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)不變，電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成比例變化，但各條曲線的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率基本保持不變。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 37 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? 目前對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。 ? 恒壓頻比開環(huán)控制實(shí)際上只控制了電動(dòng)機(jī)磁通而沒有控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用這樣的控制系統(tǒng)對異步電動(dòng)機(jī)來講根本談不上控制性能，通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。 ? 轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的，可以在一定的轉(zhuǎn)差頻率范圍內(nèi)、一定程度上通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差來控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，但其控制理論是建立在異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，它適合于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對動(dòng)態(tài)性能要求不高的場合。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 38 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? 1．異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 ? 矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁過程，是建立在交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流解耦成互相獨(dú)立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個(gè)分量就可以實(shí)現(xiàn)對交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，從而達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能。 ? (1) 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制方式的選擇。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制是基于磁場定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，常用的控制策略有以下 4種。轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理；轉(zhuǎn)差率矢量控制原理；氣隙磁場定向矢量控制原理；定子磁場定向矢量控制原理。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 39 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? (2) 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的特點(diǎn) 。 矢量控制變頻器可以分別對異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測和控制 ， 自動(dòng)改變電壓和頻率 ， 使指令值和檢測實(shí)際值達(dá)到一致 ， 從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速 ， 大大提高了電動(dòng)機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì) 。 轉(zhuǎn)速精度約等于 %， 轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快 。 采用矢量變頻器異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡單 ， 可靠性高的效果 。 其主要表現(xiàn)在：可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制 ， 因此調(diào)速范圍很寬廣；可以對轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快；電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好 。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 40 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? 2. 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 ? 直接轉(zhuǎn)矩控制是將電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型，只是通過控制 PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式，控制電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓，改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)性能對轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性。并且這種方法被推廣到弱磁調(diào)速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式，性能優(yōu)越。但同時(shí)不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速性能降低的問題。該方法對逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大，定子電阻對電動(dòng)機(jī)低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電阻變化引起的定子電流和磁鏈的畸變，以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)頻率等問題。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 41 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? (1)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。它主要包括磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等。其中磁鏈觀測器對磁鏈的觀測是否準(zhǔn)確對整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用，而開關(guān)策略和磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是先進(jìn)控制算法的核心部分。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 42 頁 異步電動(dòng)機(jī)的控制 ? (2) 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn) ? ① 直接轉(zhuǎn)矩控制所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動(dòng)機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。 ? ②直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。 ? ③直接轉(zhuǎn)矩控制并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強(qiáng)調(diào)磁鏈完全理想圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。 ? ④直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)矩實(shí)行直接控制。它的控制效果不取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它的控制既直接又簡化。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 43 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性 ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 44 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電動(dòng)機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電動(dòng)機(jī)。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。 ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，和傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 45 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? 按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式二種。 ? (1) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较?。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖所示。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 46 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? (2) 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 47 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： ? (1) 用永磁體取代繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(xiàn)無刷運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠； ? (2) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； ? (3) 永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，對于因負(fù)載的變化而引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的承受能力，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上，適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行； 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 48 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? (4) 永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵(lì)磁，因此電動(dòng)機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬； ? (5) 永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高； ? (6) 體積小、重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度得到很大提高，比起同容量的異步電動(dòng)機(jī)來，體積和重量都有較大的減少，使其適合應(yīng)用在許多特殊場合； ? (7) 結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 49 頁 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)還存在以下缺點(diǎn)： ? (1) 由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會(huì)增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅耗； ? (2) 永磁電動(dòng)機(jī)的磁鋼價(jià)格較高。 ? 由此可見，永磁電動(dòng)機(jī)體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，功率密度高 (可達(dá) 1kW/kg)，適合電動(dòng)汽車空間有限的特點(diǎn)；另外，轉(zhuǎn)矩慣量比大，過載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，適合電動(dòng)汽車的起動(dòng)加速。因此，永磁電動(dòng)機(jī)得到國內(nèi)外電動(dòng)汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應(yīng)用，日本新研制的電動(dòng)汽車大都采用永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。比較典型的是在豐田 Prius混聯(lián)式混合動(dòng)力轎車上的應(yīng)用。 河北科技大學(xué) 車輛工程 第 50 頁 ? 1．電樞反應(yīng) ? 永磁同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)，氣隙磁場是永磁體磁動(dòng)勢和電