机电能量转换能量关系
三相永磁同步电机(PMSM)矢量控制建模与仿真
目录1 引言 (1)1.1 课题的背景与意义 (1)1.1.1 课题背景 (1)1.1.2 课题意义 (1)1.2 永磁电机发展概况 (1)2 机电能量转换和拉格朗日方程 (2)2.1 机电能量转换 (2)2.2 三相同步电机电磁转矩 (7)2.3 拉格朗日方程 (9)3 三相永磁同步电机的数学模型 (11)3.1 三相PMSM的基本数学模型 (11)3.2 三相PMSM的坐标变换 (13)3.2.1 Clark变换 (13)3.2.2 Park变换 (14)3.3 同步旋转坐标系下PMSM的数学模型 (14)4 三相永磁同步电机的矢量控制 (16)4.1 转速环PI调节器的参数整定 (16)4.2 电流环PI调节器的参数整定 (17)4.3 三相PMSM矢量控制系统的仿真 (19)4.3.1 仿真建模 (19)4.3.2 仿真结果分析 (22)总结 (23)参考文献 (23)三相永磁同步电机矢量控制建模与仿真摘要：永磁同步电机具有体积小、效率和功率因数高等优点，因此越来越多的应用在各种功率等级的场合。
永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，永磁同步电机的结构特点使得采用矢量控制系统有很大的优势。
本文首先分析了永磁同步电机矢量控制的发展概况，然后从机电能量转换的角度出发，解释三相永磁同步电机的机电能量转换原理，推导拉格朗日运动方程。
此外，列写出永磁同步电机在三相静止坐标系和dq坐标系下的数学模型。
基于Simulink建立了转速电流双闭环矢量控制系统的仿真模型，通过对仿真结果分析，验证了永磁同步电机矢量控制系统性能的优越性。
关键词：永磁同步电机，矢量控制，Simulink1 引言1.1 课题的背景与意义1.1.1 课题背景交流电机的控制性能在磁场定向矢量控制技术提出后才有了质的飞跃。
磁场定向矢量控制技术采用的是励磁电流和转矩电流的解稱控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。
电动机与发电机的原理
电动机与发电机的原理电动机和发电机是现代工业中不可缺少的机电设备，它们都是基于电磁感应原理而工作的。
电动机的原理是利用带电物体在磁场中受力的性质，将电能转换成机械能的过程。
其工作原理基于洛伦兹力定理，即一个带电体在磁场中受到的力是电荷、速度、磁场三者之积的向量叉乘。
当一个传导体（如铜线）带电并置于磁场中时，电流就会在导体内部流动，根据洛伦兹力定理，导体将受到一个力，使得导体运动，并将机械能传递给机械负载，从而实现电动机的功率输出。
发电机的原理则是相反的过程，将机械能转换为电能。
发电机的基本构造是由导电绕组、磁极和旋转机构组成的。
当发电机旋转时，导体就会沿着磁场的方向运动，由洛伦兹力定理得知，导体内部将会产生电动势，并顺着电路产生电流，从而变成电能输出。
这里需要说明的是，电动机和发电机的工作原理是互为反向的，即电动机将电能转换成机械能，而发电机则将机械能转换成电能，二者之间存在着能量的转换和能量守恒的关系。
另外，电动机和发电机在工作原理上虽然大致相同，但是在结构和工作方式上仍有所不同。
例如，发电机的磁铁永远不接触电线圈，而电动机的地方接触电线圈，使得电流不断流过电线圈，从而产生磁场，导致电动机的运动。
此外，发电机的转子交流输出，而电动机的转子则是直流输入。
在实际应用中，电动机和发电机的应用十分广泛。
电动机广泛应用于工业生产、交通运输、民用家居和农业等领域，是推动现代社会发展的重要基础设施之一；发电机则被广泛应用于发电厂、矿山和工业园区等地方，成为人们生产和生活中不可或缺的能源来源。
随着科技的发展，电动机和发电机的结构和工作原理也在不断升级和改进，未来它们的大规模使用将成为引领人类能源技术革新的重要驱动力之一。
动力头工作原理
动力头工作原理动力头是一种常见的机械装置，广泛应用于各种工业领域。
它的主要作用是将电能或者其他形式的能量转化为机械能，从而驱动设备或者机器的运动。
本文将详细介绍动力头的工作原理及其组成部份。
一、工作原理动力头的工作原理可以简单描述为：能量输入→ 能量转化→ 机械能输出。
1. 能量输入：动力头通常通过电源或者其他能源输入能量。
以电力为例，电源通过电缆将电能传输到动力头中。
2. 能量转化：动力头内部的转换装置将输入的能量转化为机械能。
具体的转换方式因不同的动力头类型而异。
3. 机械能输出：转换后的机械能通过输出轴传递到设备或者机器，从而实现其运动。
二、组成部份动力头通常由多个组成部份组成，每一个部份都有其特定的功能。
以下是常见的动力头组成部份：1. 电源：动力头需要外部能源输入，电源通常为交流电或者直流电。
电源可以是电网，也可以是电池等。
2. 输入轴：输入轴是动力头的一个旋转轴，用于接收来自外部的能量输入。
输入轴通常与机电或者其他能量转换装置相连。
3. 能量转换装置：能量转换装置是动力头的核心部份，其功能是将输入的能量转化为机械能。
不同类型的动力头使用不同的能量转换装置。
例如，电动机使用电磁感应原理转换电能为机械能。
4. 输出轴：输出轴是动力头的另一个旋转轴，用于将转换后的机械能输出到设备或者机器。
输出轴通常与设备或者机器的驱动系统相连。
5. 控制系统：一些动力头还配备了控制系统，用于监测和控制动力头的运行状态。
控制系统可以包括传感器、电路板和程序控制器等。
三、应用领域动力头广泛应用于各种工业领域，包括创造业、运输业、建造业等。
以下是一些常见的应用领域：1. 生产线：动力头常用于生产线上的各种机器和设备，如搅拌机、输送带、机床等。
它们通过提供动力来驱动这些设备的运动。
2. 汽车工业：动力头在汽车工业中起着重要作用。
例如，发动机是一种动力头，它将燃料能转化为机械能，驱动汽车前进。
3. 航空航天：动力头也广泛应用于航空航天领域。
第1章 电磁学的基本知识与基本定律4
(1-9)
N为线圈的匝数， 为穿过线圈的磁通。e的 方向从低电位指向高电位。
注意，只有线圈的磁通与电势符合右手螺旋关系，上式才 取负号。
1 如果假定电压和电流的正方向如图 所示，由右手螺旋关系可确定磁通 的正方向。
两次右手螺旋规则确 定感应电动势的正方 向
H 与 B 的区别 ① H ∝I，与介质的性质无关。 ② B 与电流的大小和介质的性质均有关。
磁势：
磁链：
F Ni
N
1.3 基本电磁定律
电生磁的基本定律——安培环路定律 磁生电的基本定律——法拉第电磁感应定律
电磁力定律
磁路的欧姆定律
1.3.1 电生磁的基本定律——安培环路定律
1.注意共性问题 电机种类繁多，各具特性，但就其内部 电磁关系耦合过程和机电能量转换关系，仍 有其内在联系。他们的基本工作原理都是建 立在电磁感应定律和电磁力定律基础上的； 他们的能量转换都是以磁场为媒介，其电磁 关系可抽象为电路参数，得出基本方程式和 等值电路，这是共性方面。
2.注意课程主线
Φ B S
图1.1 磁力线与电流之间的右螺旋关系
磁感应强度B与产生它的电流之间的关系用 毕奥—萨伐尔定律描述，磁力线的方向与电流的 方向满足右手螺旋关系，如图1.1_1所示。
图1.1_1 磁力线与电流的右手螺旋关系
1.2.2 磁感应通量(或磁通)
穿过某一截面面的磁感应强度B的通量， 即穿过截面S的磁力线根数称为磁感应通量， 简称磁通。用表示。即
的方向。
图1.2 磁通与其感应电势的正方向假定
2已知磁通的正方向，由右手螺旋关 系可确定感应电动势的正方向（感应 电动势e1所产生的电流分量与图中电 流i1的方向相同）。可知此时电动势 e1在A点为低电位、X点为高电位（ e1 的方向从低电位指向高电位）所以电 动势e1的正方向如图所示。
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
电气转换器工作原理
电气转换器工作原理电气转换器是一种能够将电能转换为其他形式能量的装置。
它在各个领域都有广泛的应用，比如电动机、发机电、变压器等。
了解电气转换器的工作原理对于我们理解其应用和优化设计具有重要意义。
一、电气转换器的基本原理电气转换器的基本原理是利用电磁感应或者电场作用力，将电能转换为其他形式的能量。
根据转换方式的不同，电气转换器可以分为以下几种类型：1. 发机电：发机电是一种将机械能转换为电能的电气转换器。
其工作原理是利用磁场和导体之间的相互作用力，通过导体的运动产生感应电动势。
当导体在磁场中运动时，导体内部的自由电子会受到磁场的力作用，从而产生电流。
这种电流通过外部电路，就可以输出电能。
2. 电动机：电动机是一种将电能转换为机械能的电气转换器。
其工作原理是利用电流和磁场之间的相互作用力，产生转矩，从而驱动机械设备运动。
当电流通过电动机的绕组时，绕组中的电流会在磁场的作用下受到力的作用，从而产生转矩。
这个转矩会使电动机的转子开始旋转，从而将电能转换为机械能。
3. 变压器：变压器是一种将交流电能在不同电压之间转换的电气转换器。
其工作原理是利用电磁感应，通过电磁场的变化来实现电压的转换。
变压器主要由两个或者多个线圈组成，其中一个线圈称为主线圈，另一个线圈称为副线圈。
当主线圈中的电流发生变化时，会在副线圈中产生感应电动势，从而实现电能的转换。
二、电气转换器的性能指标了解电气转换器的性能指标对于选择合适的转换器和进行性能评估非常重要。
以下是一些常见的电气转换器性能指标：1. 效率：电气转换器的效率是指转换器将输入能量转换为输出能量的比例。
通常以百分比表示，效率越高，转换器的能量损失越小。
2. 功率因数：功率因数是指电气转换器输入电流与输入电压之间的相位差。
功率因数的大小直接影响到电气转换器的电能利用率和电能质量。
3. 稳定性：电气转换器的稳定性是指在不同工作条件下，转换器输出的稳定性和可靠性。
稳定性好的转换器能够在各种工作环境和负载条件下保持稳定的输出。
机电能量转换——简答题
变极调速、变频调速、变转差率调速（改变定子端电压U1、改变转子电阻r2）
7、异步电动机有哪三种运行状态？对应的转差率在何范围内？
电动机0~1发电机<0电磁制动>1
8、增大并励直流电动机的励磁电流对电动机的转速有何影响？为什么？
转速减小。因为 ，励磁电流增大，气隙磁通增大，则电动机的转速减小。
9、直流电动机的起动方法和调速方法
（1）直接起动、电枢回路串变阻器起动、降压起动
（2）改变励磁电流调速、改变电枢端电压调速、改变串入电枢回路投入前，发电机端电压与电网电压大小相等
（2）发电机的频率与电网的频率相同
（3）发电机的电压相位与电网电压相位相同
简答题
1、单相降压变压器，一次侧电流和二次侧电流哪个大为什么？
二次侧电流大。因为降压变压器一次侧的匝数大于二次侧的匝数。 ，因此二次侧电流大。
2、串励直流电动机n1/4是什么意义？为什么？
n1/4表示电动机负载P2=PN/4时的转速。因为串励直流电动机不允许空载运行。
3、仅增大同步发电机的励磁电流对发电机的输出功率有何影响？
仅增大输出的无功功率，而对输出的有功功率无影响。
4、同步电动机有哪些起动方法？
变频起动、辅助电动机起动、异步起动
5、同步发电机在采用灯光黑暗法并网时却发现三相灯光呈灯光旋转法状态，则是何原因？因如何处理再并网？
相序反了。把发电机接到电源的三个接头中的B、C相对调一下，即A接A’，B接C’，C接B’。
（4）发电机和电网的相序要相同
（5）发电机和电网的波形要相同
11、同步发电机采用灯光旋转法并网，应如何选择合闸时刻，为什么？
应在连接于发电机与电网的相同相的指示灯全暗时刻迅速合闸。
第1章-电磁学的基本知识与基本定律
F
N( )
L N ii
m F
N 2m
N2
s
l
N
上式给出了电感与构造参数以及磁性材料之间旳关系式。
注意：空心电感线圈旳电感是一种常数。而带有铁心旳线圈其电感不是一种常数。
四. 常用磁性材料及其特征
在电机和变压器中，磁路是由铁磁材料构成旳。铁磁材料一 般采用铁或铁与钴（gu）、钨、镍和铝等构成旳合金材料。 电机（变压器）都是以磁场为媒介实现机电能量旳转换或变 换。为了减小电机磁路中旳磁阻，以取得一定励磁磁势下较 强旳磁场，从而降低电机或变压器旳体积和成本，所以一方 面在电机中广泛使用导磁性能良好旳铁磁材料；另一方面充 分利用已经有铁磁材料旳特征并选择合适旳工作点也很主要。
LH dl ik Ni
若闭合磁力线上 H 到处相等,则上式变为: HL Ni
2. 磁生电旳基本定律——法拉第电磁感应定律
电磁感应现象：变化旳磁场会产生电场，使导体中产生
感应电势，这就是电磁感应现象。感应电势和磁场之间符正 当拉第电磁感应定律。
在电机中，电磁感应现象主要体现在下列两个方面：
右手螺旋关系实际上 要求了磁通和感应电
速度电势：
图1.3 磁通与感应电势旳相量图
图1.4 感应电势与磁场、导体运动速度之间旳右手定则
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当感Φ应增电大流时和，电dt动势<0，,依电据流楞和次电定动律势，的磁作通用Φ总变是化阻会碍在磁其通所Φ交的链变的化线。圈则中所产产生生