《现代电力电子学与交流传动》读书笔记（二）
本读书笔记分成两部分，书籍原句摘抄和知识整理，本章感悟
书籍原句摘抄和知识整理
第二章 交流电动机传动
2.1 引言：
2.2 异步电机：
异步电机的本质上可以被看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器。
电机中气隙实际上是均匀的（没有明显的磁极）
2.2.1 旋转磁场
异步电机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。如果忽略槽的影响和由于非理想绕组分布产生的空间谐波，可以证明三相对称电源加到三相定子绕组上会建立一个同步旋转磁场。
是同步转速（r/min）;
是定子频率（Hz）
2.2.2 转矩的产生
若初始时转子处于静止状态，磁场将从转子导条上扫过，从而在短路的转子电路中感应出相同频率的电流。
气隙磁链和转子磁动势相互作用产生转矩。
转差率：
2.2.3 等效电路
等效电路如下
图中的
n:转子对定子的匝数比
s:转差率
:铁损等效电阻
:磁化电感
等效向量图如下：
基础公式：
定子电压：
定子磁链/磁极：
转矩角：
功率因数角：
转差率：
是定子电流的磁化或磁链分量。
转矩公式：
是气隙磁链/磁极的峰值；
是转子电流的峰值.
等效电路分析：
三相输入功率：
定子铜耗:
铁损耗：
电磁功率：
转子铜损耗：
输出功率：
轴功率：
上式表明，当知道定子频率时，通过电磁功率，就可以计算出转矩。
（2-32）
当频率和电源电压恒定时，上式是转差率s的函数。
2.2.4 转矩-转速曲线
表明在磁链恒定时，转矩
与
成正比,在
恒定时，转矩
与
成正比。
2.2.5 电动机的NEMA分类：
A类：较低的启动转矩，大启动电流和低运行转差率，低转子电阻（低转差率，运行效率高）
B类：启动转矩，启动电流和极限转矩均略低于A类电机，但具有较高的转差率。工业传动最常用。被设计成较高的转子漏电感。
C类，D类：较高的启动转矩，低启动电流（转子电阻大）。
2.2.6 变压恒频运行：
适合与控制效率要求低的D类电机。（B类电机：转速控制范围小）
2.2.7 变频运行;
2.2.8 恒电压/频率运行：
在低于基频或者额定频率的区域应当成比例的同时降低定子电压，以保持气隙磁链恒定。比例是 。
在传统的变频变压运行中，电机具有低转差率特性（转子电阻很小），因此电机效率很高。
电机总可以以最大转矩启动，没有了高冲击电流，减小了应力，因此提高了电机寿命。
2.2.9 传动运行区域：
传动工作点的选择：
2.2.10 变定子电流运行
变定子电流运行的简化电路
转矩表达式： 其中
2.2.11 谐波的影响：
实际上使用开关阵列构成的逆变电源很难给出正弦的波形。波形通常是PWM或者方波。通过傅里叶级数分析，可以看到他们含有不希望的谐波成分。这些谐波会带来两个不良影响：1. 谐波发热；2. 转矩脉动。
电动机参数变化：定子和转子的电阻都随着温度线性增加，此外还有由于谐波引起的趋肤效应。在定子绕组上，趋肤效应可以忽略不计，但它的影响在转子铜条上是显著的。
脉动的转矩是由某一频率的气隙磁链与不同频率的转子磁动势相互作用而产生的。
2.2.12 动态d-q模型：
异步电机的转矩表达式：
或
带输入电压变换和输出电流变换的同步旋转坐标系电机模型
单相简化的有效电路
动态模型的状态方程：
定义磁链变量：
其中是电机的基频。
异步电机的转矩表达式：
2.3 同步电机
与同步转速旋转的，这个转速只与电源频率相关。
2.3.1 绕线励磁电动机（直流电机）
定子与异步电机相同，转子带有一个通直流电流的绕组。
直流电流通过滑环和电刷。
转子不受定子的感应影响。磁动势由励磁绕组提供，这使得电机在定子端可以以任意的功率因数运行。
与异步机的对比：
隐极电机的等效电路：
隐极电机的向量图
是转矩角，
与
的夹角，电动为负，发电为正。
凸极电机的向量图：
同步电机的动态模型（Park模型）
等效电路
矩阵公式
并且
同步电机的稳态模型可以通过使用的时间导数项或与s相关的项等于零而得到。
稳态方程：
式中：
注意，若：
1.电机以同步转速运行；
2. 没有凸极性；
3. 忽略同步机的励磁；
则异步电机与同步电机模型完全相同。
2.3.2 同步磁阻电动机
2.3.3 永磁（PM）电动机
直流励磁绕组被永磁代替。
优点：消除励磁铜耗，功率密度更高，转子惯性更低，转子结构更加牢固。
缺点：损失控制励磁磁链的灵活性，可能性出现退磁。
2.3.3.1 永磁材料
2.3.3.2 正弦表面式永磁(SPM)电动机
2.3.3.2 正弦嵌入式永磁(IPM)电动机
特点： 电机坚固，允许更高的转速；凸极性；随着有效气隙减少，电枢反应起决定性作用。
等效电路：
忽略铁耗，电路方程：
式中：
转矩方程：
2.3.3.4 梯形波表面式永磁(SPM)电动机
2.4 可变磁阻电动机（VRM）
2.5 小结
在一开始，首先对异步电机的稳态性能进行了讨论，然后是d-q动态模型。之后推导出用于仿真的以磁链表示的状态空间方程；
对于同步电机，首先对基于均方根向量图的稳态分析进行讨论，然后是d-q动态模型，之后是状态空间方程。
对电机性能的详细理解，包括对参数变化特性变化特性的理解，对于设计现代高性能传动的设计是非常必要的。最终的选择取决于性价比的折中，需要考虑最初成本，体积，重量，效率，动态响应，功率因数，转子惯量，可靠性，位置或转速传感器等各种因素。
本人感受：正如小结中所述的，本章介绍了各种交流电机，并基本套路都是稳态分析，动态模型，状态方程。其中稳态分析是从等效电路入手，着重从能量角度分析。主要是输入，损耗，输出功率的公式；而动态模型分析电磁转矩与交直轴电流，磁链直接关系，这是为控制电机做准备；状态方程就是多阶矩阵等式，还涉及到时间，这就像小结里叙述的就是用来做仿真的，太复杂了实际直接应用价值很少。
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