特种电机介绍第1章BLDCM课件.ppt
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- 特种 电机 介绍 BLDCM 课件
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1、特种电机及其控制1特种电机及其控制孙建忠 白凤仙 编著中国水利水电出版社大连理工大学电气工程系2Permanent Magnet Brushless DC Motors(PM BLDCMs)特种电机及其控制3三相三状态BLDCM 原理传感器:传感器:H1=1 H2=0 H3=1导通相:导通相:B特种电机及其控制4传感器:传感器:H1=1 H2=0 H3=0导通相:导通相:B特种电机及其控制5传感器:传感器:H1=1 H2=1 H3=0导通相:导通相:C特种电机及其控制6传感器:传感器:H1=0 H2=1 H3=0导通相:导通相:C特种电机及其控制7传感器:传感器:H1=0 H2=1 H3=1导
2、通相:导通相:A特种电机及其控制8传感器:传感器:H1=0 H2=0 H3=1导通相:导通相:A特种电机及其控制9传感器:传感器:H1=1 H2=0 H3=1导通相:导通相:B特种电机及其控制101.1.1 基本组成基本组成 位位 置置 检检 测测 器器 逆逆 变变 器器 电电 机机 本本 体体 控控 制制 信信 号号 控控 制制 器器 输输 出出 直直 流流 电电 源源 无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图特种电机及其控制11 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子(a)结构示意图结构示意图(b)定转子实际结构定转子实际结构 特种电机及其控制12 N S
3、N S N S N S 表面式磁极表面式磁极 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁极嵌入式磁极 N S N S N S N S 环形磁极环形磁极 内内 特种电机及其控制13实际电机实际电机 外外转转子子 绕绕组组 永永磁磁体体 内内定定子子 结构示意图结构示意图 特种电机及其控制14 US A B C D b)b)四相半桥主电路四相半桥主电路 US A B C a)a)三相半桥主电路三相半桥主电路1)非桥式(半桥式)非桥式(半桥式)半控型半控型特种电机及其控制152)桥式桥式全控型全控型c)c)星形联结三相桥式主电路星形联结三相桥式主电路 US VD1 VD4 VT1 VT
4、4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制16d)三角形联结三相桥式主电路三角形联结三相桥式主电路 2)桥式桥式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制172)桥式桥式全控型全控型e)正交两相全控型主电路正交两相全控型主电路 US A B 特种电机及其控制182)桥式桥式全控型全控型f)封闭形联结四相桥式主电路封闭形联结四相桥式主电路 US A B C D 特种电机及其控制19绕组利用率:绕组利用率:三相绕组优于四相、五相绕组三相绕组优于
5、四相、五相绕组转矩脉动:转矩脉动:相数越多,转矩脉动越小相数越多,转矩脉动越小电路成本:电路成本:相数越多,电路成本越高相数越多,电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多星形联接三相桥式主电路应用最多特种电机及其控制20位位置置检检测测器器有位有位置传置传感器感器检测检测无位无位置传置传感器感器检测检测磁敏式磁敏式光电式光电式电磁式电磁式接近开关式接近开关式正余弦变压器正余弦变压器编码器编码器反电动势检测反电动势检测续流二极管工作状态检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法瞬时电压方程法特种电机及其控制21控控制制器器模拟模拟控制控制系统系统 数字数字控制控制
6、系统系统 分立元件加少量集分立元件加少量集成电路构成的模拟成电路构成的模拟控制系统控制系统 基于专用集成电路基于专用集成电路的控制系统的控制系统 数模混合控制系统数模混合控制系统 全数字控制系统全数字控制系统 是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心功能的指挥中心 特种电机及其控制22永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制后产生脉宽调制PWMPWM信号,经过驱动电路放大送至逆信号,经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管,从而
7、控制电动机各相绕组按一定变器各功率开关管,从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作,在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。顺序工作,在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。特种电机及其控制23工作原理工作原理磁极图示位置磁极图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V6开通开通 A、B相导通相导通I:E+-A-B-E-电机顺时针旋转电机顺时针旋转磁极转过磁极转过60o图示位置图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V2 开通开通 A、C相导通相导通I:E+-A-C-E-电机顺时针旋转电机顺时针旋转转子每转过转子每转过60o,逆变器开关管换流一次、定子磁状,逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次,电机
8、有态改变一次,电机有6个磁状态,三相各导通个磁状态,三相各导通120o转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转跳跃旋转特种电机及其控制24两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表特种电机及其控制25由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机,既具有永磁直控制系统后构成自同步永磁电动机,既具有永磁直流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化。流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化。无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动无刷直流电动机
9、与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。模式的波形比较如下图所示。无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低,其调无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低,其调速性能已能达到低速转矩脉动小于速性能已能达到低速转矩脉动小于3、调速比大、调速比大于于1:10000的水平,因而越来越多地受到人们的青的水平,因而越来越多地受到人们的青睐。睐。特种电机及其控制26 ia B B ea ea ia Ta Ta Te Te t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O(a)无刷直流电动机无刷直流电动机(b)永磁同步电动机永磁同步电动机 特种电机及其控制27 VT3 US
10、 A B C VT1 VT2 H1 H2 H3 特种电机及其控制28在三相半桥主电路中,位置信号有在三相半桥主电路中,位置信号有1/3周期为高电平、周期为高电平、2/3周期为低电平,各传感器之间的相位差也是周期为低电平,各传感器之间的相位差也是1/3周期,如周期,如图所示。图所示。0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 旋转磁场在旋转磁场在360360 电角度范围内有三种磁状态,每种电角度范围内有三种磁状态,每种磁状态持续磁状态持续120120 电角度。我们把这种工作方式叫做单电角度。我们把这种工
11、作方式叫做单相导通星形相导通星形三相三状态三相三状态。特种电机及其控制29 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C+US -位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止,其控制方式有两种:开关管的导通和截止,其控制方式有两种:。特种电机及其控制30 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得:a abbc ceEiEiEiT式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相绕组的反电动势;三相绕组的反电动势;i ia a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相绕组的电流;三
12、相绕组的电流;转子的机械角速度。转子的机械角速度。可见,电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转可见,电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下,如果电流一定,反电动势越大,转矩越大。速下,如果电流一定,反电动势越大,转矩越大。特种电机及其控制31三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 特种电机及其控制32 三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律 特种电机及其控制33 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3 V T5 C +US -A C B 如图所示的角形联
13、结三相桥式主电路的开关管也采用功率如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样,角形联结的控制方式也有。与星形联结一样,角形联结的控制方式也有二二二导通和三三导通二导通和三三导通两种。两种。特种电机及其控制34 电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律 特种电机及其控制35 电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律 特种电机及其控制36电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁
14、场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢绕组的合成磁动势变化电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如下图所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特种电机及其控制37 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可见,在一个磁状态范围内,电枢磁动势在刚开始为最可见,在一个磁状态范围内,电枢磁动势在刚开始为最大去磁,然后去磁磁动势逐渐减小;在大去磁,然后去磁磁动势逐渐减小;在1/21/2磁状态时既不磁状态时既不去磁也不增磁;在后半个磁状态内增磁逐渐增大,最后去磁也不增磁;在后半个磁状态内增磁逐渐增大,最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢
15、合成磁达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势动势F Fa a在转子磁极轴线上的投影,其最大值为在转子磁极轴线上的投影,其最大值为特种电机及其控制38admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相绕组的磁动势;W每相绕组的串联匝数;Kw绕组系数。特种电机及其控制39无刷直流电机的磁场、电势、电流波形无刷直流电机的磁场、电势、电流波形特种电机及其控制40 假设假设(1)(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近近 似为方波似为方波)分布;分布;(2)(2)定子齿槽的影响忽略不计;定子齿槽的影响忽略不计;(3)(3)电枢反应
16、对气隙磁通的影响忽略不计;电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计;(4)(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗;忽略电机中的磁滞和涡流损耗;(5)三相绕组完全对称。三相绕组完全对称。特种电机及其控制41定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000特种电机及其控制42:ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000特种电机及其控制43 r LM ec
17、US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea+-+-+-ia ib ic r LM eb A B C 特种电机及其控制44 无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示 特种电机及其控制45设电枢绕组导体的有效长度为设电枢绕组导体的有效长度为L La a,导体的线速度为,导体的线速度为v v,则,则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为单根导体在气隙磁场中感应的电动势为(V)vLBea60260npnDv(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为如电枢绕组每相串联匝数为W,则每相绕组的感
18、应电动,则每相绕组的感应电动势幅值为势幅值为 nCnpWeWEeim152aiLB特种电机及其控制46 依据基尔霍夫定律,可得换相过程中的电路方程为依据基尔霍夫定律,可得换相过程中的电路方程为()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii续流结束后,换相完成,电路方程变为:续流结束后,换相完成,电路方程变为:0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL特种电机及其控制47 为了简化分析,假设不考虑开关器件动作的过渡过程,并为了简化分析,假设不考虑开关器件动作的过渡过程,并忽略电枢绕组的电感。这样
19、,无刷直流电动机的电压方程忽略电枢绕组的电感。这样,无刷直流电动机的电压方程可以简化为:可以简化为:22STaUUErI式中UT开关器件的管压降;Ia 电枢电流;E 线电动势,即电机的反电动势。特种电机及其控制48对于对于无刷直流电动机,任一时刻都有两相绕无刷直流电动机,任一时刻都有两相绕组导通,故电机的反电动势为组导通,故电机的反电动势为 2215meipWEEnCn式中Ce 电机的电动势常数,iepWC152 rEUUITSa22在任一时刻,电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和在任一时刻,电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生,则转子磁场相互作用产生,则 42m aaea
20、TaipWE IEITICI特种电机及其控制49eaTSCrIUUn22pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25.7152220ieepWCnEK152aiTaeTIpWCITK4特种电机及其控制5022222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线 为为 rUUCICTTTstTst22特种电机及其控制51调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1特种电机及其控制52工作特性 :实验值 :设计值 120W样机效率特性 特种电机及其控制53转矩脉动定义为转矩脉动定义为 maxmin100%rNTTTT(1)(1)
21、电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动(2)(2)换相引起的转矩脉动换相引起的转矩脉动 ;(3)(3)定子齿槽引起的转矩脉动;定子齿槽引起的转矩脉动;(4)(4)电枢反应的影响电枢反应的影响 ;(5)(5)机械工艺引起的转矩脉动机械工艺引起的转矩脉动 特种电机及其控制541.1.换相过程中的相电流和转矩换相过程中的相电流和转矩 0)(0)(cbaSccMbbMccMaaMiiiUedtdiLedtdiLedtdiLedtdiLmcbaEeeedtdidtdidtdibac0cbaiii由于由于又又得得特种电机及其控制55SmMaMmMaMUEdtdiLdtdiLEdtdiLdtdiL22
22、022bb整理,得整理,得bc232()343aSmMSmMSmMd iUEd tLd iUEd tLd iUEd tL 特种电机及其控制56解上述微分方程组,并考虑各相电流的初值和终值为换相解上述微分方程组,并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值前后各相电流的稳态值,得,得c232343SmaMSmbMSmMUEiItL(UE)itLUEiIL 特种电机及其控制5732MfSmLItUE32()MfSmL ItUE特种电机及其控制58特种电机及其控制59此时此时令令ia(tf)0,得,得ia降为零的时间降为零的时间tf 32MfSmL ItUE 特种电机及其控制60特种电机及其
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