無刷直流電動機調(diào)速

1 主要內(nèi)容 同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點及基本類型無刷直流電動機的工作原理無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 舉例 第九章無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 2 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)是一種自控變頻的同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 了解同步電動機是理解無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) 同步電動機在結(jié)構(gòu)上與異步電動機有以下區(qū)別 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵磁 電動機軸上帶有轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制逆變器換流 無機械換向器 輸入定子的電流為方波電流 首先介紹同步電動機及其調(diào)速的基本概念 特點和基本類型 3 同步電動機的定子與三相異步電動機的一樣 而轉(zhuǎn)子是磁極 由直流勵磁或永久磁鐵勵磁 是交流電動機中兩大機種之一 同步電動機因其轉(zhuǎn)速n與供電電源頻率f1之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系而得名 只要供電電源的頻率f1不變 其轉(zhuǎn)速n就絕對不變 同步電動機的應(yīng)用范圍也比較廣泛 小到電子鐘和記錄儀表的定時旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 大到發(fā)電機組 空氣壓縮機 鼓風(fēng)機等無不利用其轉(zhuǎn)速恒定的特點 9 1同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點及基本類型 4 一 同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點和異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)相比 同步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有以下特點 同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源輸出的基波頻率之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系 其轉(zhuǎn)差率 由于極對數(shù)固定 惟一靠變頻進(jìn)行調(diào)速 同步電動機本身沒有轉(zhuǎn)矩 剛啟動時 定子雖然能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 但轉(zhuǎn)子是靜止的 在慣性的作用下跟不上旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)子所受到的平均轉(zhuǎn)矩為零 啟動比較困難 同步電動機啟動困難 重載時有振蕩或失步 負(fù)載突然增大而超過電磁轉(zhuǎn)矩 現(xiàn)象 這些問題隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展得到了很好解決 5 同步電動機有勵磁回路 在較低的頻率下也能運行 因此同步電動機的調(diào)速范圍較寬 而異步電動機的轉(zhuǎn)子電流靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生 在較低頻率下轉(zhuǎn)子難以產(chǎn)生必須的電流而無法工作 因此調(diào)速范圍較窄 異步電動機的電流在相位上總是滯后于電壓 因而對晶閘管逆變器而言必須設(shè)置強制換流電路 同步電動機能運行在超前功率因數(shù)下 可利用反電動勢實現(xiàn)逆變器的自然換流 不需設(shè)置附加換流電路 同步電動機可通過改變 轉(zhuǎn)子 勵磁電流 改變定子相電壓U和相電流I之間的相位差 即改變功率因數(shù) 進(jìn)而使其工作在感性 電阻性或容性三種狀態(tài)下 同步補償機就工作在容性狀態(tài)下 可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流改變輸入功率因數(shù) 使其在下運行 異步電動機靠加大轉(zhuǎn)差率提高轉(zhuǎn)矩 同步電動機靠加大功率角來提高轉(zhuǎn)矩 功率角為定子相電流與感應(yīng)電動勢的夾角 6 例如 同步電動機的變頻啟動 轉(zhuǎn)子先加勵磁電流 定子繞組輸入頻率很低的三相交流電 由于定子 電樞 旋轉(zhuǎn)磁通勢的轉(zhuǎn)速很低 可帶動轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn) 將定子頻率逐步增加 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之逐步升高 到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時 啟動過程結(jié)束 二 同步電動機變壓變頻系統(tǒng)的分類1 根據(jù)頻率控制方法可分為 他控變頻和自控變頻兩大類 他控變頻調(diào)速就是用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電 變頻裝置中逆變器的輸出頻率獨立設(shè)定 不取決于轉(zhuǎn)子的位置 顯然 這是一種頻率開環(huán)的控制方式 重載時仍存在振動和失步現(xiàn)象 自控變頻調(diào)速是根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子的位置來控制逆變器開關(guān)器件的通斷 從而使逆變器的輸出頻率追隨電動機的轉(zhuǎn)速 這是一種頻率閉環(huán)的控制方式 能保證轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn) 從根本上避免振動和失步的產(chǎn)生 7 2 按定子供電電源分為 三相永磁同步電動機和無刷直流電動機兩類 三相永磁同步電動機 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵磁 給同步電動機的定子輸入三相正弦電流時 稱為三相永磁同步電動機 無刷直流電動機 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵磁 給同步電動機的定子輸入方波電流時 稱為無刷直流電動機 無刷直流電動機也稱為梯形波永磁同步電動機 屬于自控變頻同步電動機 它是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測到的信號來控制逆變器的通 斷 控制逆變器的輸出功率 從而控制電動機的轉(zhuǎn)速的 無刷直流電動機是帶有電子換向器的永磁直流電動機 它用位置檢測器和逆變器代替了機械式的電刷和換向器 有直流電動機的性能 8 無刷直流電動機由三相永磁方波電動機 位置檢測器 逆變器 控制器組成 如下圖所示 9 2無刷直流電動機的工作原理 這一節(jié) 主要任務(wù)有兩個 討論工作原理和控制方式 工作原理 控制方式 9 一 工作原理V1 V6導(dǎo)通 定子繞組流過電流iAB 定子繞組合成磁通勢Fa垂直C相軸線 勵磁磁場F0與電樞磁場Fa相差1200 這實際上是最大相位差 兩磁場相互作用使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到F01位置時 F0和Fa垂直 相位差900 電動機的轉(zhuǎn)矩最大 電機學(xué)知識 電磁轉(zhuǎn)矩既與定子磁動勢的幅值 轉(zhuǎn)子磁動勢的幅值成正比 也與這兩個磁動勢夾角的正弦值成正比 10 轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖b所示位置時 F0和Fa相位差為600 控制電路控制切換功率晶體管 使V6截止 V2導(dǎo)通 定子繞組流過電流iAC 定子磁勢Fa相應(yīng)地轉(zhuǎn)過600 此時 F0和Fa相位差又變?yōu)?200 11 如此重復(fù)進(jìn)行 每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動600 在控制電路的控制下 使相應(yīng)的功率晶體管導(dǎo)通 切斷 從而使定子進(jìn)行一次換流 改變電樞磁場方向 轉(zhuǎn)子跟著電樞磁場旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)電樞磁場和勵磁磁場的相互作用 使電動機能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn) 磁極每轉(zhuǎn)動600電角度 電流換流一次 電樞磁場在空間上也躍進(jìn)600 在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時 電樞磁場Fa與勵磁磁勢F0的相位差始終在600 1200范圍內(nèi) 其平均值處于正交狀態(tài) 這樣同樣的定子電流下使轉(zhuǎn)矩最大 從原理可知 無刷直流電動機的磁場是一種步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場 產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動的 上述逆變器為1200通電型的六拍逆變器 每一時刻都只有兩只功率管導(dǎo)通 至于哪兩只功率管導(dǎo)通則由轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的信號來控制 12 1 兩兩導(dǎo)通方式逆變器中功率管導(dǎo)通的順序一般安排為 二 控制方式按照三相星型橋式接法為例說明其工作方法 各觸發(fā)脈沖相互間隔600 任意時刻有2只功率管導(dǎo)通 每只管子導(dǎo)通時間為1200 各管子之間換流是在相鄰橋臂中進(jìn)行的 13 間隔 600時間 1200順序 1234561 換流 在相鄰橋臂進(jìn)行 V1 V6 V2 V3 V4 V5 V6 V1 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 相鄰 相鄰 14 2 三三通電方式逆變器中功率管導(dǎo)通的順序為 各觸發(fā)脈沖相互間隔600 任意時刻有3只功率管導(dǎo)通 每只管子導(dǎo)通時間為1800 各管子之間換流是在同一橋臂內(nèi)進(jìn)行的 同一 同一 同一 15 16 三 位置檢測器位置檢測器是用來檢測無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子磁極和定子旋轉(zhuǎn)磁極的相對位置的 能夠發(fā)出信號控制逆變器換向的一種裝置 1 電磁感應(yīng)式位置檢測器電磁感應(yīng)式位置檢測器由兩部分組成 定子和轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子為一塊導(dǎo)磁的扇形圓盤 扇形的電角度為1800 機械角為 例如 np 1時 機械角為1800 np 2時 機械角為900 定子裝有3只檢測元件 E形變壓器 在空間上互差1200電角度 分別對應(yīng)ABC三相繞組 機械角度為 例如 np 1時 機械角為1200 np 2時 機械角為600 17 E形變壓器的工作原理 兩外側(cè)鐵芯柱上有初級線圈 通有高頻電源 中心柱上有次級線圈 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的缺口處于變壓器鐵芯下面時 由于磁路對稱 中心柱的合成磁通為零 次級線圈無感應(yīng)電流 圖a 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤扇形部分轉(zhuǎn)到變壓器鐵芯兩芯柱下時 磁路不對稱 對應(yīng)磁路的磁導(dǎo)增大 另一側(cè)芯柱下的磁導(dǎo)不變 次級線圈有感應(yīng)信號輸出 轉(zhuǎn)子的扇形部分依次掃過變壓器的A B C 3個檢測元件分別輸出3個相差1200電角度的高頻感應(yīng)信號 經(jīng)濾波整形后成為矩形信號 用來驅(qū)動逆變器 電磁感應(yīng)式位置檢測器結(jié)構(gòu)比較簡單 工作比較可靠 國內(nèi)應(yīng)用較多 18 2 光電式位置檢測器光電式位置檢測器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成 轉(zhuǎn)子為一塊非導(dǎo)磁的帶有缺口的圓盤 缺口數(shù)等于電動機的級對數(shù)np 每個缺口寬為1800電角度 機械角為 例如 np 1時 機械角 1800 np 2時 機械角 900 定子部分有3個光耦合器 在空間上相差1200電角度 機械角為 例如 np 1時 機械角 1200 np 2時 機械角 600 np 2時的光電式位置檢測器 19 光電式位置檢測器工作原理 光耦合器由一只發(fā)光二極管和一只光敏三極管組成 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的凸起部分處在槽光耦的槽部時 光線被擋住 光敏三極管呈現(xiàn)高阻態(tài) 不導(dǎo)通 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的缺口處在光耦合器的槽部時 光敏三極管接收光線照射 呈現(xiàn)低阻態(tài) 導(dǎo)通 轉(zhuǎn)子圓盤的凸起部分依次掃過3個光耦合器 并通過變換電路 將光敏三極管高 低電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高低電平信號輸出 就得到3個相位相差1200電角度的信號 經(jīng)邏輯電路處理后 用于驅(qū)動逆變器 光電式位置檢測器性能較好 但安裝比較麻煩 而且不耐用 20 下面給出一種無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 其原理圖為 9 3無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 21 系統(tǒng)構(gòu)成變頻裝置 不可控整流器把交流電變成直流電 逆變器為PWM脈寬調(diào)制型 控制回路 轉(zhuǎn)速外環(huán) 電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu) 與直流雙閉環(huán)不同點在于 無刷直流電動機用電子開關(guān)代替了機械換向裝置 所以 控制回路由多路乘法器 三通道電流調(diào)節(jié)器 比較器和基極驅(qū)動電路構(gòu)成 多路乘法器 把轉(zhuǎn)子磁極位置信號轉(zhuǎn)換成電流調(diào)節(jié)器ACR的相位給定信號 通過邏輯判斷分配給相應(yīng)通道的電流調(diào)節(jié)器 并綜合速度調(diào)節(jié)器的輸出信號 確定各通道切換的速度快慢 工作過程電流調(diào)節(jié)器的輸出信號作為參考信號和三角波比較后 產(chǎn)生PWM信號 經(jīng)過基極驅(qū)動后 控制主功率管的通斷 產(chǎn)生PWM波 給三相永磁電動機供電 PWM波的脈寬由電流調(diào)節(jié)器的輸出幅值決定 PWM波的頻率由電流調(diào)節(jié)器的相位給定值決定 轉(zhuǎn)子磁極位置 22 以提高電動機轉(zhuǎn)速為例說明調(diào)節(jié)過程 假設(shè) 速度給定值增加 機械慣性使電動機的轉(zhuǎn)速來不及變化 使得ASR的輸入偏差信號