無(wú)刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制比較 課件

1、1主 要 內(nèi) 容一、幾個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)O對(duì)數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線(xiàn)電壓、反電動(dòng)勢(shì)）二、無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（矢量控制基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速范圍）2幾個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋 極對(duì)數(shù)（ ）：電機(jī)轉(zhuǎn)子中N-S極的對(duì)數(shù)，2，3，4， 相數(shù)（ ）：電機(jī)繞組個(gè)數(shù)，3，6，12， 電角度（ ）/機(jī)械角度（ ）： 電角頻率（ ）/機(jī)械角頻率（ ）： 電角頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速（ ）： 極（2p）槽（Z）配合：Z/2p 相電壓：電機(jī)相繞組對(duì)電機(jī)中性點(diǎn)

2、電壓 線(xiàn)電壓：電機(jī)兩相繞組之間電壓 反電動(dòng)勢(shì)：電機(jī)到拖時(shí)某一轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)電機(jī)線(xiàn)電壓峰值3主 要 內(nèi) 容一、幾個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)O對(duì)數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線(xiàn)電壓、反電動(dòng)勢(shì)）二、無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（矢量控制基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速范圍）4無(wú)刷直流電機(jī)的組成無(wú)刷直流電機(jī)組成部分：電機(jī)本體、位置傳感器、電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路； 電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與交流永磁電機(jī)相似；電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成；電子開(kāi)

3、關(guān)線(xiàn)路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，起機(jī)械換向器的換向作用。5120度導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)子位置與電流換相關(guān)系a) 0度（換相前）b) 0度（換相后）c) 60度（換相前）d) 60度（換相后）e) 120度（換相前）f) 120度（換相后）6無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 采用理想化的直流無(wú)刷電機(jī)用狀態(tài)方程表示的數(shù)學(xué)模型，電流為理想的方波，反電勢(shì)為理想的梯形波，并作如下假設(shè)：（1）不計(jì)磁路飽和；（2）電機(jī)渦流損耗和磁滯損耗；（3）忽略定子電流的電樞反應(yīng)；（4）定子繞組采用Y形接法。無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路7無(wú)刷直流電機(jī)的電路模型逆變器永磁無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)示意圖 為直流電源（V）；為中間直流回路支撐（濾波）電容（F）；

4、為6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管；為6個(gè)續(xù)流二極管；采用120的兩兩導(dǎo)通方式，對(duì) 分別在各自120導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)根據(jù)不同的調(diào)制方式進(jìn)行PWM調(diào)制。8無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程：運(yùn)動(dòng)方程：9 無(wú)刷直流電機(jī)的電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有以下特點(diǎn)：（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為三相對(duì)稱(chēng)的梯形波，其波頂寬為（2）電流為三相對(duì)稱(chēng)的方波；（3）梯形波反電勢(shì)與方波電流在相位上嚴(yán)格同步。HALL狀態(tài)與PWM、三相反電勢(shì)和三相電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系無(wú)刷直流電機(jī)換流關(guān)系10無(wú)刷直流電機(jī)的相電流分析11無(wú)刷直流電機(jī)的換流模式（1） pwm-on型調(diào)制方式（2）on-pwm型調(diào)制方式（3）H_on-L_pwm型調(diào)制方式（4）H_pwm-L_on型調(diào)制

5、方式（5）L_pwm-H_pwm型調(diào)制方式（6）on-on型調(diào)制方式12無(wú)刷直流電機(jī)的換流模式對(duì)比（1）pwm-on換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，非換向相電流脈動(dòng)最?。唬?）on-pwm換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和非換相相電流均比pwm-on大；（3）H_pwm-L_on下橋換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)與on-pwm相等，上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)與pwm-on相等，且均較小；H_on-L_pwm與H_pwm-L_on正好相反；（4）H_pwm-L_pwm換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最大，非換向相電流脈動(dòng)也最大。（5）功率管開(kāi)通，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相同；功率管關(guān)斷，單側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于雙側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)； （6）單側(cè)調(diào)制存在相見(jiàn)續(xù)流現(xiàn)象，換相時(shí)間長(zhǎng)；雙

6、側(cè)調(diào)制引入直流母線(xiàn)電壓到續(xù)流回路，產(chǎn)生反電壓，換相時(shí)間短；（7）單側(cè)調(diào)制較雙側(cè)調(diào)制損耗小。13無(wú)刷直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)14無(wú)刷直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)依據(jù)轉(zhuǎn)速控制弱磁角度轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)依據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制弱磁角度15主 要 內(nèi) 容一、幾個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)O對(duì)數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線(xiàn)電壓、反電動(dòng)勢(shì)）二、無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（矢量控制基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速范圍）16 永磁

7、電機(jī)定子繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來(lái)表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示空間向量表示。矢量指得是定子電壓、電流、磁鏈等空間矢量，該類(lèi)矢量通過(guò)三相定子變量合成得到。矢量控制基礎(chǔ)矢量的基本含義為旋轉(zhuǎn)因子，17三相/2相變換：根據(jù)變換前后功率不變的約束條件，以定子電流為例：矢量控制基礎(chǔ)坐標(biāo)變換18旋轉(zhuǎn)變換：根據(jù)變換前后功率不變的約束條件，以定子電流為例：矢量控制基礎(chǔ)坐標(biāo)變換19矢量控制基礎(chǔ)圖解各變量之間關(guān)系20 矢量控制是一種高性能交流電機(jī)控制方式，它基于交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)電機(jī)定子變量（電壓、電流、磁鏈）進(jìn)行三相/2相坐標(biāo)變換，

8、將三相正交的交流量變換為兩相正交的交流量，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，將兩相正交的交流量變換為兩相正交的直流量，采用類(lèi)似于他激直流電機(jī)的控制方法，分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，具有直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似的控制性能。矢量控制基礎(chǔ)矢量控制的基本思想21永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型與基本控制方法 以三相兩極永磁無(wú)刷電機(jī)為例，分析永磁無(wú)刷電機(jī)的一般化數(shù)學(xué)模型，并作如下假設(shè)：（1）定子繞組Y形接法，三相繞組對(duì)稱(chēng)分布，各繞組軸線(xiàn)在空間互差120；（2）忽略定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的渦流損耗和磁滯損耗；（3）采用飽和參數(shù)近似計(jì)算磁路飽和效應(yīng)的影響；（4）定子繞組參數(shù)不隨溫度和頻率變化。22電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程：永磁電機(jī)數(shù)學(xué)

9、模型與基本控制方法直軸電感：交軸電感：23Ld=Lq：LdLq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)永磁同步電機(jī)的基本特性24 Id=0控制 最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制 恒功率弱磁控制 最大功率控制永磁同步電機(jī)的基本控制方法25 1、Id=0控制：永磁同步電機(jī)的基本控制方法262、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制：永磁同步電機(jī)的基本控制方法273、恒功率弱磁控制：永磁同步電機(jī)的基本控制方法284、最大功率控制：永磁同步電機(jī)的基本控制方法29經(jīng)典永磁電機(jī)矢量控制系統(tǒng)（SPM電機(jī)）永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)30經(jīng)典永磁電機(jī)矢量控制系統(tǒng)（IPM電機(jī)）永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)31電壓補(bǔ)償式永磁電機(jī)矢量控制系統(tǒng)（IPM電機(jī)）永

10、磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)32旋轉(zhuǎn)變壓器33主 要 內(nèi) 容一、幾個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)O對(duì)數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線(xiàn)電壓、反電動(dòng)勢(shì)）二、無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理和基本控制方法（矢量控制基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速范圍）34兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比永磁無(wú)刷電機(jī)位置信號(hào)永磁同步電機(jī)位置信號(hào)35永磁無(wú)刷電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)與三相電流永磁同步電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)與三相電流兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比36兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比永磁無(wú)刷電機(jī)三相電流永磁同步電機(jī)三相

11、電流Id=0控制最大轉(zhuǎn)矩電流比控制37兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比(a) 定子電流相平面圖(b) 三相定子電流(c) 直軸電流分量 (d) 交軸電流分量 (e) 磁阻轉(zhuǎn)矩分量 (f) 永磁轉(zhuǎn)矩分量(g) 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(h) 實(shí)際轉(zhuǎn)速與計(jì)算轉(zhuǎn)速38兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比(a) 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn) (b) 功率轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)(c) 電機(jī)效率轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)電機(jī)輸出特性需求39兩種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的對(duì)比1、低速出力（轉(zhuǎn)矩/電流比，功率模塊利用率） 以車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例：無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩/電流有效值比為0.456，轉(zhuǎn)矩/電流峰值比為0.297；永磁同步電機(jī)相對(duì)應(yīng)的分別為0.563和0.375，同比增加20%以上； 無(wú)刷直流電機(jī)低速電流/轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，換相噪聲大，低速電機(jī)抖動(dòng)明顯；永磁同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)矩可達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩值； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用矢量控制技術(shù)，功率模塊電流裕量提高。2、高速恒功率（恒功率調(diào)速范圍，弱磁率） 以某額定轉(zhuǎn)速6000rpm的車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，無(wú)刷直流電機(jī)采用提前換相控制的最高轉(zhuǎn)速為8000rpm，弱磁率為1:1.3；永磁同步電機(jī)可控制的恒功率最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，弱磁率為1:2；以混合動(dòng)力客車(chē)ISG電機(jī)為例，無(wú)刷直流電機(jī)的弱磁率為1:1.2，永磁同步電機(jī)的弱磁控制率為1:1.5； 無(wú)刷直流電機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)，電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電機(jī)運(yùn)行噪聲大；而永磁同