無刷直流電動機調速

1 主要內容 同步電動機變壓變頻調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速系統(tǒng) 舉例 第九章無刷直流電動機調速系統(tǒng) 2 無刷直流電動機調速系統(tǒng)是一種自控變頻的同步電動機調速系統(tǒng) 了解同步電動機是理解無刷直流電動機調速系統(tǒng)的基礎 同步電動機在結構上與異步電動機有以下區(qū)別 轉子采用永久磁鐵勵磁 電動機軸上帶有轉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 同步電動機因其轉速n與供電電源頻率f1之間保持嚴格的同步關系而得名 只要供電電源的頻率f1不變 其轉速n就絕對不變 同步電動機的應用范圍也比較廣泛 小到電子鐘和記錄儀表的定時旋轉機構 大到發(fā)電機組 空氣壓縮機 鼓風機等無不利用其轉速恒定的特點 9 1同步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)的特點及基本類型 4 一 同步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)的特點和異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)相比 同步電動機的變壓變頻調速系統(tǒng)有以下特點 同步電動機的轉速與電源輸出的基波頻率之間保持嚴格的同步關系 其轉差率 由于極對數(shù)固定 惟一靠變頻進行調速 同步電動機本身沒有轉矩 剛啟動時 定子雖然能產生旋轉磁場 但轉子是靜止的 在慣性的作用下跟不上旋轉磁場的轉動 轉子所受到的平均轉矩為零 啟動比較困難 同步電動機啟動困難 重載時有振蕩或失步 負載突然增大而超過電磁轉矩 現(xiàn)象 這些問題隨著變頻調速技術的發(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速范圍較寬 而異步電動機的轉子電流靠電磁感應產生 在較低頻率下轉子難以產生必須的電流而無法工作 因此調速范圍較窄 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 不需設置附加換流電路 同步電動機可通過改變 轉子 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 可調節(jié)轉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差率提高轉矩 同步電動機靠加大功率角來提高轉矩 功率角為定子相電流與感應電動勢的夾角 6 例如 同步電動機的變頻啟動 轉子先加勵磁電流 定子繞組輸入頻率很低的三相交流電 由于定子 電樞 旋轉磁通勢的轉速很低 可帶動轉子開始旋轉 將定子頻率逐步增加 轉子轉速隨之逐步升高 到達額定轉速時 啟動過程結束 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定 不取決于轉子的位置 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 自控變頻調速是根據(jù)檢測到的轉子的位置來控制逆變器開關器件的通斷 從而使逆變器的輸出頻率追隨電動機的轉速 這是一種頻率閉環(huán)的控制方式 能保證轉子與旋轉磁場同步旋轉 從根本上避免振動和失步的產生 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子順時針旋轉 當轉子旋轉到F01位置時 F0和Fa垂直 相位差900 電動機的轉矩最大 電機學知識 電磁轉矩既與定子磁動勢的幅值 轉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 轉子繼續(xù)旋轉 當轉子磁極轉到圖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導通 定子繞組流過電流iAC 定子磁勢Fa相應地轉過600 此時 F0和Fa相位差又變?yōu)?200 11 如此重復進行 每當轉子磁極轉動600 在控制電路的控制下 使相應的功率晶體管導通 切斷 從而使定子進行一次換流 改變電樞磁場方向 轉子跟著電樞磁場旋轉 旋轉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 磁極每轉動600電角度 電流換流一次 電樞磁場在空間上也躍進600 在穩(wěn)定運轉時 電樞磁場Fa與勵磁磁勢F0的相位差始終在600 1200范圍內 其平均值處于正交狀態(tài) 這樣同樣的定子電流下使轉矩最大 從原理可知 無刷直流電動機的磁場是一種步進式的旋轉磁場 產生的電磁轉矩是脈動的 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通 至于哪兩只功率管導通則由轉子位置檢測器發(fā)出的信號來控制 12 1 兩兩導通方式逆變器中功率管導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只功率管導通 每只管子導通時間為1200 各管子之間換流是在相鄰橋臂中進行的 13 間隔 600時間 1200順序 1234561 換流 在相鄰橋臂進行 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只功率管導通 每只管子導通時間為1800 各管子之間換流是在同一橋臂內進行的 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子磁極和定子旋轉磁極的相對位置的 能夠發(fā)出信號控制逆變器換向的一種裝置 1 電磁感應式位置檢測器電磁感應式位置檢測器由兩部分組成 定子和轉子 轉子為一塊導磁的扇形圓盤 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 當轉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 次級線圈無感應電流 圖a 當轉子圓盤扇形部分轉到變壓器鐵芯兩芯柱下時 磁路不對稱 對應磁路的磁導增大 另一側芯柱下的磁導不變 次級線圈有感應信號輸出 轉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電角度的高頻感應信號 經濾波整形后成為矩形信號 用來驅動逆變器 電磁感應式位置檢測器結構比較簡單 工作比較可靠 國內應用較多 18 2 光電式位置檢測器光電式位置檢測器由定子和轉子兩部分組成 轉子為一塊非導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 當轉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) 不導通 當轉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) 導通 轉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 低電阻轉換成相應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 經邏輯電路處理后 用于驅動逆變器 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速系統(tǒng) 其原理圖為 9 3無刷直流電動機調速系統(tǒng) 21 系統(tǒng)構成變頻裝置 不可控整流器把交流電變成直流電 逆變器為PWM脈寬調制型 控制回路 轉速外環(huán) 電流內環(huán)的雙閉環(huán)結構 與直流雙閉環(huán)不同點在于 無刷直流電動機用電子開關代替了機械換向裝置 所以 控制回路由多路乘法器 三通道電流調節(jié)器 比較器和基極驅動電路構成 多路乘法器 把轉子磁極位置信號轉換成電流調節(jié)器ACR的相位給定信號 通過邏輯判斷分配給相應通道的電流調節(jié)器 并綜合速度調節(jié)器的輸出信號 確定各通道切換的速度快慢 工作過程電流調節(jié)器的輸出信號作為參考信號和三角波比較后 產生PWM信號 經過基極驅動后 控制主功率管的通斷 產生PWM波 給三相永磁電動機供電 PWM波的脈寬由電流調節(jié)器的輸出幅值決定 PWM波的頻率由電流調節(jié)器的相位給定值決定 轉子磁極位置 22 以提高電動機轉速為例說明調節(jié)過程 假設 速度給定值增加 機械慣性使電動機的轉速來不及變化 使得ASR的輸入偏差信號