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第10章三相永磁同步電動(dòng)機(jī)
的建模與分析第10章三相永磁同步電動(dòng)機(jī)
的建模與分析內(nèi)容簡(jiǎn)介:涉及下列兩類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行原理、電磁過(guò)程、數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī))永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn):
功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小運(yùn)行效率高轉(zhuǎn)軸上無(wú)滑環(huán)和電刷
轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無(wú)法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢(shì)受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù)內(nèi)容簡(jiǎn)介:涉及下列兩類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行原理、電磁過(guò)程、分類(lèi):表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)按永磁體結(jié)構(gòu)分類(lèi)按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形分類(lèi)
正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)
梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(BrushlessDCMotor,BLDC)分類(lèi):表面永磁同步電動(dòng)機(jī)按永磁體結(jié)構(gòu)分類(lèi)按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)圖10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本組成框圖
10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)圖10.1正弦波永磁同步電10.1.1正弦波PMSM的基本運(yùn)行原理定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得;正弦波PMSM屬于自控式、無(wú)刷結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)10.1.1正弦波PMSM的基本運(yùn)行原理定子三相繞組采用正10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與矩角特性表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)1.正弦波表面永磁PMSM圖10.2表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與矩角特性表面永磁同A、表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低;有效氣隙較大,則同步電抗小,電樞反應(yīng)??;氣隙均勻,呈現(xiàn)隱極式同步電機(jī)的特點(diǎn),即:。B、電壓平衡方程式與相量圖(10-1)圖10.3正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖A、表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面,轉(zhuǎn)子C、矩角特性:(10-2)式中,;為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在定子繞組內(nèi)所匝鏈的磁鏈,且。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī),=常數(shù)。
鑒于上述特點(diǎn),表面永磁PMSM基本運(yùn)行在恒勵(lì)磁狀態(tài),相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域,其弱磁調(diào)速范圍很小。C、矩角特性:(10-2)式中,2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合;有效氣隙較小,d軸和q
軸的同步電抗均較大,電樞反應(yīng)磁勢(shì)較大,從而存在相當(dāng)大的弱磁空間;直軸的有效氣隙比交軸的大(一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍),因此,直軸同步電抗小于交軸同步電抗,即:
或。A、內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):B、電壓平衡方程式與相量圖
(10-3)2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖C、矩角特性(10-4)圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖C、矩角特圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的矩角特性曲線(xiàn)矩角特性的特點(diǎn):
對(duì)應(yīng)于凸極效應(yīng)的同步轉(zhuǎn)矩:;最大功率角較轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)大。圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的矩角特性曲線(xiàn)矩角特性的特點(diǎn)10.1.3正弦波PMSM的起動(dòng)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)子永磁體與其在定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生)圖10.7永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)起動(dòng)過(guò)程中的各種電磁轉(zhuǎn)矩:10.1.3正弦波PMSM的起動(dòng)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖10.710.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)相量圖10.3,可得:(10-6)(10-5)
電磁功率:輸入功率:電磁轉(zhuǎn)矩:
對(duì)表面永磁同步電動(dòng)機(jī),=常數(shù),當(dāng)保持內(nèi)功率因數(shù)角固定不變,通過(guò)控制定子繞組相電流的幅值便可以調(diào)整表面永磁PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)(亦即與同相)時(shí),上式與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性完全相同(見(jiàn)圖10.8).故自控式正弦波表面永磁PMSM有時(shí)也稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī).
結(jié)論:10.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動(dòng)圖10.8正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(當(dāng)時(shí))根據(jù)式(10-6)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下:當(dāng)時(shí),單位電樞電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。因此,(基速)以下,正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式,以獲得恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速特性。在額定轉(zhuǎn)速(基速)以上,表面永磁同步電動(dòng)機(jī)可以工作在弱磁調(diào)速范圍內(nèi),但因電樞反應(yīng)以及同步電抗較小,弱磁調(diào)速范圍較窄.圖10.8正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(當(dāng)上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(弱磁控制時(shí))圖10.10基速以上弱磁控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)弱磁升速過(guò)程中的約束條件:(1)外加電壓保持不變,(2)定子繞組電流維持額定值上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM
根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達(dá)式,過(guò)程如下:(10-7)
輸入功率:電磁功率:電磁轉(zhuǎn)矩:(10-8)
2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁
的控制方案;最大的控制方案
;弱磁控制方案;根據(jù)式(10-8)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn):,得內(nèi)置永磁PMSM的幾種常用的控制方案如下:(1)的控制方案:此時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩為:
在這種控制方式下,與表面永磁PMSM相同,正弦內(nèi)置永磁PMSM也可通過(guò)控制電樞電流的幅值調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩,獲得類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。因此,自控式正弦波內(nèi)置永磁PMSM也是一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。結(jié)論:的控制方案;根據(jù)式(10-8)和結(jié)構(gòu)特(2)最大的控制方案:推導(dǎo)過(guò)程如下:為了獲得最大()的控制準(zhǔn)則,首先將電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流歸一化。選電磁轉(zhuǎn)矩的基值為:(10-9)其中,電流的基值定義為:(10-10)將式(10-9)、(10-10)代入式(10-8)得:即:(10-11)(10-12)式中,,。由此繪出恒轉(zhuǎn)矩條件下直軸定子電流分量與交軸定子電流分量之間的關(guān)系如圖10.11所示。(2)最大的控制方案:推導(dǎo)過(guò)程如下:為了獲得最大圖10.11(圖10.11()最大時(shí)的軌跡曲線(xiàn)
根據(jù)圖10.11便可繪出在確保最大準(zhǔn)則下,與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10.12所示
,并由此確定控制策略。圖10.11(圖10.11(圖10.12在()最大的控制方式下,定子電樞電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線(xiàn)
(3)弱磁控制方案:
基速以上,內(nèi)置PMSM運(yùn)行在弱磁控制方式。由于其氣隙較小同步電抗大,因此其弱磁調(diào)速范圍較表面永磁寬。為了確保弱磁控制時(shí)電流控制有效,定子繞組的外加電壓應(yīng)滿(mǎn)足下列條件:(10-13)其中,,。(參考圖10.5)圖10.12在()最大的控制方忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:(10-14)
將上式以及代入式(10-13)得:即:(10-15)
令,,則根據(jù)上式繪出交、直軸電流的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10.13所示。忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:(10-圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時(shí)與之間的關(guān)系曲線(xiàn)由圖可見(jiàn),隨著轉(zhuǎn)速的增加,橢圓將收縮。圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時(shí)圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖10.1.5正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖110.2無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)建模與分析高性能伺服系統(tǒng),如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載人飛船等;家用電器,如高檔洗衣機(jī)、變頻空調(diào)、電動(dòng)自行車(chē)等類(lèi)型:無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)。
用途:圖10.15永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成10.2無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)建模與分析高性能伺服系統(tǒng),如數(shù)控定子繞組采用整距、集中繞組;永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面,呈隱極式結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)波形如圖10.16所示。圖10.16永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)磁密波形圖定子繞組采用整距、集中繞組;結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢(shì)波形及電流波形如圖10.17所示。圖10.17永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組感應(yīng)的相電勢(shì)和電流波形當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢(shì)波形及電流10.2.1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理電刷與機(jī)械式換向器的真正作用;定子側(cè)直流電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子側(cè)電樞反應(yīng)磁勢(shì)之間的相互關(guān)系;1.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的引入直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理的回顧:著重考慮下列兩個(gè)問(wèn)題:10.2.1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理電刷與機(jī)械式換直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程的特點(diǎn)總結(jié):
定子側(cè)為靜止的主極勵(lì)磁磁勢(shì);轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電,內(nèi)部繞組電流以及感應(yīng)的電勢(shì)為交流。由換向器和電刷完成上述逆變過(guò)程的轉(zhuǎn)換;電刷是電樞電流的分界線(xiàn),其位置決定了轉(zhuǎn)子電樞電流的換流時(shí)刻。因此,電刷與換向片配合起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用;盡管轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn),但由于電刷相對(duì)主極靜止不動(dòng),因此,電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)相對(duì)靜止;電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)空間互相垂直,確保了直流電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩;直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程的特點(diǎn)總結(jié):定子側(cè)為靜止的主極勵(lì)磁磁通過(guò)電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換;通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,完成換向片與電刷的作用,以決定換流時(shí)刻;考慮到實(shí)現(xiàn)的方便性,定、轉(zhuǎn)子位置顛倒,組成反裝式直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的不足:
電刷的磨損與維護(hù);機(jī)械式換向火花,限制了應(yīng)用場(chǎng)合;難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行;解決措施:要點(diǎn)總結(jié):
電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機(jī)械式逆變器作用;定子側(cè)的直流勵(lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子電樞磁勢(shì)兩者相對(duì)靜止且相互垂直;通過(guò)電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換;直流電動(dòng)機(jī)的不足:定子三相繞組由電子式逆變器供電,供電頻率和換流時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器——同步的需要;定子電樞繞組磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)均以同步速旋轉(zhuǎn),兩者保持相對(duì)靜止且空間相互垂直——最大轉(zhuǎn)矩的需要;電機(jī)本體為交流永磁同步電動(dòng)機(jī);無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)總結(jié):定子三相繞組由電子式逆變器供電,供電頻率和換流時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理
下面借助于圖10.15說(shuō)明永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)相對(duì)靜止且空間相互垂直的具體實(shí)現(xiàn)。圖10.15中,電力電子變流器的開(kāi)關(guān)規(guī)律(又稱(chēng)為導(dǎo)通型):
每隔換流一次;
任何瞬時(shí)有兩只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通;每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通
即:
由此繪出一個(gè)周期內(nèi)定子三相繞組在不同時(shí)刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的關(guān)系如圖10.8所示。2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理下面借助于圖1圖10.18定子繞組的合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系圖10.18定子繞組的合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個(gè)定子合成磁勢(shì);轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)電角度,定子繞組則換流一次,相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)就跳變一次。每個(gè)定子合成磁勢(shì)在時(shí)間上持續(xù)1/6周期(電角度);在這六個(gè)連續(xù)跳變的定子合成磁勢(shì)作用下,轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);盡管定子合成磁勢(shì)是跳變的,但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步,亦即在平均意義上與相對(duì)靜止。從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁勢(shì)在與轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)垂直的電角度范圍內(nèi)變化,亦即使兩者之間的夾角在~范圍內(nèi)變化。
這樣,無(wú)論是在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,與之間的夾角在平均意義上接近,亦即在平均意義上互相垂直。結(jié)論:在一個(gè)周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個(gè)定子合成磁勢(shì);結(jié)論:
無(wú)論在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,定子合成磁勢(shì)轉(zhuǎn)子磁磁勢(shì)之間的夾角在平均意義上接近,亦即在平均意義上互相垂直。上述結(jié)論的說(shuō)明:(以T6、T1向T1、T2換流為例說(shuō)明)(a)T6、T1導(dǎo)通時(shí)圖10.18(T6、T1)導(dǎo)通時(shí)定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系圖10.19()向()換流前定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系由上述兩圖可見(jiàn):(a)T1、T2導(dǎo)通時(shí)無(wú)論在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,定
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)完全相同的功能和電磁關(guān)系,從而決定了其機(jī)械特性和調(diào)速性能與直流電動(dòng)機(jī)的相似性。結(jié)論:永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不足之處:
定子(或電樞)僅有三相繞組,相當(dāng)于具有三個(gè)電樞繞組和三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī),因而存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)完全相同的功能和電10.2.2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器的各種控
制方式“導(dǎo)通型”(兩兩導(dǎo)通控制方式);“導(dǎo)通型”(三三導(dǎo)通控制方式);“導(dǎo)通型”(兩三輪流導(dǎo)通控制方式);PWM電壓和電流控制方式1、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)開(kāi)關(guān)規(guī)律:。
每隔換流一次;任何瞬時(shí)有三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通;每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通
。10.2.2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器的各種控
制方式“即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:圖10.20無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(導(dǎo)通型)即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:圖10.20無(wú)刷直流電2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)每隔換流一次;任何瞬時(shí)有三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,然后變?yōu)閮芍婚_(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,再變回三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,……;
每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通。
開(kāi)關(guān)規(guī)律:即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)每隔換流一圖10.21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(導(dǎo)通型)圖10.21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(3、PWM電壓和電流控制方式
改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,并利用來(lái)自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變,利用來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。以導(dǎo)通型為例加以說(shuō)明:永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案:3、PWM電壓和電流控制方式改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實(shí)反饋控制:上、下橋臂的主開(kāi)關(guān)器件同時(shí)斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓;續(xù)流控制:僅上橋臂(或下橋臂)的主開(kāi)關(guān)器件斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓;PWM斬波控制方案:PWM斬波控制的用途:
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng);永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。反饋控制:上、下橋臂的主開(kāi)關(guān)器件同時(shí)斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓10.2.3永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與機(jī)械特性以導(dǎo)通型為例加以說(shuō)明:忽略各種損耗,則有:(10-16)即:
(10-17)又:(10-18)參考圖10.15,由KVL得:(10-19)將式(10-18)代入(10-17)得:(10-20)10.2.3永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與機(jī)械特性以將式(10-20)代入(10-19)得:(10-21)于是得機(jī)械特性為:(10-22)若采用PWM斬波控制,則按同樣的過(guò)程可得相應(yīng)的機(jī)械特性為::(10-23)式中,表示PWM的占空比;根據(jù)式(10-23)繪出永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖10.22所示.將式(10-20)代入(10-19)得:(10-21)于是得圖10.22永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在不同占空比下的機(jī)械特性10.2.4永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型利用圖10.15,并根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)得定子各相繞組的電壓方程為:圖10.22永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在不同占空比下的機(jī)械特性1(10-24)若定子繞組采用Y接,且無(wú)中線(xiàn),則有:于是有:(10-25)(10-26)將上式代入式(10-24)得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式為:其中,。(10-24)若定子繞組采用Y接,且無(wú)中線(xiàn),則有:于是有:無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力學(xué)方程式分別為:
(10-28)
(10-29)10.2.5永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成1.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)與信號(hào)處理以導(dǎo)通型為例加以說(shuō)明:
對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),僅需要得到三個(gè)離散點(diǎn)的轉(zhuǎn)子位置信息,便可以獲得控制六個(gè)主開(kāi)關(guān)器件換流所需的控制信號(hào)。
為了確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的安裝位置,圖10.23給出了六個(gè)主開(kāi)關(guān)器件依次導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的定子合成磁勢(shì)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力學(xué)方程式分別為:(10-28圖10.23無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)位置(導(dǎo)通型)
綜合分析,轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)分別放置在三個(gè)位置(即轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)放置在偏離各相繞組軸線(xiàn)(電角度)的位置上)。
將轉(zhuǎn)子位置傳感器經(jīng)譯碼電路處理,便可獲得逆變器的六個(gè)主開(kāi)關(guān)所需要的換流控制信號(hào),如圖10.24所示。圖10.23無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)位置(圖10.24霍爾傳感器產(chǎn)生的三個(gè)位置信息圖10.24霍爾傳感器產(chǎn)生的三個(gè)位置信息2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.25無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用PWM反饋控制方式的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.25無(wú)刷直10.2.6永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的比較從結(jié)構(gòu)上看:對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī),其定子三相采用集中、整矩繞組,而轉(zhuǎn)子永磁體則采用表面瓦片式結(jié)構(gòu),永磁體厚度均勻;對(duì)于正弦波永磁PMSM,其定子三相則采用分布、正弦繞組,轉(zhuǎn)子永磁體主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是表面永磁結(jié)構(gòu);另一種為內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu),這兩種結(jié)構(gòu)均可確保氣隙磁密的波形接近正弦。從轉(zhuǎn)子位置傳感器上看:對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī),僅需提供六個(gè)(通常為三個(gè))離散的轉(zhuǎn)子位置反饋信息即可;對(duì)于正弦波永磁PMSM
,需要提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置反饋信息
。從所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩看:永磁無(wú)刷直流電機(jī)存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
;正弦波永磁PMSM所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩基本上是恒定的。從體積和重量角度看:
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率密度是永磁同步電動(dòng)機(jī)的1.15倍。
10.2.6永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的比較謝謝!謝謝!第10章三相永磁同步電動(dòng)機(jī)
的建模與分析第10章三相永磁同步電動(dòng)機(jī)
的建模與分析內(nèi)容簡(jiǎn)介:涉及下列兩類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行原理、電磁過(guò)程、數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī))永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn):
功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小運(yùn)行效率高轉(zhuǎn)軸上無(wú)滑環(huán)和電刷
轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無(wú)法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢(shì)受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù)內(nèi)容簡(jiǎn)介:涉及下列兩類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行原理、電磁過(guò)程、分類(lèi):表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)按永磁體結(jié)構(gòu)分類(lèi)按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形分類(lèi)
正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)
梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(BrushlessDCMotor,BLDC)分類(lèi):表面永磁同步電動(dòng)機(jī)按永磁體結(jié)構(gòu)分類(lèi)按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)圖10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本組成框圖
10.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)圖10.1正弦波永磁同步電10.1.1正弦波PMSM的基本運(yùn)行原理定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得;正弦波PMSM屬于自控式、無(wú)刷結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)10.1.1正弦波PMSM的基本運(yùn)行原理定子三相繞組采用正10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與矩角特性表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)1.正弦波表面永磁PMSM圖10.2表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與矩角特性表面永磁同A、表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低;有效氣隙較大,則同步電抗小,電樞反應(yīng)小;氣隙均勻,呈現(xiàn)隱極式同步電機(jī)的特點(diǎn),即:。B、電壓平衡方程式與相量圖(10-1)圖10.3正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖A、表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面,轉(zhuǎn)子C、矩角特性:(10-2)式中,;為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在定子繞組內(nèi)所匝鏈的磁鏈,且。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī),=常數(shù)。
鑒于上述特點(diǎn),表面永磁PMSM基本運(yùn)行在恒勵(lì)磁狀態(tài),相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域,其弱磁調(diào)速范圍很小。C、矩角特性:(10-2)式中,2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合;有效氣隙較小,d軸和q
軸的同步電抗均較大,電樞反應(yīng)磁勢(shì)較大,從而存在相當(dāng)大的弱磁空間;直軸的有效氣隙比交軸的大(一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍),因此,直軸同步電抗小于交軸同步電抗,即:
或。A、內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):B、電壓平衡方程式與相量圖
(10-3)2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖C、矩角特性(10-4)圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖C、矩角特圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的矩角特性曲線(xiàn)矩角特性的特點(diǎn):
對(duì)應(yīng)于凸極效應(yīng)的同步轉(zhuǎn)矩:;最大功率角較轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)大。圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的矩角特性曲線(xiàn)矩角特性的特點(diǎn)10.1.3正弦波PMSM的起動(dòng)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)子永磁體與其在定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生)圖10.7永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)起動(dòng)過(guò)程中的各種電磁轉(zhuǎn)矩:10.1.3正弦波PMSM的起動(dòng)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖10.710.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)相量圖10.3,可得:(10-6)(10-5)
電磁功率:輸入功率:電磁轉(zhuǎn)矩:
對(duì)表面永磁同步電動(dòng)機(jī),=常數(shù),當(dāng)保持內(nèi)功率因數(shù)角固定不變,通過(guò)控制定子繞組相電流的幅值便可以調(diào)整表面永磁PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)(亦即與同相)時(shí),上式與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性完全相同(見(jiàn)圖10.8).故自控式正弦波表面永磁PMSM有時(shí)也稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī).
結(jié)論:10.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動(dòng)圖10.8正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(當(dāng)時(shí))根據(jù)式(10-6)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下:當(dāng)時(shí),單位電樞電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。因此,(基速)以下,正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式,以獲得恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速特性。在額定轉(zhuǎn)速(基速)以上,表面永磁同步電動(dòng)機(jī)可以工作在弱磁調(diào)速范圍內(nèi),但因電樞反應(yīng)以及同步電抗較小,弱磁調(diào)速范圍較窄.圖10.8正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(當(dāng)上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(弱磁控制時(shí))圖10.10基速以上弱磁控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)弱磁升速過(guò)程中的約束條件:(1)外加電壓保持不變,(2)定子繞組電流維持額定值上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM
根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達(dá)式,過(guò)程如下:(10-7)
輸入功率:電磁功率:電磁轉(zhuǎn)矩:(10-8)
2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁
的控制方案;最大的控制方案
;弱磁控制方案;根據(jù)式(10-8)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn):,得內(nèi)置永磁PMSM的幾種常用的控制方案如下:(1)的控制方案:此時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩為:
在這種控制方式下,與表面永磁PMSM相同,正弦內(nèi)置永磁PMSM也可通過(guò)控制電樞電流的幅值調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩,獲得類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。因此,自控式正弦波內(nèi)置永磁PMSM也是一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。結(jié)論:的控制方案;根據(jù)式(10-8)和結(jié)構(gòu)特(2)最大的控制方案:推導(dǎo)過(guò)程如下:為了獲得最大()的控制準(zhǔn)則,首先將電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流歸一化。選電磁轉(zhuǎn)矩的基值為:(10-9)其中,電流的基值定義為:(10-10)將式(10-9)、(10-10)代入式(10-8)得:即:(10-11)(10-12)式中,,。由此繪出恒轉(zhuǎn)矩條件下直軸定子電流分量與交軸定子電流分量之間的關(guān)系如圖10.11所示。(2)最大的控制方案:推導(dǎo)過(guò)程如下:為了獲得最大圖10.11(圖10.11()最大時(shí)的軌跡曲線(xiàn)
根據(jù)圖10.11便可繪出在確保最大準(zhǔn)則下,與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10.12所示
,并由此確定控制策略。圖10.11(圖10.11(圖10.12在()最大的控制方式下,定子電樞電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線(xiàn)
(3)弱磁控制方案:
基速以上,內(nèi)置PMSM運(yùn)行在弱磁控制方式。由于其氣隙較小同步電抗大,因此其弱磁調(diào)速范圍較表面永磁寬。為了確保弱磁控制時(shí)電流控制有效,定子繞組的外加電壓應(yīng)滿(mǎn)足下列條件:(10-13)其中,,。(參考圖10.5)圖10.12在()最大的控制方忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:(10-14)
將上式以及代入式(10-13)得:即:(10-15)
令,,則根據(jù)上式繪出交、直軸電流的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10.13所示。忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:(10-圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時(shí)與之間的關(guān)系曲線(xiàn)由圖可見(jiàn),隨著轉(zhuǎn)速的增加,橢圓將收縮。圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時(shí)圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖10.1.5正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖110.2無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)建模與分析高性能伺服系統(tǒng),如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載人飛船等;家用電器,如高檔洗衣機(jī)、變頻空調(diào)、電動(dòng)自行車(chē)等類(lèi)型:無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)。
用途:圖10.15永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成10.2無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)建模與分析高性能伺服系統(tǒng),如數(shù)控定子繞組采用整距、集中繞組;永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面,呈隱極式結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)波形如圖10.16所示。圖10.16永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)磁密波形圖定子繞組采用整距、集中繞組;結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢(shì)波形及電流波形如圖10.17所示。圖10.17永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組感應(yīng)的相電勢(shì)和電流波形當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢(shì)波形及電流10.2.1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理電刷與機(jī)械式換向器的真正作用;定子側(cè)直流電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子側(cè)電樞反應(yīng)磁勢(shì)之間的相互關(guān)系;1.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的引入直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理的回顧:著重考慮下列兩個(gè)問(wèn)題:10.2.1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理電刷與機(jī)械式換直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程的特點(diǎn)總結(jié):
定子側(cè)為靜止的主極勵(lì)磁磁勢(shì);轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電,內(nèi)部繞組電流以及感應(yīng)的電勢(shì)為交流。由換向器和電刷完成上述逆變過(guò)程的轉(zhuǎn)換;電刷是電樞電流的分界線(xiàn),其位置決定了轉(zhuǎn)子電樞電流的換流時(shí)刻。因此,電刷與換向片配合起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用;盡管轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn),但由于電刷相對(duì)主極靜止不動(dòng),因此,電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)相對(duì)靜止;電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)空間互相垂直,確保了直流電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩;直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程的特點(diǎn)總結(jié):定子側(cè)為靜止的主極勵(lì)磁磁通過(guò)電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換;通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,完成換向片與電刷的作用,以決定換流時(shí)刻;考慮到實(shí)現(xiàn)的方便性,定、轉(zhuǎn)子位置顛倒,組成反裝式直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的不足:
電刷的磨損與維護(hù);機(jī)械式換向火花,限制了應(yīng)用場(chǎng)合;難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行;解決措施:要點(diǎn)總結(jié):
電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機(jī)械式逆變器作用;定子側(cè)的直流勵(lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子電樞磁勢(shì)兩者相對(duì)靜止且相互垂直;通過(guò)電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換;直流電動(dòng)機(jī)的不足:定子三相繞組由電子式逆變器供電,供電頻率和換流時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器——同步的需要;定子電樞繞組磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)均以同步速旋轉(zhuǎn),兩者保持相對(duì)靜止且空間相互垂直——最大轉(zhuǎn)矩的需要;電機(jī)本體為交流永磁同步電動(dòng)機(jī);無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)總結(jié):定子三相繞組由電子式逆變器供電,供電頻率和換流時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理
下面借助于圖10.15說(shuō)明永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)相對(duì)靜止且空間相互垂直的具體實(shí)現(xiàn)。圖10.15中,電力電子變流器的開(kāi)關(guān)規(guī)律(又稱(chēng)為導(dǎo)通型):
每隔換流一次;
任何瞬時(shí)有兩只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通;每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通
即:
由此繪出一個(gè)周期內(nèi)定子三相繞組在不同時(shí)刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的關(guān)系如圖10.8所示。2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理下面借助于圖1圖10.18定子繞組的合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系圖10.18定子繞組的合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個(gè)定子合成磁勢(shì);轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)電角度,定子繞組則換流一次,相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)就跳變一次。每個(gè)定子合成磁勢(shì)在時(shí)間上持續(xù)1/6周期(電角度);在這六個(gè)連續(xù)跳變的定子合成磁勢(shì)作用下,轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);盡管定子合成磁勢(shì)是跳變的,但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步,亦即在平均意義上與相對(duì)靜止。從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁勢(shì)在與轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)垂直的電角度范圍內(nèi)變化,亦即使兩者之間的夾角在~范圍內(nèi)變化。
這樣,無(wú)論是在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,與之間的夾角在平均意義上接近,亦即在平均意義上互相垂直。結(jié)論:在一個(gè)周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個(gè)定子合成磁勢(shì);結(jié)論:
無(wú)論在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,定子合成磁勢(shì)轉(zhuǎn)子磁磁勢(shì)之間的夾角在平均意義上接近,亦即在平均意義上互相垂直。上述結(jié)論的說(shuō)明:(以T6、T1向T1、T2換流為例說(shuō)明)(a)T6、T1導(dǎo)通時(shí)圖10.18(T6、T1)導(dǎo)通時(shí)定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系圖10.19()向()換流前定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系由上述兩圖可見(jiàn):(a)T1、T2導(dǎo)通時(shí)無(wú)論在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中還是在換流瞬間,定
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)完全相同的功能和電磁關(guān)系,從而決定了其機(jī)械特性和調(diào)速性能與直流電動(dòng)機(jī)的相似性。結(jié)論:永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不足之處:
定子(或電樞)僅有三相繞組,相當(dāng)于具有三個(gè)電樞繞組和三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī),因而存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)完全相同的功能和電10.2.2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器的各種控
制方式“導(dǎo)通型”(兩兩導(dǎo)通控制方式);“導(dǎo)通型”(三三導(dǎo)通控制方式);“導(dǎo)通型”(兩三輪流導(dǎo)通控制方式);PWM電壓和電流控制方式1、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)開(kāi)關(guān)規(guī)律:。
每隔換流一次;任何瞬時(shí)有三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通;每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通
。10.2.2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器的各種控
制方式“即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:圖10.20無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(導(dǎo)通型)即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:圖10.20無(wú)刷直流電2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)每隔換流一次;任何瞬時(shí)有三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,然后變?yōu)閮芍婚_(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,再變回三只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通,……;
每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通。
開(kāi)關(guān)規(guī)律:即:相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為:2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱(chēng)為導(dǎo)通型)每隔換流一圖10.21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(導(dǎo)通型)圖10.21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì)(3、PWM電壓和電流控制方式
改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,并利用來(lái)自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變,利用來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。以導(dǎo)通型為例加以說(shuō)明:永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案:3、PWM電壓和電流控制方式改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實(shí)反饋控制:上、下橋臂的主開(kāi)關(guān)器件同時(shí)斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓;續(xù)
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