無刷直流電機與永磁同步電機的運行控制比較課件

主要內(nèi)容一、幾個術語解釋（極對數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數(shù)學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數(shù)學模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)速范圍）1幾個術語解釋極對數(shù)（）：電機轉(zhuǎn)子中N-S極的對數(shù)，2，3，4，……相數(shù)（）：電機繞組個數(shù)，3，6，12，……電角度（）/機械角度（）：電角頻率（）/機械角頻率（）：電角頻率與電機轉(zhuǎn)速（）：極（2p）槽（Z）配合：Z/2p相電壓：電機相繞組對電機中性點電壓線電壓：電機兩相繞組之間電壓反電動勢：電機到拖時某一轉(zhuǎn)速下對應電機線電壓峰值2主要內(nèi)容一、幾個術語解釋（極對數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數(shù)學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數(shù)學模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)速范圍）3120度導通時轉(zhuǎn)子位置與電流換相關系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）5無刷直流電機的數(shù)學模型采用理想化的直流無刷電機用狀態(tài)方程表示的數(shù)學模型，電流為理想的方波，反電勢為理想的梯形波，并作如下假設：（1）不計磁路飽和；（2）電機渦流損耗和磁滯損耗；（3）忽略定子電流的電樞反應；（4）定子繞組采用Y形接法。無刷直流電機的等效電路6無刷直流電機的電路模型逆變器—永磁無刷電機系統(tǒng)示意圖為直流電源（V）；為中間直流回路支撐（濾波）電容（F）；為6個功率開關管；為6個續(xù)流二極管；采用120o的兩兩導通方式，對分別在各自120o導通時間內(nèi)根據(jù)不同的調(diào)制方式進行PWM調(diào)制。7無刷直流電機的電流和感應電動勢具有以下特點：（1）感應電動勢為三相對稱的梯形波，其波頂寬為（2）電流為三相對稱的方波；（3）梯形波反電勢與方波電流在相位上嚴格同步。HALL狀態(tài)與PWM、三相反電勢和三相電流的對應關系無刷直流電機換流關系9無刷直流電機的相電流分析10無刷直流電機的換流模式（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)制方式（5）L_pwm-H_pwm型調(diào)制方式（6）on-on型調(diào)制方式11無刷直流電機的基本控制系統(tǒng)電流閉環(huán)控制結構轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結構13無刷直流電機的基本控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結構依據(jù)轉(zhuǎn)速控制弱磁角度轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結構依據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制弱磁角度14主要內(nèi)容一、幾個術語解釋（極對數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數(shù)學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數(shù)學模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)速范圍）15三相/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——坐標變換17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——坐標變換18矢量控制基礎——圖解各變量之間關系19永磁電機數(shù)學模型與基本控制方法以三相兩極永磁無刷電機為例，分析永磁無刷電機的一般化數(shù)學模型，并作如下假設：（1）定子繞組Y形接法，三相繞組對稱分布，各繞組軸線在空間互差120o；（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)近似計算磁路飽和效應的影響；（4）定子繞組參數(shù)不隨溫度和頻率變化。21電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程：永磁電機數(shù)學模型與基本控制方法直軸電感：交軸電感：22Ld=Lq：Ld<Lq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉(zhuǎn)矩曲線永磁同步電機的基本特性23

1、Id=0控制：永磁同步電機的基本控制方法252、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制：永磁同步電機的基本控制方法263、恒功率弱磁控制：永磁同步電機的基本控制方法27經(jīng)典永磁電機矢量控制系統(tǒng)（SPM電機）永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)29經(jīng)典永磁電機矢量控制系統(tǒng)（IPM電機）永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)30電壓補償式永磁電機矢量控制系統(tǒng)（IPM電機）永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)31旋轉(zhuǎn)變壓器32主要內(nèi)容一、幾個術語解釋（極對數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數(shù)學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數(shù)學模型、控制方法、旋轉(zhuǎn)變壓器）四、兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比（轉(zhuǎn)子位置、三相電流、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)速范圍）33兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比永磁無刷電機位置信號永磁同步電機位置信號34永磁無刷電機三相反電動勢與三相電流永磁同步電機三相反電動勢與三相電流兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比35兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比永磁無刷電機三相電流永磁同步電機三相電流Id=0控制最大轉(zhuǎn)矩電流比控制36兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比(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)電機輸出轉(zhuǎn)矩(h)實際轉(zhuǎn)速與計算轉(zhuǎn)速37兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比(a)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線

(b)功率—轉(zhuǎn)速特性曲線(c)電機效率—轉(zhuǎn)速特性曲線電機輸出特性需求38兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比1、低速出力（轉(zhuǎn)矩/電流比，功率模塊利用率）以車用驅(qū)動電機為例：無刷直流電機轉(zhuǎn)矩/電流有效值比為0.456，轉(zhuǎn)矩/電流峰值比為0.297；永磁同步電機相對應的分別為0.563和0.375，同比增加20%以上；無刷直流電機低速電流/轉(zhuǎn)矩脈動大，換相噪聲大，低速電機抖動明顯；永磁同步電機可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)矩可達到最大轉(zhuǎn)矩值；驅(qū)動電機采用矢量控制技術，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的車用驅(qū)動電機為例，無刷直流電機采用提前換相控制的最高轉(zhuǎn)速為8000rpm，弱磁率為1:1.3；永磁同步電機可控制的恒功率最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，弱磁率為1:2；以混合動力客車ISG電機為例，無刷直流電機的弱磁率為1:1.2，永磁同步電機的弱磁控制率為1:1.5；無刷直流電機恒功率運行時，電流脈動和轉(zhuǎn)矩脈動大，電機運行噪聲大；而永磁同步電機可實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，噪聲較小。39兩種電機及其控制系統(tǒng)的對比永磁電機類型無刷直流電機永磁同步電機控制方法