三相無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

三相無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.1電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可分為：1.直流電機(jī)：(1)有刷直流電機(jī)：①永磁直流電機(jī)：·稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)；·鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)；·鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)；②電磁直流電機(jī)：·串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；·并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；·他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；·復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；(2)無(wú)刷直流電機(jī)：稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)；2.交流電機(jī)：(1)單相電動(dòng)機(jī)；(2)三相電動(dòng)機(jī)。2.2無(wú)刷直流電機(jī)特點(diǎn)·電壓種類多:直流供電交流高低電壓均不受限制?！と萘糠秶?標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400Kw更大容量可以訂制?！さ皖l轉(zhuǎn)矩大:低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高?！じ呔冗\(yùn)轉(zhuǎn):不超過(guò)1rpm.(不受電壓變動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)影響)?！じ咝?所有調(diào)速裝置中效率最高比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出5～30%。·調(diào)速范圍:簡(jiǎn)易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型?！み^(guò)載容量高:負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變。·體積彈性大:實(shí)際比異步電機(jī)尺寸小可以做成各種形狀?！た稍O(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)(定子旋轉(zhuǎn))?！まD(zhuǎn)速?gòu)椥源?可以幾十轉(zhuǎn)到十萬(wàn)轉(zhuǎn)。

·制動(dòng)特性良好可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn)?！た稍O(shè)計(jì)成全密閉型IP-54IP-65防爆型等均可?！ぴ试S高頻度快速啟動(dòng)電機(jī)不發(fā)燙?！ねㄓ眯彤a(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同易于技術(shù)改造。2.3無(wú)刷直流電機(jī)的組成直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、無(wú)相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（2p=2,4，…）組成。圖2.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)電路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換相作用。如圖2.2所示。圖2.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖因此，所謂直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2.3所示。所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、…。當(dāng)功率管VF1和VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從VF1管流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)VF2管回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.5（a）所示，其大小為Ta，方向在Ta和－Tc的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60°后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電。這時(shí)，電流從VF3流入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.5（b）所示，其大小同樣為Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過(guò)了60°電角度，而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，但大小始終保持Ta不變。圖2.5（c）示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。圖2.5星形（Y）聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖（a）VF1、VF2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（b）VF2、VF3導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（c）兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖所以，同樣一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，每相繞組通過(guò)與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相星形（Y）聯(lián)結(jié)全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60°電角度換向一次，每個(gè)功率管通電120°，每個(gè)繞組通電240°，其中正相通電和反相通電各120°，其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖2.6所示。由圖2.6可以看出，三相全控時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控時(shí)小得多。如將三只霍爾傳感器按相位差120°安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖2.7（a）所示。其換相的控制電路可由一片74LS138型3－8譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路構(gòu)成，本系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)專用集成芯片LM621控制，如圖2.7（b）所示。圖2.6全控橋輸出波形圖（a）(b)圖2.7全控橋兩兩通電電路原理示意圖（a）傳感器輸出波形；（b）原理示意圖2.三三通電方式所謂三三通電方式，是指每一瞬間均有三只功率管同時(shí)通電，每隔60°換相一次，每個(gè)功率管通電180°。它們的導(dǎo)通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、…。當(dāng)VF6VF1VF2導(dǎo)通時(shí)，電流從VF1流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組（這時(shí)B、C兩相繞組為并聯(lián)）分別從VF6和VF2流出。這時(shí)流過(guò)B相和C相繞組的電流分別為流過(guò)A相繞組的1/2，其合成轉(zhuǎn)矩如圖2.8（a）所示，其方向與A相相同，而大小為1.5Ta。經(jīng)過(guò)60°電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，即先關(guān)斷VF6而后導(dǎo)通VF3（注意，一定要先關(guān)VF6而后通VF3，否則就會(huì)出現(xiàn)VF6和VF3同時(shí)通電，則電源被短路，這是絕對(duì)不允許的）。這時(shí)電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)A相和B相繞組（相當(dāng)于A相和B相并聯(lián)）再流入C相繞組，經(jīng)VF2流出，合成轉(zhuǎn)矩如圖2.8（b）所示，其方向與-C相同，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度后大小仍為1.5Ta。再經(jīng)過(guò)60°電角度后，換相到VF2VF3VF4通電，而后依次類推，循環(huán)往復(fù)。它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖2.8（c）所示。圖2.8三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖（a）VF6VF1VF2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（b）VF1VF2VF3導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩；（c）三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60°換相一次，每次有一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管導(dǎo)通180°。從某一相上看，星形（Y）聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形如圖2.9所示。圖2.9星形（Y）聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形此外，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們各有特點(diǎn)，本系統(tǒng)使用電壓型逆變電路，它有以下特點(diǎn)：（1）直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。（2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無(wú)關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角而異。（3）當(dāng)交流側(cè)為阻感性負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量