无刷直流电动机调速

1 主要内容 同步电动机变压变频调速的特点及基本类型无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机调速系统 举例 第九章无刷直流电动机调速系统 2 无刷直流电动机调速系统是一种自控变频的同步电动机调速系统 了解同步电动机是理解无刷直流电动机调速系统的基础 同步电动机在结构上与异步电动机有以下区别 转子采用永久磁铁励磁 电动机轴上带有转子位置检测器来控制逆变器换流 无机械换向器 输入定子的电流为方波电流 首先介绍同步电动机及其调速的基本概念 特点和基本类型 3 同步电动机的定子与三相异步电动机的一样 而转子是磁极 由直流励磁或永久磁铁励磁 是交流电动机中两大机种之一 同步电动机因其转速n与供电电源频率f1之间保持严格的同步关系而得名 只要供电电源的频率f1不变 其转速n就绝对不变 同步电动机的应用范围也比较广泛 小到电子钟和记录仪表的定时旋转机构 大到发电机组 空气压缩机 鼓风机等无不利用其转速恒定的特点 9 1同步电动机变压变频调速系统的特点及基本类型 4 一 同步电动机变压变频调速系统的特点和异步电动机变压变频调速系统相比 同步电动机的变压变频调速系统有以下特点 同步电动机的转速与电源输出的基波频率之间保持严格的同步关系 其转差率 由于极对数固定 惟一靠变频进行调速 同步电动机本身没有转矩 刚启动时 定子虽然能产生旋转磁场 但转子是静止的 在惯性的作用下跟不上旋转磁场的转动 转子所受到的平均转矩为零 启动比较困难 同步电动机启动困难 重载时有振荡或失步 负载突然增大而超过电磁转矩 现象 这些问题随着变频调速技术的发展得到了很好解决 5 同步电动机有励磁回路 在较低的频率下也能运行 因此同步电动机的调速范围较宽 而异步电动机的转子电流靠电磁感应产生 在较低频率下转子难以产生必须的电流而无法工作 因此调速范围较窄 异步电动机的电流在相位上总是滞后于电压 因而对晶闸管逆变器而言必须设置强制换流电路 同步电动机能运行在超前功率因数下 可利用反电动势实现逆变器的自然换流 不需设置附加换流电路 同步电动机可通过改变 转子 励磁电流 改变定子相电压U和相电流I之间的相位差 即改变功率因数 进而使其工作在感性 电阻性或容性三种状态下 同步补偿机就工作在容性状态下 可调节转子励磁电流改变输入功率因数 使其在下运行 异步电动机靠加大转差率提高转矩 同步电动机靠加大功率角来提高转矩 功率角为定子相电流与感应电动势的夹角 6 例如 同步电动机的变频启动 转子先加励磁电流 定子绕组输入频率很低的三相交流电 由于定子 电枢 旋转磁通势的转速很低 可带动转子开始旋转 将定子频率逐步增加 转子转速随之逐步升高 到达额定转速时 启动过程结束 二 同步电动机变压变频系统的分类1 根据频率控制方法可分为 他控变频和自控变频两大类 他控变频调速就是用独立的变压变频装置给同步电动机供电 变频装置中逆变器的输出频率独立设定 不取决于转子的位置 显然 这是一种频率开环的控制方式 重载时仍存在振动和失步现象 自控变频调速是根据检测到的转子的位置来控制逆变器开关器件的通断 从而使逆变器的输出频率追随电动机的转速 这是一种频率闭环的控制方式 能保证转子与旋转磁场同步旋转 从根本上避免振动和失步的产生 7 2 按定子供电电源分为 三相永磁同步电动机和无刷直流电动机两类 三相永磁同步电动机 转子采用永久磁铁励磁 给同步电动机的定子输入三相正弦电流时 称为三相永磁同步电动机 无刷直流电动机 转子采用永久磁铁励磁 给同步电动机的定子输入方波电流时 称为无刷直流电动机 无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电动机 属于自控变频同步电动机 它是根据转子位置检测器检测到的信号来控制逆变器的通 断 控制逆变器的输出功率 从而控制电动机的转速的 无刷直流电动机是带有电子换向器的永磁直流电动机 它用位置检测器和逆变器代替了机械式的电刷和换向器 有直流电动机的性能 8 无刷直流电动机由三相永磁方波电动机 位置检测器 逆变器 控制器组成 如下图所示 9 2无刷直流电动机的工作原理 这一节 主要任务有两个 讨论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导通 定子绕组流过电流iAB 定子绕组合成磁通势Fa垂直C相轴线 励磁磁场F0与电枢磁场Fa相差1200 这实际上是最大相位差 两磁场相互作用使转子顺时针旋转 当转子旋转到F01位置时 F0和Fa垂直 相位差900 电动机的转矩最大 电机学知识 电磁转矩既与定子磁动势的幅值 转子磁动势的幅值成正比 也与这两个磁动势夹角的正弦值成正比 10 转子继续旋转 当转子磁极转到图b所示位置时 F0和Fa相位差为600 控制电路控制切换功率晶体管 使V6截止 V2导通 定子绕组流过电流iAC 定子磁势Fa相应地转过600 此时 F0和Fa相位差又变为1200 11 如此重复进行 每当转子磁极转动600 在控制电路的控制下 使相应的功率晶体管导通 切断 从而使定子进行一次换流 改变电枢磁场方向 转子跟着电枢磁场旋转 旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用 使电动机能够连续旋转 磁极每转动600电角度 电流换流一次 电枢磁场在空间上也跃进600 在稳定运转时 电枢磁场Fa与励磁磁势F0的相位差始终在600 1200范围内 其平均值处于正交状态 这样同样的定子电流下使转矩最大 从原理可知 无刷直流电动机的磁场是一种步进式的旋转磁场 产生的电磁转矩是脉动的 上述逆变器为1200通电型的六拍逆变器 每一时刻都只有两只功率管导通 至于哪两只功率管导通则由转子位置检测器发出的信号来控制 12 1 两两导通方式逆变器中功率管导通的顺序一般安排为 二 控制方式按照三相星型桥式接法为例说明其工作方法 各触发脉冲相互间隔600 任意时刻有2只功率管导通 每只管子导通时间为1200 各管子之间换流是在相邻桥臂中进行的 13 间隔 600时间 1200顺序 1234561 换流 在相邻桥臂进行 V1 V6 V2 V3 V4 V5 V6 V1 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 相邻 相邻 14 2 三三通电方式逆变器中功率管导通的顺序为 各触发脉冲相互间隔600 任意时刻有3只功率管导通 每只管子导通时间为1800 各管子之间换流是在同一桥臂内进行的 同一 同一 同一 15 16 三 位置检测器位置检测器是用来检测无刷直流电动机的转子磁极和定子旋转磁极的相对位置的 能够发出信号控制逆变器换向的一种装置 1 电磁感应式位置检测器电磁感应式位置检测器由两部分组成 定子和转子 转子为一块导磁的扇形圆盘 扇形的电角度为1800 机械角为 例如 np 1时 机械角为1800 np 2时 机械角为900 定子装有3只检测元件 E形变压器 在空间上互差1200电角度 分别对应ABC三相绕组 机械角度为 例如 np 1时 机械角为1200 np 2时 机械角为600 17 E形变压器的工作原理 两外侧铁芯柱上有初级线圈 通有高频电源 中心柱上有次级线圈 当转子圆盘的缺口处于变压器铁芯下面时 由于磁路对称 中心柱的合成磁通为零 次级线圈无感应电流 图a 当转子圆盘扇形部分转到变压器铁芯两芯柱下时 磁路不对称 对应磁路的磁导增大 另一侧芯柱下的磁导不变 次级线圈有感应信号输出 转子的扇形部分依次扫过变压器的A B C 3个检测元件分别输出3个相差1200电角度的高频感应信号 经滤波整形后成为矩形信号 用来驱动逆变器 电磁感应式位置检测器结构比较简单 工作比较可靠 国内应用较多 18 2 光电式位置检测器光电式位置检测器由定子和转子两部分组成 转子为一块非导磁的带有缺口的圆盘 缺口数等于电动机的级对数np 每个缺口宽为1800电角度 机械角为 例如 np 1时 机械角 1800 np 2时 机械角 900 定子部分有3个光耦合器 在空间上相差1200电角度 机械角为 例如 np 1时 机械角 1200 np 2时 机械角 600 np 2时的光电式位置检测器 19 光电式位置检测器工作原理 光耦合器由一只发光二极管和一只光敏三极管组成 当转子圆盘的凸起部分处在槽光耦的槽部时 光线被挡住 光敏三极管呈现高阻态 不导通 当转子圆盘的缺口处在光耦合器的槽部时 光敏三极管接收光线照射 呈现低阻态 导通 转子圆盘的凸起部分依次扫过3个光耦合器 并通过变换电路 将光敏三极管高 低电阻转换成相应的高低电平信号输出 就得到3个相位相差1200电角度的信号 经逻辑电路处理后 用于驱动逆变器 光电式位置检测器性能较好 但安装比较麻烦 而且不耐用 20 下面给出一种无刷直流电动机调速系统 其原理图为 9 3无刷直流电动机调速系统 21 系统构成变频装置 不可控整流器把交流电变成直流电 逆变器为PWM脉宽调制型 控制回路 转速外环 电流内环的双闭环结构 与直流双闭环不同点在于 无刷直流电动机用电子开关代替了机械换向装置 所以 控制回路由多路乘法器 三通道电流调节器 比较器和基极驱动电路构成 多路乘法器 把转子磁极位置信号转换成电流调节器ACR的相位给定信号 通过逻辑判断分配给相应通道的电流调节器 并综合速度调节器的输出信号 确定各通道切换的速度快慢 工作过程电流调节器的输出信号作为参考信号和三角波比较后 产生PWM信号 经过基极驱动后 控制主功率管的通断 产生PWM波 给三相永磁电动机供电 PWM波的脉宽由电流调节器的输出幅值决定 PWM波的频率由电流调节器的相位给定值决定 转子磁极位置 22 以提高电动机转速为例说明调节过程 假设 速度给定值增加 机械惯性使电动机的转速来不及变化 使得ASR的输入偏差信号