无刷直流电动机调速PPT学习教案

1、会计学1 无刷直流电动机调速无刷直流电动机调速 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。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：机在结构上与异步电动机有以下区别： n转子采用永久磁铁励磁；转子采用永久磁铁励磁； n电动机轴上带有转子位置检测器来控制逆变器换流；电动机轴上带有转子位置检测器来控制逆变器换流； n无机械换向器；无机械换向器； n输入定子的电流为方波电流。输入定子的电流为方波电流。 首先介绍同

2、步电动机及其调速的基本概念、特点和基本类型。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。 第1页/共22页 3 第2页/共22页 4 p s s n f n 60 0 1 s 第3页/共22页 5 l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。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。 l异步电动机的电流在相位上总

3、是滞后于电压，因而对晶闸管逆变器而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。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。 l同步电动机可通过改变（转子）励磁电流，改变定子相电压同步电动机可通过改变（转子）励磁电流，改变定子相电压U和相电和相电 流流I之间的相位差之间的相位差 ，即改变功率因数，即改变功率因数 ，进而使其工作在感性、，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

4、就工作在容性状态下）。可调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，使其在节转子励磁电流改变输入功率因数，使其在 下运行。下运行。 l异步电动机靠加大异步电动机靠加大转差率转差率提高转矩，同步电动机靠加大提高转矩，同步电动机靠加大功率角功率角来提高来提高 转矩。（功率角为定子相电流与感应电动势的夹角）。转矩。（功率角为定子相电流与感应电动势的夹角）。 cos 1cos 第4页/共22页 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

5、（电枢）旋转磁通势的转速很低，可带动转子低的三相交流电，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。时，启动过程结束。 二、同步电动机变压变频系统的分类二、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：、根据频率控制方法可分为：他控变频他控变频和和自控变频自控变频两大类。两大类。 他控变频调速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

6、定，不取决于转子的位置。显然，这是一种频率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。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，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 。 第5页/共2

7、2页 7 第6页/共22页 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。器组成，如下图所示。 9.2 无刷直流电动机的工作原理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。这一节，主要任务有两个：讨论工作原理和控制方式。 工作原理工作原理 控制方式控制方式 第7页/共22页 9 第8页/共22页 10 l控制电路控制切换功率晶体管，使控制电路控制切换功率晶体管，使V6截止、截止、V2导通，定子绕组流过电导通，定子绕组流过电 流流iAC， 定子磁势定子磁势Fa相应地转

8、过相应地转过600 。此时，。此时，F0和和Fa相位差又变为相位差又变为1200 。 第9页/共22页 11 第10页/共22页 12 1、两两导通方式、两两导通方式 逆变器中功率管导通的顺序一般安排为：逆变器中功率管导通的顺序一般安排为： 二、控制方式二、控制方式 按照三相星型桥式接法为例说明其工作方法：按照三相星型桥式接法为例说明其工作方法： . 1654321 VVVVVVV 各触发脉冲相互间隔各触发脉冲相互间隔600，任意时刻有，任意时刻有2只功率管导通，每只管子导只功率管导通，每只管子导 通时间为通时间为1200，各管子之间换流是在相邻桥臂中进行的。，各管子之间换流是在相邻桥臂中进行

9、的。 第11页/共22页 13 间隔：间隔：600 时间：时间：1200 顺序：顺序：1 2 3 4 5 6 1 换流：换流：在相邻桥臂进行在相邻桥臂进行 顺序顺序0060012001800240030003600 导导 通通 电电 压压 矢矢 量量 V1 V6V2 V3 V4 V5 V6 V1 U1 U2 U3 U4 U5 U6 电压矢量就是电压的组合状态电压矢量就是电压的组合状态 U1U2U3U4U5U6U1 （相邻）（相邻） （相邻）（相邻） 第12页/共22页 14 2、三三通电方式、三三通电方式 逆变器中功率管导通的顺序为：逆变器中功率管导通的顺序为： . 1654321 VVVVV

10、VV 各触发脉冲相互间隔各触发脉冲相互间隔600，任意时刻有，任意时刻有3只功率管导通，每只管子导只功率管导通，每只管子导 通时间为通时间为1800，各管子之间换流是在同一桥臂内进行的。，各管子之间换流是在同一桥臂内进行的。 U1U6U1U2U3U4U5 V1 V6V3 V4 V6 V1 V5V2V5V2 U1 U2 U3 U4 U5 U6 顺序顺序001200240036001200 导导 通通 电压电压 矢量矢量 （同一）（同一） （同一）（同一） （同一）（同一） 第13页/共22页 15 两两通电两两通电三三通电三三通电二三通电二三通电 导电顺序导电顺序V1-V2-V3-V4-V5-V

11、6-V1- 触发脉冲间隔触发脉冲间隔600 0600 0300 0 任意时刻导电管数任意时刻导电管数232 / 3 每管导通时间每管导通时间1200 01800 01500 0 换流方式换流方式 相邻桥相邻桥 臂换流臂换流 同桥臂同桥臂 内换流内换流 同桥换流同桥换流 但有间隔但有间隔 电压矢量数电压矢量数6612 第14页/共22页 16 三、位置检测器三、位置检测器 位置检测器是用来检测无刷直流电动机的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转子磁极和定子旋转磁极 的相对位置的、的相对位置的、能够发出信号控制逆变器换向的一种装置。能够发出信号控制逆变器换向的一种装置。 1

12、、电磁感应式位置检测器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。电磁感应式位置检测器由两部分组成：定子和转子。 转子转子为一块导磁的扇形圆盘。为一块导磁的扇形圆盘。 扇形的电角度为扇形的电角度为1800，机械角为，机械角为 ， 例如，例如，np=1时，机械角为时，机械角为1800； np=2时，机械角为时，机械角为900 。 定子定子装有装有3只检测元件（只检测元件（E形变压器）在空间形变压器）在空间 上互差上互差1200电角度，分别对应电角度，分别对应ABC三相绕组三相绕组 ，机械角度为，机械角度为 。 例如，例如， np=1时，机械角为时，机械角为1200； np

13、=2时，机械角为时，机械角为600 。 p n2 3600 p n 0 120 第15页/共22页 17 E形变压器的工作原理：形变压器的工作原理： 两外侧铁芯柱上有初级两外侧铁芯柱上有初级 线圈，通有高频电源；线圈，通有高频电源； 中心柱上有次级线圈。中心柱上有次级线圈。 n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（图合成磁通为零，次级线圈无感应电流（图a）。）。 n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

14、，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。出。 n转子的扇形部分依次扫过变压器的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个检测元件分别输出3 个相差个相差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。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。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。 第16页/共22页 18 2、光电式位置检测器、光电式位置检测器

15、光电式位置检测器由定子和转子两部分组成。光电式位置检测器由定子和转子两部分组成。 转子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，每个缺口宽为1800电角度，机械角为电角度，机械角为 。 例如，例如，np=1时，机械角时，机械角=1800；np=2时，机械角时，机械角=900。 定子定子部分有部分有3个光耦合器，在空间上相差个光耦合器，在空间上相差1200电角度。机械角为电角度。机械角为 。 例如，例如，np=1时，机械角时，机械角=1200；np=2时，机械角时，机械角=600。 p n2 3600 p

16、 n 0 120 np=2时的光电式位置检测器时的光电式位置检测器 第17页/共22页 19 第18页/共22页 20 下面给下面给出一种无刷直流电动机调速系统，其原理图为：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无刷直流电动机调速系统 第19页/共22页 21 l系统构成系统构成 n变频装置：不可控整流器把交流电变成直流电，逆变器为变频装置：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。脉宽调制型。 n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。驱动电路构成。 n多路乘法器：把转子磁极位置信号转换成电流调节器多路乘法器：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。速度调节器的输出信号，确定各通道切换的速度快慢。 l工作过程工作过程 n电流调节器的输出信号作