开关磁阻电动机(3、4章)

1、开关磁阻电动机的调速控制理论与设计江苏大学 电气信息工程学院第1页第2页功率变换系统的组成：功率变换系统的组成：电流的整流与滤波；电流的整流与滤波；功率变换的主电路（开关主电路）；功率变换的主电路（开关主电路）；主开关的驱动与保护；主开关的驱动与保护；位置与转速的控制；位置与转速的控制；1.1. 电流电压的控制电流电压的控制。第三章 SRM功率变换器与控制电路的设计方法第3页典型的整流与主开关电路如下图：典型的整流与主开关电路如下图： 第一节 整流与主开关电路第4页一、整流电路：一、整流电路： 组成：整流模块整流模块（普通二极管模块）； 滤波电容滤波电容（有极性电容，耐压为峰值）； 交流侧保护

2、交流侧保护（阻容，压敏电阻等）； 直流侧保护直流侧保护（电流保护为主）。 元件参数：整流管整流管（平均电流IV，额定电压UC） 滤波电容滤波电容：C1RP （4 - 5）TP（脉动周期） C2 与 Rp 为经验参数 C2 ：10-7 10-8 F RP ：0.02 0.05UeIe输入电压波形电容电压与整流桥输出电流交流侧输入电压与输入电流tuOtOtuinOuCiiin第5页第6页二、主开关电路：二、主开关电路： 1. 1. 常用的主电路的结构与特点：常用的主电路的结构与特点： 双开关式主电路双开关式主电路第7页电容分压式主电路电容分压式主电路ABCD0USSIU1C2C1S2S3S4S1V

3、D2VD3VD4VD第8页双绕组式主电路双绕组式主电路第9页公共开关式主电路公共开关式主电路+SUVVD1VD2VD3VDABC1S3S2S第10页2 2主电路开关元件的介绍与选择主电路开关元件的介绍与选择 元件介绍 、主电路开关元件的介绍与选择 （1）SCRSCR：高电压、大电流、大功率容量、低正向压降， 速度慢（几百Hz） 4500A/12000V ；（2）GTRGTR：自关断、小功率、速度较快（几十KHz）存在 二次击穿现象 1000A/1800V ；（3）GTOGTO：（可关断可控硅），优点同SCR，加上可自关断 6000A/6500V；缺点：关断控制电流太大，应用复杂；（4）MOSF

4、ETMOSFET：电压控制型，小功率，正向压降大，速度快 （2MHZ）150A/1000V ；（5）IGBTIGBT：集成功率模块，具有MOSFET与GTR的双重优 点， 速度与MOSFET相当1000A/4500V；第11页（6）IPMIPM：驱动、过压、过流、短路、过热，且电压保护与主 电路元件封装在一起， （主电路可有不同类型，要根据 型号，主要为IGBT，注入增强型栅晶体管）； （7）MCTMCT：MOS控制晶闸管，也叫MOS-GTO（50A/1000V）取代 SCR、GTR、排挤IGBT ；（8）IGCTIGCT：集成门极换向晶闸管（GCT） （V：4500V；ITGQ : 4000

5、A） 串上N沟道和P沟道MOSFET，关断时电流全部从门极流出。 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19MOSFET内部结构断面示意图电气图形符号 第12页（一）漏极额定电流ID和峰值电流IDM （二）通态电阻rDS(ON) （三）阀值电压UGS(th) （四）漏源击穿电压U(BR)DSS （五）最大结温TJM （六）最大耗散功率PD （七）热阻 第13页01020305040图1-202468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUG

6、S=7VUGS=8VID/A第14页EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)第15页O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性第16页ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM第17页第18页参数选择：额定电

7、压、额定电流、工作频率参数选择：额定电压、额定电流、工作频率电压和电流电压和电流： 双开关式主电路，开关管承受电压=电源电压； 开关管的平均电流=(1/N)总电流；电容分压式主电路：电容分压式主电路： 与双开关式主电路相同，但电机绕组电压仅为双开关电 路的1/2；双绕组式主电路：双绕组式主电路：主开关管承受电压 = 2电源电压； 电流同上公共开关式主电路：公共开关式主电路： 主开关管承受电压=电源电压；相开关管承受电压=2电源电压；主开关管的电流=Ie ；相开关管的电流=Ie/N 三、主开电路的保护三、主开电路的保护 1 1电压保护电压保护 续流电路要合理可靠，开通，恢复速度要大于主开管。R、

8、C、D瞬态电压保护。 第19页 图：图：R R、C C、D D关断保护电路关断保护电路 RS为漏感储能的释放电阻，DS是抑制集电极尖峰电压阻尼振荡二极管，CS为开断吸收电容，以减少开关管的关断损耗和保护瞬间尖峰电压击穿开关管。phICSICISDSRSCADCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCEiCO第20页第21页参数计算原则：参数计算原则： 依据： 开关管的关断时间tf 相电流Iph 电源电压Us 电流斩波频率fsSfphSfCUtIC81R ,2SSfphDSUftIIDSV ,21第22页2 2电流保护电流保护 采用开关管的正向压降作为基本信号，采用专用电流检测电路进行锁定钳位保护。

9、采用管压降作为保护信号第23页采用外部电流检测的钳位保护第24页第二节 主开关管的驱动电路 一、主开关管对驱动电路的基本要求一、主开关管对驱动电路的基本要求 1. 要能的驱动开关管可靠的饱和导通和可靠的截止关断；2. 驱动频率能够满足主开管的要求； 3. 具有可靠的隔离能力和抗干扰能力和保护功能。二、典型器件的驱动和常用模块二、典型器件的驱动和常用模块 1SCRSCR： 主要脉冲变压器，光电隔离器件的驱动。 SCR驱动功能的特点： 进行移相触发； 调功触发。第25页常用的如，相移式：KJ001 KJ011KM KM 过零与移相功能兼有，如：KTM03 (双向晶闸管移相，过零触发)内部全数字 K

10、C168智能型全数字 KC188第26页2GTO导通驱动与SCR相仿，关断要靠快速、较大的反向电流 控制关断，控制比较复杂要求比较高，GTO常用的专用门 极驱动控制集成模块HL301A（加工厂外围的功率电路）。 GTO的驱动是GTO应用技术的关键。目前还在不断研究与发 展（“硬驱动”技术）。 3GTR 驱动的关键技术：是基极合理驱动和快速有效的保 护（比晶闸管要复杂得多）。 国产HL201、HL202、EXB356、EXB357（日本富士合作）、 M57XXX系列（日本三菱合作）等。 4MOSFET各个公司生产器件基本有与其相配套的驱动电路。 典型（合作国产）IR21XX系列。 第27页5IG

11、BT的使用的关键问题同样是栅极驱动和快速有效的保护 问题，一般情况下，IGBT均采用专用的驱动保护集成模块，加上一些外接元件组成驱动电路，典型的驱动专用模块，EXB850、EXB851（标准型115KHZ）、EXB840、EXB841 （高速型、40KHZ）、M579XX系列、HL40XX系列。 EXB841EXB841的应用介绍：的应用介绍： EXB系列驱动器内部结构框图系列驱动器内部结构框图 第28页第29页EXBEXB系列驱动器的引脚图系列驱动器的引脚图 EXB EXB 的内部电路原理图的内部电路原理图第30页第31页EXB8系列驱动的典型应用图系列驱动的典型应用图 M57962L M5

12、7962L 的内部电路原理图的内部电路原理图13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546- 10 V+ 15 V30 V+5 VM 57962L14ui1快恢复trr0.2 s4.7k 3.1 100 F100 F第32页M57962L外形图13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546- 10 V+ 15 V30 V+5 VM 57962L14ui1快恢复trr0.2 s4.7k3.1 100 F100 F第34页VGE=15V时的IGBT（FF200R12KE3）典型输出特

13、性第35页第36页光耦隔离MOSFET驱动器HCPL3120 TLP250IR2110 典型接线图第37页IR2110 内部原理图第38页第39页IR2130 典型接线图 IR2130驱动模块（可以同时驱动六个MOSFET或IGBT，仅需1个输入级电源，采用悬浮电源连接）。 第40页IR2130 内部原理图2SD315A原理框图第41页具有使能端的双4A低端高速MOSFET驱动器UCC27424第42页变压器隔离MOSFET/IGBT驱动电路12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA2Date:1-Jun-2011 Sheet of Fil

14、e:E:资料mydesign电动汽车充电器VO1.ddbDrawn By:1122334455667788U6UCC2742412V+C4350V/10uF+C4450V/10uFVREFPWMC4263R5710R5810R5910R6010R6110R6210Q6INQ5INQ4INQ3INQ2INQ1INT3TRANS6Q1.3Q4.3*第43页HKX工作原理图工作原理图第44页转子位置信号的测量处理和细分； 常用传感元件：霍尔传感器、光电传感器、 专用磁栅和光栅编码盘。1. HKXHKX霍尔翼片传感器霍尔翼片传感器:测量原理:信号的测量与隔离整形信号的测量与隔离整形第45页第46页典型

15、的光电传感器的检测电路典型的光电传感器的检测电路2. 光电传感器光电传感器:位置角度的细分技术：位置角度的细分技术：第47页1 1硬件细分硬件细分：采用锁相环和计数器进行细分 锁相环的基本工作原理 组成：频率鉴相器PC、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO 。锁相环原理电路锁相环原理电路 采用锁相环和计数器进行细分原理图采用锁相环和计数器进行细分原理图 第48页2 2数字细分数字细分 第49页方法： 由微处理器（定时计数器）产生高频固定周期的 细脉冲（周期由最高转速下的精度要求来决定） (2) 对固定角度的脉冲进行计数。 (3) 确定单个小脉冲对应的角度数（ ） 计数值位置信号占有角度第50页第

16、三节 位置信号的逻辑与控制1 1、基本概念：、基本概念：定子的极距角： 定、转子的极距差：ddZ0360rrZ0360drrddrZZZZ0360rT转子的齿距角：相电感的周期角：第51页相电感的相位差：临相可导通的最大间隔为：二相电感的相位差（ ）各相的理论导通区域：正反转运行的关系角 ，若 分别为正向运行时的开通角和关断角，则反转关系角 。drLL2/df21、21f第52页位置传感器的空间间隔角 ：2 2、基本概念的说明：、基本概念的说明：齿盘方案与传感器位置图齿盘方案与传感器位置图控制信号图控制信号图8/6极：6/4极：,.2 , 1 , 01213kk,.2 , 1 , 01214k

17、k第53页3 3、逻辑译码与控制、逻辑译码与控制 在确定控制策略后，决定SRM相绕组的运行方式，不同的运行方式有不同的位置信号的检测、译码与控制方式。各相的理论导通角度 22.5，传感器齿、槽均为30, 采用两个传感器SP 、Sa ,空间间隔为:15。 传感盘与传感器的安装图传感盘与传感器的安装图 （若起始角为0, 则SP 装在相轴线前22.5处）临相导通间隔为:15L例如：对于8/6极SRM运行方式： （1）四相单四拍运行。第54页各相控制逻辑为（P装在A相轴线处 ，起始角为 ） 750QPPQPQPQPQQPPQPQ相 绕 组ABCD正转电动或反转制动反转电动或正转制动第55页(2) (2

18、) 四相双拍运行四相双拍运行每相导通30 若采用凸凹相间的传感盘（齿宽为 ），采用两个传感器，相间隔为 。 各相控制逻辑为：（起始角由传感器的相对位置决定）3015QPQPPQPQ相绕组ABCD正转电动或反转制动反转电动或正转制动第56页正反转逻辑控制示意图正反转逻辑控制示意图第57页实现上述逻辑的电路为： 8/68/6级级SRMSRM双四拍运行逻辑变换图双四拍运行逻辑变换图 （细分前后移动控制，电流斩波控制）第58页(3) 6/4(3) 6/4极极SRMSRM运行形式: 三相双三拍运行。三只传感器SP、SQ、SR ，传感器为:齿、槽均为450，则控制信号的逻辑为：正反转逻辑控制示意图正反转逻

19、辑控制示意图第59页第四节 转速和电流的测量 一一. 转速测量转速测量 在电机的调速控制系统中，转速的测量关键问题在于实时性和测量的精度。1、输入反馈量为模拟量、输入反馈量为模拟量 需要将单位时间内脉冲的变化转变成电压大小的变化（位置信号脉冲的占空比不变，周期在变）第60页可采用 变换器（注意速度变化引起输出量的波动）VF典型的集成芯片： LM2917，LM331第61页LM2917 内部原理图7.56V第62页采用LM2917的频压转换电路11OCCinVVfCRC1R1第63页2.09()LOinttSRVfVRCR采用LM331的频压转换电路第64页2 2、输入反馈量为数字量、输入反馈量

20、为数字量 方法：（1）频率法）频率法：在设定时间T内，对输入脉冲计数，即，在某一确定时间内测转速，缺点是低速误差大，高速实时性太差；（2）周期法）周期法：在设定的转角Q内，测量所需用的时间，由此计算转速，这种方法在高速时精度和分辨率不够高，但是只要所取的单位时间足够小，选的被测角度足够小，其P实时性和精度均能满足； 若每转用周期法测量N次，测试所用标准脉冲的频率为f0，某一次测量的脉冲数为 ，则转速（该过程可以通过计算机内的定时计数器来实现） xmin0rNxfn 二、电流的测量二、电流的测量 电流的检测元件，常用： 一般来讲在SRM中和其它的电机调速控制中的内环控制对电流的精度要求不高，而对它的实时快速性要求很高，所以在SRM中的电流测量可以采用线性度较好的光电隔离器件传送。 关键靠通道信号传感的实时性和可靠的隔离。 1、霍尔传感器2、电阻（感性小）直接取样第65页第66页电流传感器检测电路电流传感器检测电路直接检测式霍尔电流互感器第67页第68页磁平衡式霍尔电流传感器原理框图第69页磁平衡式霍尔电流传感器原理图第70页HCPL7820内部原理图UIR3R1R2UOUSA1A2US-US-USIdD2D1T1T