《特种电机及其控制》第1章

特种电机及其控制
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传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
特种电机及其控制
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1.1 无刷直流电动机系统
1.1.1 基本组成
直流电 源 逆变器 电机本体 输出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷直流电机构成框图
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1. 电动机本体
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
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两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
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1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环 控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直 流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。 无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调 速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大
2) 桥式——全控型
A US D B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
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主电路选择原则
绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
星形联接三相桥式主电路应用最多
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3. 位置检测器
有位 置传 感器 检测
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1.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三 相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相
桥式三种形式。
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US A B C
H1 H2 H3
VT1
VT2
VT3
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在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US A B C
US A B C D
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
B
c) 星形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
孙建忠 白凤仙 编著
中国水利水电出版社
特种电机及其控制
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第1章 无刷直流电动机 及其控制系统
Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)
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大连理工大学电气工程系
三相三状态BLDCM 原理
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
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2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
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1.2.3 角形连接三相桥式主电路
+ VT1 US C VT4 VT6 VT2 C B VT3 VT5 A
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二 二导通和三三导通两种。
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传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
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传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
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传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
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传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
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传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
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m m m Fadm Fasin 2F sin 2I aW K wsin 2 2 2
式中
F ——每相绕组的磁动势； W——每相绕组的串联匝数；
Kw——绕组系数。
由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反
应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发 生永久失磁，在设计时必须予以注意。
M L M
M ia ea d i e M dt b b L ic ec
微 分 算 子 组定 电子 动相 势绕
自定 感子 、相 互绕 感组
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当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
dic dib rib eb ( LM ric ec ) U S LM dt dt ib ic 0
以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型
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1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析
为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机结构
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N S N
S
N
N N S S N S S S S N N N
S
S
N
N
S
N S
S N
S N
表面式磁极
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
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外转子 永磁体 绕组 内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
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特种电机及其控制
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1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
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2. 三三导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律
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1.3 无刷直流电动机的电枢反应
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 磁极转过60o图示位置→ 磁极图示位置→位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 →逻辑变换→V1、V6开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-A转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测
定子三次谐波检测
瞬时电压方程法
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4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
控 制 器
数字 控制 系统
基于专用集成电路 的控制系统 数模混合控制系统
于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青 睐。
无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动 模式的波形比较如下图所示。
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B O
B O
t
t
ea O
ea O
t
t
ia O
ia O
t
t
Ta O Te
Ta O Te
t
t
O
t
O
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
全数字控制系统
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心
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1.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 电机系统图
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换 后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆 变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定 顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 特种电机及其控制 22
特种电机及其控制
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设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则 单根导体在气隙磁场中感应的电动势为
2 p n v n 60 60
e B La v D
(V) (m/s)
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动 势幅值为
E m 2W e
pW 15 i
n Ce n
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1-4 无刷直流电动机基本公式与数学模型
无刷直流电机的磁场、电势、电流波形 方波电动机——梯形波反电势与方波电流
特种电机及其控制
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1.4.1 无刷直流电动机的数学模型
直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型
假设
(1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近 似为方波)分布； (2) 定子齿槽的影响忽略不计； (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；
所以得电压方程：
0 0 ia ea ua r 0 0 ia L M u 0 r 0 i 0 L M d i e 0 b b dt b b uc 0 0 r ic 0 0 L M ic ec
(5) 三相绕组完全对称。
特种电机及其控制
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三相绕组的电压平衡方程为
ua r 0 0 ia L u 0 r 0 i M b b uc 0 0 r ic M
定 组 子 电 相 压 绕 定 组 子 电 相 流 绕