新能源汽車課件-第4章電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

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1、第 1 頁,新能源汽車課件 第4章 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),第 2 頁,目 錄,4.1 概述 4.2 直流電動機(jī) 4.3 無刷直流電動機(jī) 4.4 異步電動機(jī) 4.5 永磁同步電動機(jī) 4.6 開關(guān)磁阻電動機(jī) 4.7 輪轂電機(jī),第 3 頁,4.1 概述,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型 4.1.2 電動機(jī)的額定指標(biāo) 4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求 4.1.4 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,第 4 頁,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型,1電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟,它由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)化器、控制器、各種檢測傳感器和電源(蓄電池)組成,其任務(wù)是

2、在駕駛員的控制下,高效率地將蓄電池的電量轉(zhuǎn)化為車輪的動能,或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。,,第 5 頁,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型,2電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的類型 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按所選電動機(jī)的類型可分為: (1)直流電動機(jī); (2)無刷直流電動機(jī); (3)異步電動機(jī); (4)永磁同步電動機(jī); (5)開關(guān)磁阻電動機(jī)等。,第 6 頁,4.1.2 電動機(jī)的額定指標(biāo),(1) 額定功率。額定功率是指額定運行情況下軸端輸出的機(jī)械功率(W或kW)。 (2) 額定電壓。額定電壓是指外加于線端的電源線電壓(V)。 (3) 額定電流。額定電流是指電動機(jī)額定運行(額定電壓、額定輸出功率)情況

3、下電樞繞組(或定子繞組)的線電流(A)。 (4) 額定頻率。額定頻率是指電動機(jī)額定運行情況下電樞(或定子側(cè))的頻率(Hz)。 (5) 額定轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速是指電動機(jī)額定運行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下,電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)。,第 7 頁,4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求,電動汽車在行駛過程中,經(jīng)常頻繁地啟動/停車、加速/減速等,這就要求電動汽車中的電動機(jī)比一般工業(yè)應(yīng)用的電動機(jī)性能更高,基本要求如下: (1) 電動機(jī)的運行特性要滿足電動汽車的要求,在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩,以滿足電動汽車起動和爬坡的要求;在恒功率區(qū),要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度,以滿足電動汽車在

4、平坦的路面能夠高速行駛的要求; (2) 電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大、帶負(fù)載啟動性能好、過載能力強(qiáng),加速性能好,使用壽命長的特點; (3) 電動機(jī)應(yīng)在整個運行范圍內(nèi),具有很高的效率,以提高一次充電的續(xù)駛里程;,第 8 頁,4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求,(4) 電動機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時實現(xiàn)再生制動,將能量回收并反饋給蓄電池,使得電動汽車具有最佳能量的利用率; (5) 電動機(jī)應(yīng)可靠性好,能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作; (6) 電動機(jī)應(yīng)體積小,重量輕,一般為工業(yè)用電動機(jī)的1/21/3; (7) 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)要簡單堅固,適合批量生產(chǎn),便于使用和維護(hù); (8) 價格便宜,從而能夠減少整體電動汽車的價格,

5、提高性價比; (9) 運行時噪聲低,減少污染。,第 9 頁,4.1.4 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,(1)電機(jī)的功率密度不斷提高,永磁電機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 (2)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不斷提高,回饋制動的高效區(qū)不斷拓寬。 (3)電驅(qū)動系統(tǒng)的集成化和一體化趨勢更加明顯。 (4)電驅(qū)動系統(tǒng)的混合度與電功率比不斷增加。 (5)車用電驅(qū)動控制系統(tǒng)的集成化和數(shù)字化程度不斷加大。,,第 10 頁,4.2 直流電動機(jī),4.2.1 直流電動機(jī)的分類 4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.2.3 直流電動機(jī)的工作原理 4.2.4 直流電動機(jī)的控制,,第 11 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,直流電動機(jī)分為繞組

6、勵磁式直流電動機(jī)和永磁式直流電動機(jī)。在電動汽車所采用的直流電動機(jī)中,小功率電動機(jī)采用的是永磁式直流電動機(jī),大功率電動機(jī)采用的是繞組勵磁式直流電動機(jī)。 繞組勵磁式直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式的不同,可分為他勵式、并勵式、串勵式和復(fù)勵式四種類型。,,第 12 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,1他勵式直流電動機(jī) 他勵式直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系,而由其它直流電源對勵磁繞組供電。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。永磁直流電動機(jī)也可看作他勵直流電動機(jī)。 他勵直流電動機(jī)在運行過程中勵磁磁場穩(wěn)定而且容易控制,容易實現(xiàn)電動汽車的再生制動要求。但當(dāng)采用永磁激勵時,雖然電動機(jī)效率高,重量和體積

7、較小,但由于勵磁磁場固定,電動機(jī)的機(jī)械特性不理想,驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生不了足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車起動和加速時的大轉(zhuǎn)矩要求。,,第 13 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,2并勵直流電動機(jī) 并勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián),共用同一電源,性能與他勵直流電動機(jī)基本相同。并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓,但是勵磁繞組用細(xì)導(dǎo)線繞成,其匝數(shù)很多,因此具有較大的電阻,使得通過它的勵磁電流較小。 3串勵直流電動機(jī) 串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后,再接于直流電源,這種直流電動機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。這種電動機(jī)內(nèi)磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降,

8、勵磁繞組的電阻越小越好,所以串勵直流電動機(jī)通常用較粗的導(dǎo)線繞成,它的匝數(shù)較少。,,第 14 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,4復(fù)勵直流電動機(jī) 復(fù)勵直流電動機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組,電動機(jī)的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反,則稱為差復(fù)勵。 復(fù)勵直流電動機(jī)的永磁勵磁部分采用高磁性材料釹鐵硼,運行效率高。由于電動機(jī)永磁勵磁部分有穩(wěn)定的磁場,因此用該類電動機(jī)構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)時易實現(xiàn)再生制動功能。同時由于電動機(jī)增加了增磁繞組,通過控制勵磁繞組的勵磁電流或勵磁磁場的大小,能克服純永磁他勵直流電動機(jī)不能產(chǎn)生足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來滿

9、足電動汽車低速或爬坡時的大轉(zhuǎn)矩要求,而電動機(jī)的重量或體積比串勵電動機(jī)的小。,,第 15 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,各種勵磁方式直流電動機(jī)的電路如圖所示。,,,,第 16 頁,4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流電動機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成,定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。,,,第 17 頁,4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2直流電動機(jī)的特點 (1) 調(diào)速性能好。直流電動機(jī)可以在重負(fù)載條件下,實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速,而且調(diào)速范圍較寬。 (2) 起動力矩大。可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),因此,凡是在重負(fù)載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械,例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚

10、機(jī)、電力機(jī)車、電車等,都可用直流電動機(jī)拖動。 (3) 控制比較簡單。一般用斬波器控制,它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點。 (4) 有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件,所以必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。,,,第 18 頁,4.2.3 直流電動機(jī)的工作原理,直流電動機(jī)的工作原理圖所示。圖中,定子有一對N、S極,電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上,正、負(fù)電刷A和B分別與兩個換向片接觸。,,,第 19 頁,4.2.4 直流電動機(jī)的控制,直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法主要有電樞調(diào)壓控制、磁場控制和電樞回路電阻控制。 電樞調(diào)壓控制是指通過改變電樞的端電壓來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電動

11、機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速控制,它可保持電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變,電動機(jī)轉(zhuǎn)速近似與電樞端電壓成比例變化,所以稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。直流電動機(jī)采用電樞調(diào)壓控制可實現(xiàn)在寬廣范圍內(nèi)的連續(xù)平滑的速度控制,調(diào)速比一般可達(dá)1:10,如果與磁場控制配合使用,調(diào)速比可達(dá)1:30。電樞調(diào)壓控制的調(diào)速過程:當(dāng)磁通保持不變時,減小電壓,由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化,反電動勢也暫時不變化,由于電樞電流減小了,轉(zhuǎn)矩也減小了。如果阻轉(zhuǎn)矩未變,則轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速的降低,反電動勢減小,電樞電流和轉(zhuǎn)矩就隨著增大,直到轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止,但這時轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來降低了。,,第 20 頁,4.2.4 直流電動機(jī)的控制,磁場控制是指通過調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的勵

12、磁電流改變每極磁通量,從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,這種控制只適合電動機(jī)基數(shù)以上的控制。當(dāng)電樞電流不變時,具有恒功率調(diào)速特性。磁場控制效率高,但調(diào)速范圍小,一般不超過1:3,而且響應(yīng)速度較慢。磁場控制可采用可變電阻器,也可采用可控整流電源作為勵磁電源。 磁場控制的調(diào)速過程:當(dāng)電壓保持恒定時,減小磁通,由于機(jī)械慣性,轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化,于是反電動勢減小,電樞電流隨之增加。由于電樞電流增加的影響超過磁通減小的影響,所以轉(zhuǎn)矩也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩未變,則轉(zhuǎn)速上升。隨著轉(zhuǎn)速的升高,反電動勢增大,電樞電流和轉(zhuǎn)矩也隨著減小,直到轉(zhuǎn)矩和阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止,但這時轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來升高了。,,第 21 頁,4.2.4 直流

13、電動機(jī)的控制,電樞回路串電阻控制是指當(dāng)電動機(jī)的勵磁電流不變時,通過改變電樞回路電阻來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制方法的機(jī)械特性較軟,而且電動機(jī)運行不穩(wěn)定,一般很少應(yīng)用。對于小型串勵電動機(jī),常采用電樞回路串電阻控制方式。,,第 22 頁,4.3 無刷直流電動機(jī),4.3.1 無刷直流電動機(jī)的分類 4.3.2 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.3.3 無刷直流電動機(jī)的工作原理 4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,,第 23 頁,4.3.1 無刷直流電動機(jī)的分類,無刷直流電動機(jī)按照工作特性,可以分為具有直流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)和具有交流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)。 具有直流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī),

14、反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波,所以又稱為矩形波同步電動機(jī)。這類電動機(jī)由直流電源供電,借助位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置,由所檢測出的信號去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路以實現(xiàn)無接觸式換相。顯然,這種無刷直流電動機(jī)具有有刷直流電動機(jī)的各種運行特性。 具有交流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī),反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波,所以又稱為正弦波同步電動機(jī)。這類電動機(jī)也由直流電源供電,但通過逆變器將直流電變換成交流電,然后去驅(qū)動一般的同步電動機(jī)。因此,它們具有同步電動機(jī)的各種運行特性。,,第 24 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)本體、電子換相器

15、和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成。 (1) 電動機(jī)本體。無刷直流電動機(jī)的電動機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 (2) 電子換相器。電子換相器是由功率開關(guān)和位置信號處理電路構(gòu)成,主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。 (3) 位置傳感器。位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息,即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。,,第 25 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,無刷直流電動機(jī)實物圖。,,,第 26 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,無刷直流電動機(jī)作為電動汽車用電動機(jī),具有以下優(yōu)點: (1) 外特性

16、好,非常符合電動汽車的負(fù)載特性,尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性,能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩,滿足電動汽車的加速要求; (2) 可以在低、中、高寬速度范圍內(nèi)運行,而有刷電動機(jī)由于受機(jī)械換向的影響,只能在中低速下運行; (3) 效率高,尤其是在輕載車況下,仍能保持較高的效率,這對珍貴的電池能量是很重要的; (4) 過載能力強(qiáng),比Y系列電動機(jī)可提高過載能力2倍以上,滿足電動汽車的突起堵轉(zhuǎn)需要;,,,第 27 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,(5) 再生制動效果好,因無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場,在汽車下坡或制動時電動機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài),給電池充電,同時起到電制動作用,減輕機(jī)械剎車負(fù)擔(dān); (

17、6) 體積小、重量輕、比功率大,可有效地減輕重量、節(jié)省空間; (7) 無機(jī)械換向器,采用全封閉式結(jié)構(gòu),防止塵土進(jìn)入電動機(jī)內(nèi)部,可靠性高; (8) 控制系統(tǒng)比異步電動機(jī)簡單。 缺點是電動機(jī)本身比交流電動機(jī)復(fù)雜,控制器比有刷直流電動機(jī)復(fù)雜。,,,第 28 頁,4.3.3 無刷直流電動機(jī)的工作原理,無刷直流電動機(jī)的工作原理與有刷直流電動機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號控制電子換向線路去驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)器件,使電樞繞組依次饋電,從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場,拖動電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時,隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號,以不斷的改變電樞繞組的通電狀態(tài)

18、,使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變,這樣電動機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來了。,,,第 29 頁,4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,按照獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法劃分,無刷直流電動機(jī)的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。 有位置傳感器控制方法是指在無刷直流電動機(jī)定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的位置,將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,為電子換相電路提供正確的換相信息,以此控制電子換相電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài),保證電動機(jī)各相按順序?qū)?,在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)中常用的位置傳感器有霍爾元件位置傳感器、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳

19、感器等。,,第 30 頁,4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制,無需安裝傳感器,使用場合廣,相對于有位置傳感器方法有較大的優(yōu)勢,因此,無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制近年來己成為研究的熱點。無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制中,不直接使用轉(zhuǎn)子位置傳感器,但在電動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中,仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號,以控制電動機(jī)換相。因此,如何通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號,成為無刷直流電動機(jī)無位置傳感器控制的關(guān)鍵。為此,國內(nèi)外的研究人員在這方面作了大量的研究工作,提出了多種轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法,大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估算。歸納起來,可以分為

20、反電動勢法、電感法、狀態(tài)觀測器法、電動機(jī)方程計算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳感器等。,,第 31 頁,4.4 異步電動機(jī),4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.4.2 異步電動機(jī)的工作原理與運行特性 4.4.3 異步電動機(jī)的控制,,第 32 頁,4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 異步電動機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成,定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙,此外,還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。,,第 33 頁,4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2異步電動機(jī)的特點 異步電動機(jī)的基本特點是,轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連,其定子電流直接取自交流電

21、力系統(tǒng);與其它電動機(jī)相比,異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單,制造、使用、維護(hù)方便,運行可靠性高,重量輕,成本低。以三相異步電動機(jī)為例,與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)相比,前者重量只及后者的二分之一,成本僅為三分之一。異步電動機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求,派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載特性,能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動的要求。 異步電動機(jī)的局限性是,它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率,因而調(diào)速性能較差,在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合,不如直流電動機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外,異步電動機(jī)運行時,從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁,這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。因此,在大功率、低轉(zhuǎn)速場合不如用同

22、步電動機(jī)合理。,,第 34 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運行特性,1. 異步電動機(jī)的工作原理 當(dāng)異步電動機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后,將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組,從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,電動勢的方向由右手定則來確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路,轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生,電流方向與電動勢方向相同,而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力,電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn),并且電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。,,第 35 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運行特性,2. 異步電動機(jī)的運行特性 異步電動機(jī)的運行特性包括工作特

23、性和機(jī)械特性。 異步電動機(jī)的工作特性是指電動機(jī)在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、效率和功率因數(shù)隨輸出功率變化的特性。一般通過負(fù)載試驗來測取。圖是異步電動機(jī)的工作特性。,,,第 36 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運行特性,異步電動機(jī)的機(jī)械特性分為自然機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。 在電源電壓和電源頻率恒定且定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何附加設(shè)備時的機(jī)械特性稱為自然機(jī)械特性,,,,,第 37 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運行特性,電源電壓、電源頻率、電動機(jī)極對數(shù)、定子或轉(zhuǎn)子回路接入其它附屬設(shè)備,其中任意一項改變得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。 由于電源頻率不

24、變,所以同步轉(zhuǎn)速點不變,電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成比例變化,但各條曲線的最大轉(zhuǎn)矩點對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率基本保持不變。,,,,,第 38 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,目前對異步電動機(jī)的調(diào)速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。 恒壓頻比開環(huán)控制實際上只控制了電動機(jī)磁通而沒有控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩,采用這樣的控制系統(tǒng)對異步電動機(jī)來講根本談不上控制性能,通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。 轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩的,可以在一定的轉(zhuǎn)差頻率范圍內(nèi)、一定程度上通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差來控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能,但其控制

25、理論是建立在異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的,它適合于電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對動態(tài)性能要求不高的場合。,,第 39 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,1異步電動機(jī)的矢量控制 矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電動機(jī)內(nèi)部的電磁過程,是建立在交流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對直流電動機(jī)的控制技術(shù),將交流電動機(jī)的定子電流解耦成互相獨立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現(xiàn)對交流電動機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦,從而達(dá)到理想的動態(tài)性能。 (1) 異步電動機(jī)矢量控制方式的選擇。異步電動機(jī)矢量控制是基于磁場定向的方法,其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜,常用的控

26、制策略有以下4種。轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理;轉(zhuǎn)差率矢量控制原理;氣隙磁場定向矢量控制原理;定子磁場定向矢量控制原理。,,第 40 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(2) 異步電動機(jī)矢量控制的特點。矢量控制變頻器可以分別對異步電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測和控制,自動改變電壓和頻率,使指令值和檢測實際值達(dá)到一致,從而實現(xiàn)了變頻調(diào)速,大大提高了電動機(jī)控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%,轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電動機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高的效果。其主要表現(xiàn)在:可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制,因此調(diào)速范圍很寬廣;可以對轉(zhuǎn)矩實行較為精確控制;系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度很快;

27、電動機(jī)的加速度特性很好。,,第 41 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,2. 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是將電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象,通過控制定子磁場向量控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換,也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型,只是通過控制PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式,控制電動機(jī)的瞬時輸入電壓,改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來控制瞬時轉(zhuǎn)矩,使系統(tǒng)性能對轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性。并且這種方法被推廣到弱磁調(diào)速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式,性能優(yōu)越。但同時不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,調(diào)速性能降低的問題。該方法對逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大,定子電阻對電動機(jī)低速性能也有較大影響,如在低速區(qū),定子電

28、阻變化引起的定子電流和磁鏈的畸變,以及轉(zhuǎn)矩脈動、死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)頻率等問題。,,第 42 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(1)異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。它主要包括磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等。其中磁鏈觀測器對磁鏈的觀測是否準(zhǔn)確對整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用,而開關(guān)策略和磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是先進(jìn)控制算法的核心部分。,,,第 43 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點 直接轉(zhuǎn)矩控制所需要的信號處理工作特別簡單,所用的控制信號使觀察者對于交流電動機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。 直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能

29、易受參數(shù)變化影響的問題。 直接轉(zhuǎn)矩控制并非極力獲得理想的正弦波波形,也不專門強(qiáng)調(diào)磁鏈完全理想圓形軌跡。相反,從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā),它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果,因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)矩實行直接控制。它的控制效果不取決于電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化,而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況,它的控制既直接又簡化。,,,第 44 頁,4.5 永磁同步電動機(jī),4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.5.2 永磁同步電動機(jī)的工作原理與運行特性 4.5.3 永磁同步電動機(jī)的控制,,,第 45 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)

30、分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電動機(jī)和方波驅(qū)動電流的永磁同步電動機(jī)。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)。 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,和傳統(tǒng)電動機(jī)一樣,主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。,,,,,第 46 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同,永磁同步電動機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式二種。 (1) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中,永磁體通常呈瓦片形,并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上,永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種,如圖所示。,,,,,,第 47 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,(2) 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子

31、磁路結(jié)構(gòu)。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系,內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。,,,,,,,第 48 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)與其它電動機(jī)相比,具有以下優(yōu)點: (1) 用永磁體取代繞線式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組,從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷,以電子換向?qū)崿F(xiàn)無刷運行,結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠; (2) 永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系,控制電源頻率就能控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速; (3) 永磁同步電動機(jī)具有較硬的機(jī)械特性,對于因負(fù)載的變化而引起的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強(qiáng)的承受能力,瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上,適合在負(fù)

32、載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運行;,,,,,,,第 49 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,(4) 永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵磁,因此電動機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行,調(diào)速范圍寬; (5) 永磁同步電動機(jī)與異步電動機(jī)相比,不需要無功勵磁電流,因而功率因數(shù)高,定子電流和定子銅耗小,效率高; (6) 體積小、重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用,永磁同步電動機(jī)的功率密度得到很大提高,比起同容量的異步電動機(jī)來,體積和重量都有較大的減少,使其適合應(yīng)用在許多特殊場合; (7) 結(jié)構(gòu)多樣化,應(yīng)用范圍廣。,,,,,,第 50 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)還存

33、在以下缺點: (1) 由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體,無法調(diào)節(jié),必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場,這會增大定子的電流,增加電動機(jī)的銅耗; (2) 永磁電動機(jī)的磁鋼價格較高。 由此可見,永磁電動機(jī)體積小,重量輕,轉(zhuǎn)動慣量小,功率密度高(可達(dá)1kW/kg),適合電動汽車空間有限的特點;另外,轉(zhuǎn)矩慣量比大,過載能力強(qiáng),尤其低轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)矩大,適合電動汽車的起動加速。因此,永磁電動機(jī)得到國內(nèi)外電動汽車界的廣泛重視,并已在日本得到了普遍應(yīng)用,日本新研制的電動汽車大都采用永磁電動機(jī)驅(qū)動。比較典型的是在豐田Prius混聯(lián)式混合動力轎車上的應(yīng)用。,,,,,,第 51 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作

34、原理與運行特性,1電樞反應(yīng) 永磁同步電動機(jī)帶負(fù)載時,氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響,電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變,而且還會產(chǎn)生去磁或增磁作用,因此,氣隙磁場將影響永磁同步電動機(jī)的運行特性。 對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行分析時,需要采用雙反應(yīng)理論,即需要把電樞電流和電樞電動勢分解成交軸和直軸兩個分量。交軸電樞電流產(chǎn)生交軸電樞電動勢,發(fā)生交軸電樞反應(yīng);直軸電樞電流產(chǎn)生直軸電樞電動勢,發(fā)生直軸電樞反應(yīng)。,,,,第 52 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運行特性,2電壓方程式 忽略磁飽和效應(yīng)的影響,永磁同步電

35、動機(jī)的電壓方程式為 3功率與轉(zhuǎn)矩 電動機(jī)的電磁功率為 如果忽略電樞電阻的影響,則電動機(jī)的電磁功率為,,,,,,,第 53 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運行特性,電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步電動機(jī)的功角特性。,,,,,,第 54 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運行特性,4運行特性 永磁同步電動機(jī)的運行特性主要是機(jī)械特性和工作特性。 永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)正常運行時,轉(zhuǎn)速始終保持同步速不變,因此,其機(jī)械特性為平行于橫軸的直線,調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比例變化。,,,,,,,第 55 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運行特性,永磁同步電動

36、機(jī)的工作特性是指當(dāng)電源電壓恒定時,電動機(jī)的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系。,,,,,,,,第 56 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,1.恒壓頻比開環(huán)控制(VVVF) VVVF的控制變量為電動機(jī)的外部變量即電壓和頻率。控制系統(tǒng)將參考電壓和頻率輸入到實現(xiàn)控制策略的調(diào)制器中,最后由逆變器產(chǎn)生一個交變的正弦電壓施加在電動機(jī)的定子繞組上,使之運行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進(jìn)行控制,使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長,從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單,易于實現(xiàn),轉(zhuǎn)速通過電源頻率進(jìn)行控制,不存在異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償問題。但同時

37、,由于系統(tǒng)中不引入速度、位置等反饋信號,因此無法實時捕捉電動機(jī)狀態(tài),致使無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩;在突加負(fù)載或者速度指令時,容易發(fā)生失步現(xiàn)象;也沒有快速的動態(tài)響應(yīng)特性。因此,恒壓頻比開環(huán)控制控制電動機(jī)磁通而沒有控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩,控制性能差。通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。,第 57 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,2矢量控制 矢量控制理論的基本思想為;以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo),將定子電流分解為相互正交的兩個分量,一個與磁鏈同方向,代表定子電流勵磁分量,另一個與磁鏈方向正交,代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量,分別對其進(jìn)行控制,獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。因其控制結(jié)構(gòu)簡單,控制軟件

38、實現(xiàn)較容易,已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。 永磁同步電動機(jī)矢量控制策略與異步電動機(jī)矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差恒等于零,沒有轉(zhuǎn)差功率,控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此,在永磁同步電動機(jī)上更容易實現(xiàn)矢量控制。,第 58 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,某電動汽車用永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框。,,第 59 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,3直接轉(zhuǎn)矩控制 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。,,,第 60 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,4智能控制 為了提高永磁同步電動機(jī)的控制性能和控制精度,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等開

39、始應(yīng)用于同步電動機(jī)的控制。 采用智能控制方法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng),在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,智能控制器處于最外環(huán)充當(dāng)速度控制器,而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法,這主要是因為外環(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素,而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制,各種擾動給內(nèi)環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。 在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用智能控制時,也不能完全屏棄傳統(tǒng)的控制方法,必須將兩者很好地結(jié)合起來,才能彼此取長補(bǔ)短,使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。,,,第 61 頁,4.6 開關(guān)磁阻電動機(jī),4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理與運行特性 4.6.3 開關(guān)磁

40、阻電動機(jī)的控制,第 62 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 開關(guān)磁阻電動機(jī)是由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成,其定子、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。定子極上繞有集中繞組,把沿徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成一個兩級磁極,稱為“一相”;轉(zhuǎn)子既無繞組又無永磁體,僅由硅鋼片疊成。 開關(guān)磁阻電動機(jī)有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu),如單相、二相、四相及多相等,且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。低于三相的開關(guān)磁阻電動機(jī)一般沒有自起動能力。相數(shù)多,有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是四相8/6極結(jié)構(gòu)和三相6/4極結(jié)構(gòu)。下面介紹的的開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)為四相8

41、/6極結(jié)構(gòu)。,第 63 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2. 開關(guān)磁阻電動機(jī)的特點 開關(guān)磁阻電動機(jī)與其它電動機(jī)相比,具有以下優(yōu)點: (1) 可控參數(shù)多,調(diào)速性能好。可控參數(shù)有主開關(guān)開通角、主開關(guān)關(guān)斷角、相電流幅值、直流電源電壓,控制方便,可四象限運行,容易實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和電動、制動等特定的調(diào)節(jié)控制; (2) 結(jié)構(gòu)簡單,成本低。開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組,也不加永久磁鐵,定子為集中繞組,永磁電動機(jī)及感應(yīng)電動機(jī)都簡單,制造和維護(hù)方便;它的功率變換器比較簡單,主開關(guān)元件數(shù)較少,電子器件少; (3) 損耗小,運轉(zhuǎn)效率高。開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差損耗,功率變換器元器件少,相應(yīng)的損耗

42、也小;控制靈活,易于在很寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效節(jié)能控制; (4) 起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小。在15%額定電流的情況下就能達(dá)到100%的起動轉(zhuǎn)矩。,第 64 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,由于開關(guān)磁阻電動機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工作方式,也存在一些缺點: (1) 轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象較大; (2) 振動和噪聲相對較大,特別是在負(fù)載運行的時候; (3) 電動機(jī)的出線頭相對較多,還有位置檢測器出線端; (4) 電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜,其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型較難建立; (5) 控制復(fù)雜,依賴于電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。,第 65 頁,4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理與運行特性,1開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理 開關(guān)磁阻電動機(jī)的工

43、作原理如圖所示。圖中,Sl、S2是電子開關(guān);VD1、VD2是二極管,U是直流電源。,,第 66 頁,4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理與運行特性,2.開關(guān)磁阻電動機(jī)的運行特性 開關(guān)磁阻電動機(jī)運行特性可分為三個區(qū)域:恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)(串勵特性區(qū)),如圖所示。,,,第 67 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,1.角度位置控制方式(APC) 角度位置控制是在加在繞組上的電壓一定的情況下,通過改變繞組上主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角,來改變繞組的通、斷電時刻,調(diào)節(jié)相電流的波形,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 根據(jù)電動勢平衡方程式可知,當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時,旋轉(zhuǎn)電動勢較大,則此時電流上升率下降,各相的主開關(guān)

44、器件的導(dǎo)通時間較短,電動機(jī)繞組的相電流不易上升,電流相對較小,便于使用角度位置控制方式。 因為開通角和關(guān)斷角都可調(diào)節(jié),角度位置控制可分為:變開通角、變關(guān)斷角和同時改變開通角及關(guān)斷角三種方式。改變開通角,可改變電流波形的寬度、峰值和有效值的大小,還可改變電流波形與電感波形的相對位置,從而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。而關(guān)斷角一般不影響電流的峰值,但可改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對位置,進(jìn)而改變電流的有效值。故一般采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制方式。,第 68 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,根據(jù)SRM的轉(zhuǎn)矩特性分析可知,當(dāng)電流波形主要位于電感的上升區(qū)時,產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為正,電動機(jī)

45、運行在電動狀態(tài);當(dāng)電流波形主要位于電感的下降段時,產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù),電動機(jī)工作在制動狀態(tài)。而通過對開通角、關(guān)斷角的控制,可以使電流的波形處在繞組電感波形的不同位置。因此,可以用控制開通角、關(guān)斷角的方式來使電動機(jī)運行在不同的狀態(tài)。 角度位置控制的優(yōu)點在于:轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍寬;可同時多相通電,以增加電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,同時減小了轉(zhuǎn)矩波動;通過角度的優(yōu)化,能實現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。 根據(jù)上面的分析可知,此法不適于低速場合。因為在低速時,旋轉(zhuǎn)電動勢較小,使電流峰值增大,必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行限流,故一般用于轉(zhuǎn)速較高的場合。,第 69 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,2.電流斬波控制 根據(jù)

46、電動勢平衡方程式可知,電動機(jī)低速運行特別是啟動時,旋轉(zhuǎn)電動勢引起的壓降很小,相電流上升快,為避免過大的電流脈沖對功率開關(guān)器件及電動機(jī)造成損壞,需要對電流峰值進(jìn)行限定,因此,可采用電流的斬波控制,獲取恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。電流斬波控制一般不會對開通、關(guān)斷角進(jìn)行控制,它將直接選擇在每相的特定導(dǎo)通位置對電流進(jìn)行斬波控制。 目前常用的有兩種方案:對電流上、下限進(jìn)行限制的控制,及限制電流上限值和恒定關(guān)斷時間的控制。 該控制的優(yōu)點在于:它適用于電動機(jī)的低速調(diào)速系統(tǒng),可以控制電流峰值的增長,并有很好的電流調(diào)節(jié)作用:因每相電流波形會呈現(xiàn)出較寬的平頂狀,使得產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn),轉(zhuǎn)矩的波動相應(yīng)地比其它控制方式要小。

47、然而,由于電流的峰值受到了限制,當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載的擾動作用下發(fā)生變化時,電流的峰值無法做出相應(yīng)的改變,使得系統(tǒng)的特性比較軟,因此系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的動態(tài)響應(yīng)很緩慢。,第 70 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,3.電壓控制(VC) VC方式是保持開通角、關(guān)斷角不變的前提下,使功率開關(guān)器件工作在脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比,來調(diào)整加在繞組兩端電壓的平均值,進(jìn)而改變繞組電流的大小,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若增大調(diào)制脈沖的頻率,就會使電流的波型比較平滑,電動機(jī)出力增大,噪聲減小,但對功率開關(guān)器件的工作頻率的要求就會增大。 按照續(xù)流方式的不同,分為單管斬波和雙管斬波方式。單管方式

48、中,連接在每相繞組中的上、下橋臂的兩個開關(guān)管只有一個處于斬波狀態(tài),另一個一直導(dǎo)通。而雙管斬波方式中,兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通和關(guān)斷,對電壓進(jìn)行斬波控制??紤]到系統(tǒng)效率等因素,實際應(yīng)用中一般常用單管方式。,第 71 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,電壓控制的優(yōu)點在于,它通過調(diào)節(jié)繞組電壓的平均值進(jìn)而調(diào)節(jié)電流,因此可用在低速和高速系統(tǒng),且控制簡單,但它的調(diào)速范圍有限。 在實際的SRD運用中,也可以采用多種控制方式相組合的方法。如高速角度控制和低速電流斬波控制組合,變角度電壓斬波控制和定角度電壓斬波控制等。這些組合方式各有優(yōu)勢及不足,因此必須針對不同的應(yīng)用場合和不同的性能要求,合理地選擇控制方式,才能

49、使電動機(jī)運行于最佳狀態(tài)。,第 72 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,根據(jù)系統(tǒng)性能要求的不同,控制電路的具體結(jié)構(gòu)形式會有很大差異,但一般均應(yīng)包含以下功能: 1) 用于接受外部指令信號,如起動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向信號的操作電路; 2) 用于給定量與控制量相比較,并按規(guī)定算法計算出控制參數(shù)的調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)器電路; 3) 用于決定控制電路的工作邏輯,如正反轉(zhuǎn)相序邏輯、高低速控制方式的工作邏輯電路; 4) 用于檢測系統(tǒng)中的有關(guān)物理量,如轉(zhuǎn)速、角位移、電流和電壓的傳感器電路; 5) 用于當(dāng)系統(tǒng)中某些物理量超過允許值時,采取相應(yīng)保護(hù)措施的保護(hù)電路,如過壓保護(hù)和過流保護(hù); 6) 用于控制各被控量信號的輸出電路,如

50、控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷; 7) 用于指示系統(tǒng)的工作狀況和參數(shù)狀態(tài)顯示電路,如指示電動機(jī)轉(zhuǎn)速、指示故障保護(hù)情況的顯示。,第 73 頁,4.7 輪轂電機(jī),4.7.1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)形式 4.7.2 輪轂電機(jī)應(yīng)用類型 4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式 4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點 4.7.5 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),第 74 頁,4.7.1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)形式,輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通常由電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)形式:內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。,,,,第 75 頁,4.7.2 輪轂電機(jī)應(yīng)用類型,輪轂電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)按照電機(jī)磁場的類型分為

51、軸向磁場和徑向磁場兩種類型。軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā),并且它的定子可以不需要鐵心;徑向磁通電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間受力比較均衡,磁路由硅鋼片疊壓得到,技術(shù)更簡單成熟。 輪轂電機(jī)的電機(jī)類型主要分為永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式。其特點如下: (1)無刷永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu),具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍,發(fā)展前景十分廣闊,已在國內(nèi)外多種電動汽車中獲得應(yīng)用; (2)感應(yīng)(異步)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠,轉(zhuǎn)矩脈動小,噪聲低,不需要位置傳感器,轉(zhuǎn)速極限高;缺點是驅(qū)動電路復(fù)雜,成本高,相對永磁電機(jī)而言,異步電機(jī)效率和功率密度偏低; (3)開關(guān)磁阻式電

52、機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低廉,轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性好等特點,適用于電動汽車驅(qū)動;缺點是設(shè)計和控制非常困難和精細(xì),運行噪聲大。,,,第 76 頁,4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式,輪轂電機(jī)的驅(qū)動方式可以分為直接驅(qū)動和減速驅(qū)動兩種基本形式。 直接驅(qū)動方式如圖所示,采用低速外轉(zhuǎn)子電動機(jī),輪轂電機(jī)與車輪組成一個完整部件總成,電機(jī)布置在車輪內(nèi)部,直接驅(qū)動車輪帶動汽車行駛。其主要優(yōu)點是電機(jī)體積小,質(zhì)量輕,成本低,系統(tǒng)傳動效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,既有利于整車結(jié)構(gòu)布置和車身設(shè)計,也便于改型設(shè)計。,,第 77 頁,4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式,減速驅(qū)動方式如圖所示,采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機(jī),適合現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求。這種電

53、動輪采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機(jī),其目的是為了獲得較高的功率。減速機(jī)構(gòu)布置在電動機(jī)和車輪之間,起減速和增矩的作用,保證電動汽車在低速時能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩。,,,第 78 頁,4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點,輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為一種新興的電機(jī)驅(qū)動形式,其布置非常靈活,可以根據(jù)汽車驅(qū)動方式分別布置在電動汽車的兩前輪、兩后輪或四個車輪的輪轂中。和其它驅(qū)動形式的電動汽車相比,輪轂電機(jī)驅(qū)動式電動汽車在動力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面有其獨特的技術(shù)特征和優(yōu)勢,具體體現(xiàn)在以下幾個方面: (1)動力控制由硬連接改為軟連接型式。通過電子線控技術(shù),實現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求,從而省略了傳統(tǒng)

54、汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等,使驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔,有效可利用空間大,傳動效率提高。 (2)各電動輪的驅(qū)動力直接獨立可控,使其動力學(xué)控制更為靈活、方便;能合理控制各電動輪的驅(qū)動力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。,,第 79 頁,4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點,(3)容易實現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋,還能對整車能源的高效利用,實施最優(yōu)化控制和管理,節(jié)約能源。 (4)底架結(jié)構(gòu)大為簡化,使整車總布置和車身造型設(shè)計的自由度增加,若能將底架承載功能與車身功能分離,則可實現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化,從而縮短新車型的開發(fā)

55、周期,降低開發(fā)成本。 (5)若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化,可有效減小轉(zhuǎn)向半徑,甚至實現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑,大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。,,第 80 頁,4.7.5 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),(1)輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動、制動、承載等多種功能于一體,優(yōu)化設(shè)計難度大; (2)車輪內(nèi)部空間有限,對電機(jī)功率密度性能要求高,設(shè)計難度大; (3)電機(jī)與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大,惡化懸架隔振性能,影響不平路面行駛條件下的汽車操控性和安全性。同時,輪轂電機(jī)將承受很大的路面沖擊載荷,電機(jī)抗振要求苛刻; (4)汽車大負(fù)荷低速爬長坡工況下容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機(jī)過熱燒毀問題,電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題需要重視; (5)車輪部位水和污物等容易集存,導(dǎo)致電機(jī)的腐蝕破壞,壽命可靠性受影響; (6)輪轂電機(jī)運行轉(zhuǎn)矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動和噪聲,以及其他整車聲振問題。,,,第 81 頁,謝 謝!,

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