特种电机及其控制

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1、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1特种电机及其控制第1章无刷直流电动机及其控制系统PermanentMagnetBrushlessDCMotors(PMBLDCMs)2大连理工大学电气工程系三相三状态BLDCM原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B3特种电机及其控制传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B4特种电机及其控制传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C5特种电机及其控制传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C6特种电机及其控制传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A7特种电机及其控制传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A8特种电

2、机及其控制传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B9特种电机及其控制1.1无刷直流电动机系统1.1.1基本组成无刷直流电机构成框图10特种电机及其控制无刷直流电动机结构(a)结构示意图(b)定转子实际结构1.电动机本体11特种电机及其控制表面式磁极嵌入式磁极环形磁极内转子结构形式12特种电机及其控制实际电机结构示意图外转子无刷直流电动机13特种电机及其控制2.逆变器b)四相半桥主电路a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型14特种电机及其控制2.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路15特种电机及其控制2.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路2)桥式——全控

3、型16特种电机及其控制2.逆变器2)桥式——全控型e)正交两相全控型主电路17特种电机及其控制2.逆变器2)桥式——全控型f)封闭形联结四相桥式主电路18特种电机及其控制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19特种电机及其控制3.位置检测器位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器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20特种电机及其控制4.控制器控制器模拟控制系统数字控制系统分立元件加少量集成电路

4、构成的模拟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21特种电机及其控制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。1.1.2基本工作原理22特种电机及其控制工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导

5、通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机23特种电机及其控制两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表24特种电机及其控制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。无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调

6、速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。25特种电机及其控制(a)无刷直流电动机(b)永磁同步电动机26特种电机及其控制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27特种电机及其控制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。旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星

7、形三相三状态。28特种电机及其控制1.2.2星形连接三相桥式主电路位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。29特种电机及其控制1.二二导通方式电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；——转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。30特种电机及其控制