第四章-直流电动机及其驱动技术.ppt
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电机驱动系统具有以下特点:
1)以电磁转矩为控制目标,加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值,要求转矩响应迅速,波动小。
2)电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围,电机能在四象限内工作。
3)为保证加速时间,要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数(24);为保证汽车能达到最高车速,要求电机高速区处有一定的功率输出。
4)驱动系统高效,电磁兼容性好,易于维护。
5)良好的可靠性、耐温、耐潮湿,可以在恶劣的环境条件下长时期运转,结构简单,适合批量生产。
电动汽车对驱动电机有以下要求:
1)高电压。
2)小质量。
3)较大的起动转矩和较大的调速范围,使电动汽车有好的起动性能和加速性能,从而获得起动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。
4)高效率,低损耗。
5)电气系统和控制系统的安全性必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制安全性能的标准和规定,装备有高压保护设备。
6)高可靠性。
电动汽车对驱动电机分类:
电动汽车驱动电机的分类,13)温升。
各种电机的基本性能比较,第3章直流电动机及其驱动系统,4.1直流电机的构造及基本原理,4.2直流电机的运行特性,4.5变换器,4.4直流电动机驱动系统,4.3直流电动机控制,第3章直流电动机,1.了解直流电动机的基本构造和工作原理。
4.理解他励(并励)和串励直流电动机的电压与电流的关系式,运行特性。
3.理解直流电动机的起动、反转、调速和制动的基本原理和基本方法。
4.理解直流电动机的变换器原理、结构和特性。
本章要求,4.1直流电机的构造和工作原理,在电动汽车所采用的直流电动机中,小功率电动机采用的是永磁式直流电动机,大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。
直流电机的优点:
(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。
(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。
(3)易于控制。
直流电机驱动系统框图,4.1.1直流电机的结构,直流电机的爆炸图,直流电动机的结构,直流电动机的结构,4.转子(电枢)由铁心、绕组(线圈)、换向器组成。
1.定子,励磁:
磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称为励磁。
用来在电机中产生磁场。
4.1.2直流电机的分类,电动汽车所使用的直流电动机主要是他励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机三种类型。
小功率(100W10kW)电动机采用的是小型高效的永磁直流电动机,可以应用在小型、低速的搬运设备上。
中等功率(10100kW)的电动机采用他励、复励或串励式直流电动机,可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。
大功率(100kW)直流电动机采用串励式,可用在要求低速、高转矩的专用电动车上。
4.1.2直流电机的分类,(3)串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后,再接于直流电源,这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。
这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。
为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降,励磁绕组的电阻越小越好,所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成,它的匝数较少。
4.1.2直流电机的分类,(4)复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组,电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。
若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。
若两个磁通势方向相反,则称为差复励。
复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼,运行效率高。
1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。
4.1.2直流电机的分类,他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制,容易实现电动汽车的再生制动要求。
4.1.2直流电机的分类,4.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联,由一个直流电源供电。
性能与他励直流电动机基本相同。
并励绕组两端电压就是电枢两端电压,但是励磁绕组用细导线绕成,其匝数很多,因此具有较大的电阻,使得通过它的励磁电流较小。
3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。
这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。
为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降,励磁绕组的电阻越小越好,所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成,它的匝数较少。
4.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在同一电源上。
若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。
若两个磁通势方向相反,则称为差复励。
复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼,运行效率高。
4.1.3直流电机的基本工作原理,4.1.3直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组,电枢电流方向如图所示。
由于换向片和电源固定联接,无论线圈怎样转动,总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。
电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。
电刷,换向片,换向器作用:
将外部直流电转换成内部的交流电,以保持转矩方向不变。
线圈在磁场中旋转,将在线圈中产生感应电动势。
由右手定则,感应电动势的方向与电流的方向相反。
1.电枢感应电动势,E=Cen,由图可知,电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反,所以称反电势。
式中:
U外加电压Ra绕组电阻,4.电枢回路电压平衡式,3.电磁转矩,单位:
(韦伯),Ia(安),T(牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩,直流电机的电磁转矩公式为,4.转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。
在电机运行时,电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡,即,T=CTIa,当电动机轴上的机械负载发生变化时,通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩将自动调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。
转矩平衡过程,例:
设外加电枢电压U一定,T=T2(平衡),此时,若T2突然增加,则调整过程为,达到新的平衡点(Ia、P入)。
T2,n,Ia,T,E,4.2直流电动机的运行特性4.4.1直流电动机的正常运行特性,直流电动机在正常运行时,虽然电源电压U和励磁电阻保持不变,但随着励磁方式不同,电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。
一、并励电动机,1.转矩特性,由图可求得,由上分析可知:
当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变,即=常数。
则,T=CTIa=KTIa,即:
并励电动机的磁通=常数,转矩与电枢电流成正比。
4.转速特性,由以下公式,求得,式中:
4.2直流电动机的运行特性4.2.1直流电动机的正常运行特性,4.2.1直流电动机的正常运行特性,求得,3.机械特性,式中:
n=f(T)特性曲线,并励电动机在负载变化时,转速n的变化不大硬机械特性(自然特性)。
nN很小,大约为3%2%,4.2.1直流电动机的正常运行特性,二、串励电动机,1.转矩特性,当Ia较小时,铁心不饱和,特点:
当Ia较大时,铁心饱和,与并励类似,4.转速特性,当Ia较小时,,根据,可得,当Ia较大时,铁心饱和,与并励类似,从上式可见,当轻载时串励电动机的转速急剧上升,将导致电动机的损坏,所以串励电动机不允许轻载运行,一般最低负载不小于额定负载的30%,4.2.1直流电动机的正常运行特性,3.机械特性,串励电动机在负载变化时,转速n的变化大软机械特性(自然特性)。
适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。
当负载增加时,转速快速下降,当负载减小时,转速快速上升,这样不仅可以确保安全,而且可以提高生产效率。
4.2.1直流电动机的正常运行特性,三、复励电动机,他的工作特性介于并励和串励之间。
如果并励绕组磁通势起主要作用,其工作特性与并励电动机工作特性接近。
如果串励绕组磁通势起主要作用,其工作特性与串励电动机工作特性接近。
但因为有并励绕组磁通势的存在,磁通不会趋近于零,所以空载或轻载时,仍能正常运行。
例:
有一并励电动机,其额定数据如下:
P=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.24,并已知Rf=27.5,Ra=0.04,试求:
(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If;
(2)损耗功率PaCu,及PO;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。
解:
(1)P2是输出功率,额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,
(2)电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,(3)额定转矩,(4)反电动势,4.3直流电动机的运行特性4.3.2并励电动机的人为机械特性,1.电枢回路串联电阻R,根据,4.降低电枢电压U,3.减弱磁通,例:
有一他励电动机,其额定数据如下:
P=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115ARa=0.125,试求:
(1)电枢回路串联电阻R=0.75
(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.2的人为机械特性,解:
根据额定数据可得,例:
有一他励电动机,其额定数据如下:
P=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115ARa=0.125,试求:
(1)电枢回路串联电阻R=0.75
(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.2的人为机械特性,解:
根据额定数据可得,
(1)当R=0.75,T=TN时,,
(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.2的人为机械特性,
(2)当电枢电压降低为U=150V,T=TN时,(3)磁通减弱为=0.2,T=TN时,4.4直流电动机控制4.4.1并励电动机的起动与反转,起动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。
Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器;,起动时,n=0,1.起动问题:
(1)起动电流大,
(2)起动转矩大,起动时,起动转矩为(1020)TN,造成机械冲击,使传动机构遭受损坏。
一般Iast限制在(1.54.5)IN。
4.起动方法,
(1)电枢串电阻起动法,在满磁下将Rst置最大处,逐渐减小Rst使n升高。
n,n0,T,电阻增大,TL,T2,T1,此启动方法,启动设备简单,操作方便,但启动能耗大。
3.注意事项,
(2)降压起动法:
直流电动机在起动和工作时,励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。
否则,磁路中只有很少的剩磁,可能产生事故:
目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。
此启动方法,启动电流小,启动平稳,启动能耗小。
(1)如果电动机是静止的,由于转矩太小(T=CTIa),电机将不能起动,这时反电动势为零,电枢电流很大,电枢绕组有被烧坏的危险。
(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路,反电动势E立即减小而使电枢电流增大,同时由于所产生的转矩不满足负载的需要,电动机必将减速而停转,更加促使电枢电流的增大,以至烧毁电枢绕组和换向器。
(3)如果电机在空载运行,可能造成飞车,使电机遭受严重的机械损伤,而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。
4.反转,电磁转矩:
T=CTIa,
(1)改变励磁电流的方向。
(2)改变电枢电流的方向。
注意:
改变转动方向时,励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。
改变直流电机转向的方法有两种:
4.4.2并励(他励)电动机的调速,并励(他励)电动机与异步电动机相比,虽然结构复杂,价格高,维护也不方便,但在调速性能上由其独特的优点。
1.调速均匀平滑,可以无级调速4.调速范围大,调速比可达D=210以上3.调速静差率小。
主要优点:
由转速公式:
可见直流电机调速方法有三种。
1弱磁调速,保持电枢电压U不变,减小励磁电流If(调Rf)以减小磁通。
由式,TL,T,n,O,调速过程:
直至T=TC达到新的平衡。
在高于n的转速下运行,弱磁调速时,减小,但Ia保持不变,所以转矩随调速的升高而下降,而允许输出的功率恒定。
所以属于恒功率调速,且转速n只能上调。
(1)调速平滑,可得到无级调速;但只能向上调,受机械本身强度所限,n不能太高。
(2)调速设备简单,经济,电流小,便于控制。
(3)机械特性较硬,稳定性较好。
(4)对专门生产的调磁电动机,其D可达,一般D=2,减小调速的特点:
电枢回路串电阻调速时,和Ia保持不变,所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。
且转速n只能下调。
特点:
(1)设备简单,操作方便。
(2)机械特性软,稳定性差。
(4)能量损耗大,只用于小型直流机。
TL,(3)调速范围较小,一般D=24.5,2电枢回路串电阻调速,3降压调速,由转速公式知:
调电压U,n0变化,但斜率不变,所以调速特性是一组平行曲线。
特性曲线,改变电压调速的特点:
(1)工作时电压不允许超过UN,而nU,所以调速只能向下调。
(2)机械特性较硬,并且电压降低后硬度不变,稳定性好。
(4)均匀调节电枢电压,可得到平滑无级调速。
(5)调速范围较大。
一般D=210,调速过程:
保持If为额定,减小电枢电压。
改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备,投资费用较高。
近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁,以改变它的转速。
(3)属于恒转矩调速。
直流电机的调速控制,1)周期T固定,导通时间Ton改变,称为脉波宽度调变(Pulse-widthModulation,PWM)。
2)导通时间Ton固定,周期T改变,称为频率调变(FrequencyModulation,FM)。
3)周期T及导通时间Ton同时改变,即波宽调变及频率调变混合使用。
1.单象限直流斩波器4.二象限直流斩波器3.四象限直流斩波器,1.单象限直流斩波器,图5-20单象限直流斩波器驱动电路原理图,4.二象限直流斩波器,图5-21单象限直流斩波器驱动电路稳态波形,4.二象限直流斩波器,图5-22二象限直流斩波器驱动电路原理图,4.二象限直流斩波器,图5-23单象限直流斩波器驱动电路稳态波形,4.二象限直流斩波器,图5-24二象限直流斩波器的机械特性,3.四象限直流斩波器,图5-25四象限直流斩波器驱动电路原理图,3.四象限直流斩波器,图5-26四象限直流斩波器的机械特性,例:
有一他励电动机,已知U=220V,Ia=53.2A,n=1500r/minRa=0.7。
今将电枢电压降低一半,而负载转矩不变,问转速降低多少?
解:
由T=CTIa可知,在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下,电流也保持不变。
电压降低后的转速n对原来的转速n之比为,例:
有一他励电动机,已知:
Ia=64.5A,PN=13KWnN=1500r/minRa=0.225。
UN=220V,
(1)采用电枢串电阻调速,使n=1000r/min,应串入多大的电阻?
(2)采用降压调速,使n=1000r/min,电源电压应降为多少?
(3)采用弱磁调速,=0.25N,电动机的转速为多少?
能否长期运行?
(4)如要求静差率30%,分别采用
(1),
(2)种调速方法能达到的调速范围有多大?
(1)采用电枢串电阻调速时,当=N,T=TN时Ia=64.5A,根据,
(2)降压调速时,当=N,T=TN时Ia=64.5A,根据,
(2)弱磁调速时,当=0.25N,T=TN时,根据,电动机不能长期运行,(4)额定条件下,固有特性,根据,额定负载允许的转速降为,允许的最低转速为,调速范围为:
允许的最低转速为,调速范围为:
4.3.3他励直流电动机的制动,1能耗制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反馈制动,能耗制动时,电动机励磁电流不变,电枢电压U=0,因为电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。
4.3.3他励直流电动机的制动,1能耗制动,此时机械特性方程为,可见T=0时,n=0;T0时,n0;所以,机械特性应在二、四象限,并通过原点。
n,制动过程:
能耗制动特点:
(1)设备简单,运行可靠,且不需从电网输入电能。
(2)能准确停车。
(3)低速时制动效果较差。
2反接制动,1.电枢电压反接制动,此时电枢电流,由,变为,同样因为电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。
此时机械特性方程为,-n0,制动过程:
反接制动特点:
-U,Ia反向,T反向为制动转矩,C点时,n=0,n,T,
(1)设备简单,制动转矩大,常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。
(2)能量损耗大,3回馈制动,当位能性负载快速下放物体时,当nn0时,使EU,由原来的电动状态转为发电状态。
电枢电流,同样电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。
因为此时P1=UIa0,将位能转换为电能回馈电网,称回馈制动。
电动汽车制动可分为以下三种模式,不同模式应辅以不同的控制策略。
(1)紧急制动:
对应于制动减速度大于2ms2的过程,出于安全性方面的考虑应以机械摩擦制动为主,电气制动仅起辅助作用。
在急刹车时,可根据初始速度的不同,由车上ABS控制提供相应的机械摩擦制动力。
(2)中轻度制动:
对应于汽车在正常工况下的制动过程,如遇红灯或者靠站停车等,可分为减速过程与停止过程。
电气制动负责减速过程,停止过程由机械摩擦制动完成。
(3)汽车长下坡时的制动:
电动汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时,在制动力要求不大时,可完全工作于纯再生制动模式。
由以上三种制动模式可知,除了紧急制动外,其他两种模式都可以应用再生制动,将刹车产生的能量回馈到直流母线,给电池充电。
4.4.4串励电动机的启动、调速及制动,启动,串励电动机的启动方法与他励电动机一样,采用电枢串电阻和降压启动。
串励电动机的调速方法与他励电动机一样,采用电枢串电阻和降压启动和弱磁调速。
其原理与他励电动机相同。
调速,制动,串励电动机由于理想空载转速无穷大,所以没有回馈制动运行状态,只能进行能耗和反接制动。
1.额定功率PN:
电机轴上输出的机械功率。
4.额定电压UN:
额定工作情况下的电枢上加的直流电压。
(例:
110V,220V,440V),3.额定电流IN:
额定电压下轴上输出额定功率时的电流(并励包括励磁和电枢电流)。
三者关系:
PN=UNIN(:
效率),4.额定转速nN:
在PN,UN,IN时的转速。
直流电机的转速一般在500r/min以上。
特殊的直流电机转速可以做到很低(如每分钟几转)或很高(每分钟3000转以上)。
注意:
调速时对于没有调速要求的电机,最大转速不能超过1.2nN。
4.4.5直流电动机的额定值,
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