课件6 - 汽车驱动电机与逆变器

项目六、汽车驱动电机与逆变器,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,学习导航,学习目标,掌握电机的基本概念与关键技术参数掌握直流电机工作原理与结构掌握交流三相感应电动机工作原理与控制方法掌握永磁无刷直流电动机工作原理与控制方法掌握开关磁阻电动机工作原理掌握电动机的结构与组成掌握三相交流电动机的工作原理掌握三相电机的控制特性掌握直流电动机结构与原理掌握同步电机结构与原理掌握逆变器工作原理掌握逆变器工作原理以及整流器的作用,此处贴入教材的封面所有ppt需要设置为阅读权限后公布。,6.1.1电机的基本概念,请思考：什么是电机？主要作用是什么？,先了解一下电动机的历史：1821年英国人迈克尔法拉第发明电动机实验室模型。1838年，制造出世界上第一台实用直流电动机。1870年代初期，世界上最早可商品化的电动机问世。1888年，美国著名发明家尼古拉特斯拉应用法拉第的电磁感应原理，发明交流电动机，即为感应电动机。1902年，瑞典工程师丹尼尔森利用特斯拉感应电动机的旋转磁场观念，发明了同步电动机。,6.1.1电机的基本概念,请回答：汽车常用的电动机有哪些类型？,6.1.1电机的基本概念,请思考：电动机在电动汽车上的具体任务是什么？,电动机有轮毂电机、内转子电机、有单电机驱动、多电机驱动和组合电机驱动等。电动汽车的电机驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置(或直接)将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶人意志行驶，是电动汽车的关键系统之一。,6.1.1电机的基本概念,请说明：电机的关键参数有哪些？,什么是额定转速？什么是电机转矩？什么是功率？,6.1.1电机的基本概念,效率,效率指的电机有效输出功率与总功率之率，不同类型电机效率曲线不同。对于电动汽车而言，电机的效率可以表示为：=1Pm=P2m/P1m=（P1m-Pm）/P1m=1-Pm/P1m式中，Pm为电机总损耗，主要有机械损耗与铁芯损耗，这两种损耗也可以称为空载损耗或不变损耗。P2m为有效输出功率，P1m为实际输出功率。功率、转矩与转速之间的关系为：P=Tn/9550,直流永磁电机效率与功率,6.1.1电机的基本概念,电动汽车对电机的要求有哪些？,6.1.1电机的基本概念,通用Blot驱动电机,迈锐宝混合动力驱动电机,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,移动导体在磁场中运动并切割磁力线，“自由”电子被推到导体的一侧得到电荷差，因而产生电压，它可以用电压表来测量。运动的方向（或）水平向左或向右，从而得到一个电压，进而引起（产生）电流I。,移动导体在磁场中运动,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,判断电流在导体的运动方向，通常使用右手定则：磁场的磁力线垂直进入手掌。四指指向电流方向。拇指指向导线运动方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。这就是判定导线切割磁感线时感应电流方向的右手定则,右手定律,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,这样得到一个交流的电压。这种类型的电磁电压产生被称为感应运动或发电机原理，因为它是依据电动马达和发电机原理。,电磁感应运动,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,如果将模型生成器连接到示波器，会得到以下电压曲线。符合上面“导体回路与滑环在磁场中运动”的示意图。如下图5-13所示，导体回路的9个不同的位置，得到导体回路旋转一周所形成的电压曲线。在产生最大电压处，被切割的磁力线数量最多，即磁通量最大；曲线上电压的最小值，即过零点处，位于该位置。在这里，被切割的磁力线数量最少，即磁通量最小没有磁力线被切割。“+”表示正半波带，“-”表示负半波带。这对应于上述模型生成的导体回路的映射位置的九个位置90位置。导体环旋转一周对应于正弦曲线，如图所示。以正半周和负半周这样的组合是一个周期T。导体环旋转越快，在单位时间内产生的周期越多。每秒的周期数称为频率。导体环转速越快，增加的幅度越大时，电压越大。,6.1.1电机的基本概念,电机电磁理论基础,导体回路旋转一周形成的电压曲线,6.1.2直流电动机,请说明：直流电动机的基本结构有哪几个部分组成？,6.1.2直流电动机,什么是定子？什么是转子？作用是什么？请说明电磁感应的基本原理是什么？,6.1.2直流电动机,6.1.2直流电动机,直流电动机的工作原理,电机外圈主磁极固定南S、北N极永磁铁，之间安装空芯筒状电枢铁芯；铁芯与磁极间为气隙；铁芯空筒内安放电枢绕组；绕组两端接在换向器的半圆形铜片上；再由两个电刷A、B连接外电路；电机运转时电枢铁芯、电枢绕组及换向器旋转，而主磁极和电刷在空间固定不动。请思考并说明：如何把直流电能转换为机械能输出做功？请思考并说明：如何将电机轴上机械能转换为直流电能？,6.1.2直流电动机,直流电动机类型,直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。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，大功率电动机则采用绕组励磁式直流电动机。绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。,6.1.2直流电动机,什么是他励式直流电动机?什么是并励式直流电动机?什么是串励式直流电动机?什么是复励式直流电动机?,6.1.3交流三相感应电动机,交流电动机的类型有哪几种？,三相异步感应交流电动机有鼠笼式异步感应电动机（简称感应电动机）和绕线式异步感应电动机两种。鼠笼式感应电动机是应用最为广泛的电动机，三相异步感应电动机的定子和转子由层叠、压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。,6.1.3交流三相感应电动机,在电动汽车上，一般采用发电机或动力电池组作为电源。,三相异步感应电动机不能直接使用直流电源，另外，三相异步感应电动机具有非线性输出特性。在采用三相异步感应电动机时，需要应用逆变器中的功率半导体交换器件，将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，来实现对感应式电动机的控制。在混合动力汽车上，通常功率电路有以下三种基本形式：交-直逆变器系统；交-交变频器系统；交-直一交逆变器系统。,6.1.3交流三相感应电动机,请思考：同步电机与异步电机的工作特性有什么不同？,同步电机：电机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n1相等，即转子与定子旋转磁场在空间同步旋转；异步电机：n不等于n1，即转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步。,同步电机,异步电机,6.1.3交流三相感应电动机,三相异步感应电动机基本结构,三相异步感应电动机结构组成主要有定子、转子（层叠、压紧的硅钢片）、底座、支架、外壳、后保护罩和冷却风扇等。在转子和定子之间有一个非常小的空气气隙。根据电动机容量的不同，气隙一般在0.44mm的范围内。气隙过小，使电机装配困难，高次谐波磁场增强，附加损耗增加，启动性能变差以及运行不可靠。气隙过大，则电动机运行时的功率因数下降。,6.1.3交流三相感应电动机,三相异步电动机（交流电机）的工作原理,交流电机与直流电机均根据电磁力和电磁感应定律工作，区别主要是相对导体作用的磁场不同：前者为旋转磁场，而后者为静止磁场。U形磁铁以转速n0逆时针旋转，在磁感应强度B的磁场内，有效长度l的线圈导体将以速度v切割磁力线，则产生的感应电动势为e=Blv，方向按右手定则为图箭头所示。因线圈闭合而产生感应电流i，方向如图箭头所示。带电导体在磁场中受到的电磁力F=Bli，方向按左手定则为图箭头所示。线圈在旋转磁场电磁力F作用下，将按转速n逆时针旋转，且nn0。,6.1.3交流三相感应电动机,旋转磁场是如何产生的？,三相对称的交流电波形,不同时刻三相合成的旋转磁场位置,6.1.3交流三相感应电动机,iu，iv，和iw三相绕组的电流特性曲线，在给定时间t1t4内，电机三相绕组的电流特性和磁场变化,6.1.3交流三相感应电动机,速度和滑移,异步电机的运行方式决定了其速度必须低于旋转场的同步速度n0，以产生转矩。如果电机空载运行，怠速接近于同步速度。如果有负载，电机转速下降，其速度在额定负载下比同步速度低约5%-15%。这种表现称为滑移(slip)（公式符号s）。通常情况下，滑移被表示为相对于同步速度的偏移：s=(n0-n)/n0如果电机空载运行，其滑移接近于0；随着负载增加，滑移也增大，若电机停止，则滑移值达到1。,6.1.3交流三相感应电动机,交流异步电动机的控制方法。请说说矢量控制、直接转矩控制的方法是什么？,异步电动机是一个多变量（多输入、多输出）系统，其中变量电压（电流）、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以其又是强耦合的多变量系统。目前对异步电动机的调速控制主要有矢量控制、直接转矩控制、转速控制、变频恒压控制、自适应控制、效率优化控制等。,6.1.4永磁无刷直流电动机,什么是永磁无刷直流电动机？优点有哪些？,6.1.4永磁无刷直流电动机,无刷直流电动机结构组成与原理,6.1.4永磁无刷直流电动机,请说说无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑控制原理？,6.1.5永磁同步电机,什么是永磁同步电机？优点有哪些？,6.1.5永磁同步电机,请思考：永磁磁阻同步电动机有哪些工作特性？,6.1.5永磁同步电机,三相六状态BLDC工作原理,6.1.6开关磁阻电动机,什么是开关磁阻电动机？优点有哪些？,6.1.6开关磁阻电动机,开关磁阻电动机驱动系统主要由开关磁阻电动机、功率转换器、传感器和控制器四部分组成，开关磁阻电动机实现电能向机械能的转化。,功率转换器是连接电源和电动机的开关器件，用以提供开关电动机所需电能。传感器主要用来反馈位置及电流信号，并传送给控制器。,控制器是系统的中枢，起决策和指挥作用主要是针对传感器提供的转子位置、速度和电流反馈信息以及外部输入的指令，实时加以分析处理，进而采取相应的控制决策，控制功率转换器中主开关器件的工作状态以控制开关磁阻电动机。,6.1.6开关磁阻电动机,请分析下图，说说开关磁阻电动机的工作原理？,6.1.6开关磁阻电动机,开关磁阻电机的本体结构,6.1.6开关磁阻电动机,开关磁阻电动机双向控制系统,6.1.6开关磁阻电动机,6.1.7电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较,电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较,6.1.8电机冷却与电机过热处理,电机或控制器过热常见故障及维修分析,6.1.8电机冷却与电机过热处理,其他常见故障及维修,学习导航,6.2.1逆变器,请思考：什么是逆变器？有哪些类型？功能有哪些？,为了控制电动驱动电机的速度，逆变器被连接在直流电流或直流电压电路中间。该部件通常在作为汽车部件时被称为逆变器，也被曾为静态换流器或换能器。,6.2.1逆变器,逆变器的结构特征,除了电动发电机外，逆变器是所有三相驱动装置的必要部件。逆变器运用三路桥式电路，将直流电压变成具有可变电压等级、电流强度和可变频率的三相交流电，使电机用于加速或制动。在逆变器内，高压蓄电池的直流电压被分配在驱动电机的相连接上，从而产生三相电压系统。当电动发电机处于发电机模式时，电机产生的三相交流电压被转换成高压蓄电池充电所需的直流电压。在逆变器内部，高电压电池的直流电压被分配至驱动电机的相位接头上，以产生三相电压系统。当马达发电机运行在发电机模式下时，所产生的三相交变电压被转换为高电压电池充电所需的直流电压。同样，当需要控制电驱动电机的速度时，逆变器则被连接至一个直流电流或直流电压中间电路。,6.2.1逆变器,请分析下列图中的工作原理。,逆变器的基本控制技术全都由单相系统组成。将该电路扩展为三个半桥便生成一个三相系统。最简单类型的电路包括三相，基本频率控制或块交换。为了控制电动驱动电机的速，逆变器被连接至直流电流或直流电压中间电路。,逆变器控制输出频率,三相交变电压原理,6.2.1逆变器,逆变电路,逆变器的直流电压来自高压蓄电池和/或电动发电机经过整流的三相交流电压（母线电压UD）。逆变器为电机提供交流电压。其控制采用脉宽调制，为了使发动机运转，输出电流需要有可变的大小和频率。这种交流电流来自由逆变器转换的直流电压和直流电流。在中低功率区间，绝缘棚双极型晶体管（IGBTs）是逆变器的主要部件。续流二极管实现了电机和逆变器之间的无功功率交换。,6.2.1逆变器,请分析普锐斯变频器电路图解释其工作过程。,以普锐斯为例，在普锐斯II的HV电池直流额定电压为201.6伏，可以升压到最大直流输出电压为500V（在普锐斯III为650V）。电压升高后，逆变器将以交流变直流。电桥电路对MG1和MG2（功率晶体管，每个都有6个），和信号处理器/保护功能的处理器进行了整合，并在IPM（智能功率模块=智能功率放大器）共同提供驱动。,6.2.1逆变器,DC-DC转换器电动汽车上的应用，请说明DC-DC转换器的工作原理是什么？,6.2.1逆变器,请分析DC-DC主回路原理说明其工作原理。,6.2.1逆变器,请分析下列电路图说明并励电动机的控制原理,6.2.1逆变器,请分析DCDC常见故障类型有哪些？,6.2.1逆变器,请分析DC/AC常见问题有哪些？,6.2.2脉宽调制,请说明脉宽调制(PWM)基本原理是什么？请引例说明。,对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率