第3章电驱动系统

1、13.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求3.2 直流电动机驱动直流电动机驱动3.3 感应电动机驱动感应电动机驱动3.4 永磁无刷直流电动机驱动永磁无刷直流电动机驱动3.5 开关磁阻电动机驱动开关磁阻电动机驱动第三章第三章 电驱动系统电驱动系统3.6 永磁直流无刷电机驱动控制永磁直流无刷电机驱动控制2THS IITHS II系统的变速驱动桥系统的变速驱动桥发电机发电机电动机电动机行星齿轮行星齿轮减速机构减速机构发动机发动机电动机驱动系统电动机驱动系统电气电气机械机械电动机电动机功率变换器功率变换器控制器控制器机械传动机械传动装置装置车轮车轮传感器传感器连接电路连接电路处

2、理器处理器43.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求驱动电动机驱动电动机有换向器有换向器无换向器无换向器自励自励他励他励感应电动机感应电动机同步电动机同步电动机永磁无刷永磁无刷直流电动机直流电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机永磁混合电动机永磁混合电动机53.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求（1）过载能力强）过载能力强 具有具有4-5倍的过载能力从而满足启动、倍的过载能力从而满足启动、加速以及爬坡时对驱动功率的要求。加速以及爬坡时对驱动功率的要求。（2）调速范围宽）调速范围宽 在一般要求最高转速达到基速的在一般要求最高转速达到基速的4-5倍。倍

3、。（3）高比功率和效率）高比功率和效率 在一般要求高比功率，即最大功率在一般要求高比功率，即最大功率与车重之比要高；高效率，一般电机效率为与车重之比要高；高效率，一般电机效率为60-80%。（4）体积小重量轻）体积小重量轻 在一般为工业用电机的在一般为工业用电机的1/3-1/2。（5）可靠性好）可靠性好 能够在较恶劣的环境下长期工作。能够在较恶劣的环境下长期工作。63.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求73.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求特斯拉特斯拉P100D，三相，三相4极异步电动机，双电机，最大功率极异步电动机，双电机，最大功率568

4、kW，最高车速，最高车速250km/h，百公里加速，百公里加速2.7s。83.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求秦秦 EV300 永磁同步电机，最大功率永磁同步电机，最大功率160kW，最高车速，最高车速150km/h，百公里加，百公里加速速7.9s93.1 新能源汽车电驱动系统特性要求新能源汽车电驱动系统特性要求普锐斯普锐斯 永磁同步电机，最大功率永磁同步电机，最大功率60kW，前置前驱，前置前驱103.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 直流电机直流电机是实现直流电能与机械能互相转换的是实现直流电能与机械能互相转换的电动机。电动机。 通常情况下同一台直流电机，既可以

5、作为直流电通常情况下同一台直流电机，既可以作为直流电动机运行，又可以作为直流发电机。动机运行，又可以作为直流发电机。113.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 直流电动机主要有直流电动机主要有定子定子和和转子转子组成，定子和组成，定子和转子之间的间隙称为转子之间的间隙称为气隙气隙。123.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 定子部分定子部分是主要由主磁极、机座、换向极和电是主要由主磁极、机座、换向极和电刷等构成。刷等构成。主磁极主磁极：其主要作用是建立主磁场。其主要作用是建立主磁场。励磁绕组励磁绕组主极铁心主极铁心机座机座机座机座：用铸钢或者厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，用铸钢或者厚钢板焊

6、接而成，它既是主磁路的一部分，又是电动机的结构框架。又是电动机的结构框架。133.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 定子部分定子部分是主要由主磁极、机座、换向极和电是主要由主磁极、机座、换向极和电刷等构成。刷等构成。换向极换向极：其主要作用是改善直流电动机的换向性能，使直流电动机运行其主要作用是改善直流电动机的换向性能，使直流电动机运行时不产生有害的火花。一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和绕组时不产生有害的火花。一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和绕组构成，换向极的数目与主磁极数目相等。构成，换向极的数目与主磁极数目相等。换向极铁心换向极铁心换向极绕组换向极绕组143.2 直流电

7、动机驱动直流电动机驱动 定子部分定子部分是主要由主磁极、机座、换向极和电是主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等构成。刷装置等构成。电刷装置电刷装置：主要由电刷、刷握、刷杆等构成，用于直流电的引入或引出。主要由电刷、刷握、刷杆等构成，用于直流电的引入或引出。刷握刷握电刷电刷压紧弹簧压紧弹簧153.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 转子部分转子部分是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器等构成。器等构成。电枢铁心电枢铁心：是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。由硅钢片冲是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。由硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，其固定在转轴或转子支架上

8、。制而成的冲片叠压而成，其固定在转轴或转子支架上。163.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 转子部分转子部分是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器等构成。器等构成。电枢绕组电枢绕组：是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电动机进行能量变换是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电动机进行能量变换的关键部件。是由铜线按一定规律绕制而成。的关键部件。是由铜线按一定规律绕制而成。173.2 直流电动机驱动直流电动机驱动 转子部分转子部分是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向是主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器等构成。器等构成。换向器换向器：由梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。由

9、梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。183.2 直流电动机驱动直流电动机驱动电磁力电磁力 F=BILabcd L为为ab间导线的长度间导线的长度转矩转矩 T=BILDcos D为为bc间导线的长度，间导线的长度， 为线为线圈平面与磁场之间的夹角圈平面与磁场之间的夹角AB12193.2 直流电动机驱动直流电动机驱动（1）他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：aII aIIGUfIFfU203.2 直流电动机驱动直流电动机驱动（1）他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。他励直流发电机的电枢电流和负载电流相

10、同，即：aII aIIGUfIFfU（2）并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足 fIFIGUaI（3）串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足IIIfaGIaIfIFU（4）复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF积复励积复励差复励差复励Ia=I+If223.2 直流电动机驱动直流电动机驱动+-+-RaIameKERa为电枢回路的电阻为电枢回路的电阻VanCEe电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势E。Ce为电机的结构常数（电动势常数）为每极磁通量结论结论: :直流电

11、机的电枢电动势与每极的磁通量和转速的乘积成正比。n为电枢转速aaaIREV 当电枢绕组中有电流流过时当电枢绕组中有电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该力与电枢铁心半径之积称为该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩电磁转矩。aMICM式中CM为结构常数（电磁转矩常数）eMCC55. 9 结论：结论：电磁转矩与电枢电流和每极磁通量的乘积成正比。转速特性（1）他励（并励）直流电动机的运行特性由方程式可得aeaeaICRCVnaI0)(aIfn2MMn 从上图中可以看出，并励电动机转速随负载电流变化不大，故称为硬特性 ，这是并励和他励具有优良的调速性能。 注意：并励电动机的

12、励磁回路不能断开。如果断开， =剩 ，由于剩很小，当电动机轻载时，其转速将急剧上升，出现“飞速”现象。（1）他励（并励）直流电动机的运行特性aI0)(aIfn2MMn 从上图中可以看出，转矩特性是一条过原点的直线。转矩特性根据转矩表达式 ,MIa 。 aMICM1.1.直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性（1）他励（并励）直流电动机的运行特性 机械特性机械特性2MEaEaCCMRCVn 由此可见，随着电磁转矩M的增大，转速n是一条略有下降的直线，如右图所示。Mn00nNnNMNn（2）串励直流电动机的运行特性转速特性afIII根据串励电动机的电路特点，得aaaRIEU由电压平衡方程可得：E

13、aaENCIRCUn当磁路不饱和时， ，所以aKIKCRKICVKICIRKICVnEaaEaaEaaaEaaI0nMn M（2 2）串励直流电动机的运行特性）串励直流电动机的运行特性转矩特性转矩特性aI0nMn M 根据 ，式中 ，由此可分两种情况讨论：当磁路不饱和时， 所以 ，由此可见，转矩特性为抛物线；当磁路饱和时，基本不变转矩特性为一上升的直线。 aMICM)()(afIfIfaKI2aMKICM aMICM（2 2）串励直流电动机的运行特性）串励直流电动机的运行特性机械特性机械特性当磁路不饱和时， ， ，所以aKI2aMKICM KCMIMa将 代入转速公式，可得aIbMaUKCRM

14、KCKCUKCRKICUnNEaMENEaaEN式中， ，KCKCaMEKCRbEa0)(Mfn nM调速方法调速方法 根据转速公式 可得调速方法有三种：EaaEaCIRCVn（1）电枢回路串电阻调速）电枢回路串电阻调速 电枢回路串电阻调速的规律是：所串电阻越大，转速越低。这种方法设备简单，调速方便，但技术指标和经济性能较差，一般不使用。 （3）励磁调速）励磁调速 这种方法是减小磁通，调节电动机的转速。一般适合电动机转速为基数以上的控制，可保持恒功率调速。 （2）调压调速）调压调速 其基本规律是：电压与转速成正比。只适合电动机基速以下的转速控制，可保持转矩不不变。EaaENCIRCUn转矩转矩

15、功率功率基速基速电压电压励磁励磁直流斩波电路（直流斩波电路（DC ChopperDC Chopper）将直流电压变为另一固定电压或可调电压的直流电压。将直流电压变为另一固定电压或可调电压的直流电压。也称为也称为直流直流-直流直流变换器（变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。 通过周期地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列通过周期地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，改变这一脉冲列的的脉冲电压，改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率脉冲宽度或频率及可以及可以实现实现输出电压平均值输出电压平均值的调节。的调节。3.2.3 直流电动机斩波控制直流电动机斩波控

16、制电路的类型电路的类型6 6种基本斩波电路种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、升降压斩波电路、CukCuk斩波电路、斩波电路、SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路。斩波电路。直流斩波电路（直流斩波电路（DC ChopperDC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为也称为直流直流-直流直流变换器（变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。一般指一般指直接直接将直流电变为另一直流电，不包括直流将直流电变为另一直流电

17、，不包括直流交交流流直流直流。 电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。3.2.3 直流电动机斩波控制直流电动机斩波控制电路结构电路结构 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper) 电感、电容电感、电容：使电路中的电流、电压连续且脉：使电路中的电流、电压连续且脉动小，即为滤波作用。动小，即为滤波作用。 全控型器件全控型器件 IGBT续流二极管续流二极管负载负载出现出现的反的反电动电动势势GCEC

18、RU0+-Ui3.2.3 直流电动机斩波控制直流电动机斩波控制IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅双极型晶体管：（1） 一般仅作为一般仅作为开关开关来使用，来使用，不具有电路放大的作用。不具有电路放大的作用。（2）适用于电压）适用于电压600V以上的以上的变流系统，即变流系统，即高压开关高压开关。（3）驱动电压一般大于）驱动电压一般大于6V，在在12-15V之间。之间。栅极栅极集电极集电极发射集发射集EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)b)电流连续时的波形电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10

19、I20t1uoa) 电路图电路图工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=ui，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。Uoui负载电压平均值：t tononVV通的时间通的时间 t toffoffVV断的时间断的时间 a-a-导通占空比导通占空比iiiUUTtUtttUonoffonono总结：总结：通过导通比在通过导通比在0-10-1之间控制，负载电压可以之间控制，负载电压可以从从0-Ui0-Ui之间变化，从而将一固定电压的直流电源变之间变化，从而将一固定电压的直流电源变为可变的直流电压。为可变的直

20、流电压。斩波电路控制方式斩波电路控制方式时间比率控制（时间比率控制（TRCTRC）（1 1）固定频率：）固定频率：T T不变，变不变，变t ton on 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWMPWM）。）。（2 2）变频：）变频：t tonon不变，变不变，变T T 频率调制。频率调制。此种方式应用最多限流控制（限流控制（CLCCLC） 通过将负载电流在特定的最大值和最小值之间来间接控制。通过将负载电流在特定的最大值和最小值之间来间接控制。当负载电流达到设定的最大值时，开关切断负载与电源的连接，当负载电流达到设定的最大值时，开关切断负载与电源的连接，而当负载电流达到设定的最小值时，开关重新将负载与电

21、源连接而当负载电流达到设定的最小值时，开关重新将负载与电源连接。实际上是一种。实际上是一种变频变脉宽调制变频变脉宽调制。总结：总结：（1 1）电路中存在谐波成分，电路中有）电路中存在谐波成分，电路中有LCLC滤波器，一般工滤波器，一般工作在高频下。作在高频下。（2 2）仅能提供正电压和正电流，为单象限斩波器，即在）仅能提供正电压和正电流，为单象限斩波器，即在第一象限正转速、正转矩的情况下，进行电机控制。第一象限正转速、正转矩的情况下，进行电机控制。例：在降压斩波电路中，已知例：在降压斩波电路中，已知Ui=200V，R=10，L极大，极大，T=50us，Ton=20us，计算输出电压平均值，计算

22、输出电压平均值Uo，输出电路平均值。，输出电路平均值。S导通时，导通时，L储能；电容给负载供电；储能；电容给负载供电；S关断时，关断时，L释放能量，电源与释放能量，电源与UL一起给电容充电，并给负载供电。一起给电容充电，并给负载供电。 升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper） 电路结构电路结构Sg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t20tiodiVDoiSSuLCRLidUoUVisVoVSisSab假设电容假设电容C的电容量足够大，从而使的电容量足够大，从而使负载端电压负载端电压V0保持保持不变：不变：升压斩波电路之所以能够升升压斩波电路之所以能够升压压的原

23、因的原因：一是电感：一是电感L储能之储能之后具有使电压泵升的作用，后具有使电压泵升的作用，二是电容二是电容C可将输出电压保持可将输出电压保持住。住。Sg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t20tiodiVDoiSSuLCRLidUoUVisVoVSisSab1100VdtvTVTababTiiLssLdiTdtdtdiLTV001111端点端点a,ba,b间的平均电压间的平均电压电感电感L L上的平均电压上的平均电压电源电压电源电压 110VV例：在升压斩波电路中，已知例：在升压斩波电路中，已知Vi=50V，R=20，L和和C极大，极大，T=40us，Ton=25us，计算

24、输出电压平均，计算输出电压平均值值Vo，输出电路平均值。，输出电路平均值。3.2.4 斩波馈电直流电动机多象限控制斩波馈电直流电动机多象限控制wT正转，电动机正转，电动机正转制动，正转制动，发电机发电机反转制动，反转制动，发电机发电机反转，反转，电动机机电动机机正转和正转再生制动的两象限控制正转和正转再生制动的两象限控制1 1）含换向开关的单个斩波器）含换向开关的单个斩波器正转：正转：u C闭合，闭合，S周期性闭合打开周期性闭合打开正转制动：正转制动：u C打开，打开，S闭合，闭合，RS换向换向电枢电枢开关开关VD1电枢电枢电枢电枢VD2VVD1电枢电枢u C打开，打开，S打开，打开，RS换向

25、换向VD2VVD1正转和正转再生制动的两象限控制正转和正转再生制动的两象限控制2 2）C C型两象限斩波器型两象限斩波器电路结构：电路结构：iaS1S2VV0isuV1和和VD1构成斩波电路，构成斩波电路，电动机为正转运行（电动）电动机为正转运行（电动）uV2和和VD2构成斩波电路，构成斩波电路，电动机作再生制动运行电动机作再生制动运行工作过程：工作过程：u两种工作情况：正转和制两种工作情况：正转和制动动u第三种：一个周期内交替第三种：一个周期内交替正转和制动。正转和制动。四象限运行四象限运行电路结构：电路结构：u桥式可逆斩波电路：桥式可逆斩波电路： 将两个将两个C型斩波器组合起来，分别提供正

26、向和型斩波器组合起来，分别提供正向和反向电压。反向电压。工作过程：工作过程：uV4闭合：闭合：V1、VD1和和V2、VD2提供正电压提供正电压uV2闭合：闭合：V3、VD3和和V4、VD4提供负电压提供负电压483.2 感应电动机驱动感应电动机驱动 感应电机是由于旋转磁场与转子绕组相互作用产感应电机是由于旋转磁场与转子绕组相互作用产生电磁转矩，从而实现电能转化为机械能的一种交流生电磁转矩，从而实现电能转化为机械能的一种交流电机。电机。 按转子的结构分为：按转子的结构分为： 鼠笼式鼠笼式 绕线式绕线式（1）无换向器）无换向器（2） 结构简单、重量轻、成本低、高效率。结构简单、重量轻、成本低、高效

27、率。 感应电动机的构造感应电动机的构造1轴承；轴承；2前端盖；前端盖；3转轴；转轴；4接线盒；接线盒；5吊环；吊环；6定子铁心定子铁心7转子；转子；8定子绕组；定子绕组；9机座；机座；10后端盖；后端盖；11风罩；风罩；12风扇风扇下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。感应电动机的构造感应电动机的构造 51 定子部分定子部分是主要外壳、定子铁心、定子绕组等是主要外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。部分组成。定子铁心定子铁心：异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，厚表面涂有绝缘漆

28、的薄硅钢片叠压而成， 。外壳外壳：外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。定子绕组定子绕组 如三相电动机有三相绕组，如三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差即为一相，每个绕组在空间相差120120电角度。电角度。 定子三相绕组的六个出线端定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为都引至接线盒上，首

29、端分别标为U U1 1, V, V1 1, W, W1 1 ，末端分别标为，末端分别标为U U,2 ,2 V V2, 2, WW2 2 。这六个出线端在接线盒里的。这六个出线端在接线盒里的排列如图所示，可以接成星形或排列如图所示，可以接成星形或三角形。三角形。（a）星形连接）星形连接 （b）三角形连接三角形连接 定子绕组定子绕组54 转子部分转子部分是主要由转子铁心、转子绕组等构成。是主要由转子铁心、转子绕组等构成。转子铁心转子铁心： 是用是用0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用

30、来安放转子绕组。铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。55 转子部分转子部分是主要由转子铁心、转子绕组等构成。是主要由转子铁心、转子绕组等构成。转子绕组转子绕组：异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。在转子铁心的每一个槽中插入一根铜线转子异步电动机与笼形异步电动机。在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，三相异步电动机的基本原理n基本原理基本原

31、理在在定子定子绕组中，通入三相绕组中，通入三相交流电所产生的交流电所产生的旋转磁场旋转磁场与与转子转子绕组中绕组中的的感应电流感应电流相互作用产生的相互作用产生的电磁力电磁力形成形成电磁转矩电磁转矩，驱动转子转动驱动转子转动，从而使电动，从而使电动机工作机工作。磁极旋转磁极旋转导线切割磁力线产生导线切割磁力线产生感应电动势感应电动势vlBe导线长度导线长度磁感应强度磁感应强度切割速度切割速度（右手定则）（右手定则）闭合导线产生电流闭合导线产生电流 i（左手定则）（左手定则）通电导线在磁场中受力通电导线在磁场中受力ilBFn0neiNSF1. 线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转两者转动方向一致两者转动

32、方向一致 结论：结论：异步异步2. 线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢0nnn0neiNSf旋转磁场的产生ABCBC在异步机中在异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极旋转磁场代替了旋转磁极AiBiCimIt0n()电流出电流出( )电流入电流入A240sin120sinsintIitIitIimCmBmA0tAABCBCNSAiBiCimItBiAABBCCAiCi合成磁场方向：合成磁场方向：向下向下180tABC0nABC 60tAABCBCSN0n60A120tABCBC0n同理分析，可得同理分析，可得其它电流角度下其它电流角度下的磁场方向：的磁场方向：AiBiCitmIAU1V1W1U2V2W2

33、NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS三相异步电动机的同步（旋转磁场）转速：三相异步电动机的同步（旋转磁场）转速：分）转/( 600pfn 2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速)50(Hzf 0n3p120分）转/( 0001电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：电动机转速电动机转速:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步异步电动机电动机0n

34、n%10000nnnsS S转差率转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 即：即：)1 (60spfn电动机转速电动机转速调速方法：调速方法：1 1 改变异步电机定子绕组的极对数改变异步电机定子绕组的极对数P P，以改变定，以改变定子旋转磁场转速，即变极调速（不能均匀调速）。子旋转磁场转速，即变极调速（不能均匀调速）。2 2 改变电动机所接电源的频率以改变转速，即变改变电动机所接电源的频率以改变转速，即变频调速。频调速。3 3 改变电动机的转差率。改变电动机的转差率。无转距无转距转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导

35、体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果0nnnn0相对速度为负，感生电压和感生电流都反向，相对速度为负，感生电压和感生电流都反向，再生制动再生制动变频调速特性基速基速图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsnOU Us s定子相电压；定子相电压；f fs s定子频率；定子频率； f fslsl转差频率；转差频率；I Is s、I Ir r、I Im m分别为定子电流、折算到定子侧的转子电分别为定子电流、折算到定子侧的转子电流和励磁电流；流和励磁电流； E Eg g感应电动势；感应

36、电动势；ss转差率，转差率，s=fs=fslsl/f/fs s；3.3.2 稳态性能稳态性能一相等效电路一相等效电路R Rs s、X Xlsls定子定子绕组电阻和漏抗；绕组电阻和漏抗；R Rr r、X Xlrlr折算到定子侧的折算到定子侧的转子转子绕组电阻和漏抗；绕组电阻和漏抗； R Rm m、X Xm m激磁激磁电阻和电抗。电阻和电抗。 其中，其中，U Us s、I Is s是可检测的外部输入量，是可检测的外部输入量，E Eg g、E Er r、I Ir r是不是不可检测的内部物理量，可检测的内部物理量，s s是决定负载转矩和各种控制方式是决定负载转矩和各种控制方式的调节变量。的调节变量。

37、定子每相电动势定子每相电动势mNssgSkNfE44. 4 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值(V)； gE定子频率(Hz)； sf定子每相绕组串联匝数； sN定子基波绕组系数； Nsk每极气隙磁通量(Wb)。 m 在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量 m m 为额定值不变为额定值不变。 n 如果磁通如果磁通太弱太弱，没有充分利用电机的铁心，是一，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；种浪费；n 如果如果过分增大磁通过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机过大的励磁电流，严重

38、时会因绕组过热而损坏电机在基速以下的变频调速：在基速以下的变频调速：3.3.3 恒压频比控制恒压频比控制 msEmsNssgfCfkNE44. 4sEgmfCE得：得： 恒压频比的控制方式（基速以下）恒压频比的控制方式（基速以下） 感应电动势是难以直接控制的，当电动感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压压降，而认为定子相电压 ，则 这是恒压频比的控制方式这是恒压频比的控制方式gsEU 常值1fUs 2222)()(2lrlsrsrssspeXXsRsRRsffUmnT）（变频调速异步电动机的转矩公式变

39、频调速异步电动机的转矩公式当当s s很小（很小（s s0.050.05）时）时sslrssspesffRffUmnT122）（ 在上述恒压频运行过程中，随着频率和电机转速的上在上述恒压频运行过程中，随着频率和电机转速的上升，定子电压也相应提高，电动机的输出功率增大。当频升，定子电压也相应提高，电动机的输出功率增大。当频率上升到基准频率后，定子电压的提高受到变频器最大输率上升到基准频率后，定子电压的提高受到变频器最大输出电压和电机额定电压的限制，不能进一步提高。出电压和电机额定电压的限制，不能进一步提高。 因此当电机运行于因此当电机运行于高于基频的速度时，只能保持定子高于基频的速度时，只能保持定

40、子电压不变。电压不变。此后电动机将运行于磁场被削弱的工况下此后电动机将运行于磁场被削弱的工况下( (弱磁弱磁控制控制) )，最大转矩也随着频率的增加而减小。，最大转矩也随着频率的增加而减小。弱磁控制（用于基频以上的变频调速）弱磁控制（用于基频以上的变频调速）mNssgSkNfE44. 42222)()(2lrlsrrssspeXXsRRsffUmnT）（弱磁控制时电机转矩弱磁控制时电机转矩(1)(1)恒功率区恒功率区电机的电磁转矩电机的电磁转矩：当当s s很小时转矩近似与转差频率成正比，与定子频率的平很小时转矩近似与转差频率成正比，与定子频率的平方成反比。方成反比。 ssrssspesffRf

41、fUmnT1122）（当当s s很小（很小（s s0.050.05）时）时sslsseslssspeffKUfTffUfmnT222得恒功率运行条件：得恒功率运行条件：.2constffUssls恒功运行条件推导：恒功运行条件推导：即：转差频率与定子频率线性增加。即：转差频率与定子频率线性增加。功率功率P 弱磁控制控制弱磁控制控制(2)(2)自然特性控制自然特性控制.constfconstUslsUsTefslfssslsseslssspeffKUfTffUfmnT222 在高速区域范围内，超出恒功率区，当转差频率达在高速区域范围内，超出恒功率区，当转差频率达到极限值时，电机的输出功率下降。到

42、极限值时，电机的输出功率下降。 列车变频调速系统的调节特性列车变频调速系统的调节特性: :通常，电力牵引运行可分为如下通常，电力牵引运行可分为如下3个运行调节区：个运行调节区： 起动加速区（一般为恒转矩区）；起动加速区（一般为恒转矩区）； 恒功率运行区恒功率运行区 高速区（一般为自然特性区）高速区（一般为自然特性区）f fb bf fmcmcf fs s0 0转矩转矩T Te e 定子电压定子电压U Us s 转差频率转差频率f fslslTe1 1fs1 1fs2Te恒转矩恒转矩恒功恒功自然特性自然特性变频调速系统的调节特性变频调速系统的调节特性(运行特性运行特性)功率功率P P 基频以下基

43、频以下恒转矩区恒转矩区，转差频率保持恒定，定子电压随定，转差频率保持恒定，定子电压随定子频率的增加而增加，维持磁通恒定；子频率的增加而增加，维持磁通恒定； 基频以上基频以上恒功区恒功区，定子电压保持额定，转差频率随定子，定子电压保持额定，转差频率随定子频率线性增加；频率线性增加； 基频以上基频以上高速区高速区，定子电压保持额定、转差频率保持，定子电压保持额定、转差频率保持最大值，功率下降。最大值，功率下降。总结：总结：作业：1 根据根据C型两象斩波器，分别描述直流电机正转和正转制型两象斩波器，分别描述直流电机正转和正转制动的电路工作方式。动的电路工作方式。2 对于感应电机，在基速以下变频调速时

44、，为什么要对电对于感应电机，在基速以下变频调速时，为什么要对电机的定子电压和频率进行协调控。机的定子电压和频率进行协调控。3 对于感应电机在恒功率区为什么会出现弱磁现象。对于感应电机在恒功率区为什么会出现弱磁现象。3.3.4 电力电子控制电力电子控制 作为电动汽车和混合动力电动汽车的动力，作为电动汽车和混合动力电动汽车的动力，感应电动机通常由一直流电源供电，该电源的感应电动机通常由一直流电源供电，该电源的端电压近似为恒定值。端电压近似为恒定值。 因此，需要为感应电动机配置一个可变频因此，需要为感应电动机配置一个可变频率和电压的率和电压的DC/ACDC/AC逆变器。逆变器。三相桥式PWM逆变器主

45、电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2AVBVCVtmV正弦正弦PWM：nPWM(Pulse Width Modulation)PWM(Pulse Width Modulation) n脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值形状和幅值) )。若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波OutOut重要理论基础：重要理

46、论基础：面积等效原理面积等效原理OtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。PWM调制原理 期望波形期望波形：逆变器的期望输出波形为正弦波作为逆变器输出的期望波形， 载波载波：频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave）， 调制波调制波：并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave）。 当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边

47、窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。SPWM模拟实现三相对称的参考正弦电压调制信号 、 、 由正弦波发生器产生,其频率和幅值都是可调的。三角载波信号 由三角波发生器提供，三相共用。分别与每相调制信号通过比较器进行比较，输出SPWM脉冲序列波，作为逆变器开关器件的驱动信号。 curUurburcu正弦波发生器三角波发生器cauccucbutriu驱动开关器件(SPWM波)raurburcucu计算法和调制法计算法和调制法图图7-7 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图7-8 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相桥式三相桥式PWM逆变电路（调制逆变电路（调制法）法） 采

48、用双极性控制方式。采用双极性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通控制通常公用一个三角波载波常公用一个三角波载波uc，三相的，三相的调制信号调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120。 电路工作过程（电路工作过程（U U相为例）相为例） 当当u urUrUuuc c时，上桥臂时，上桥臂V V1 1导通，下桥臂导通，下桥臂V V4 4关断关断，则，则U U相相对于直流电源假想中点相相对于直流电源假想中点NN的输出的输出电压电压u uUNUN=U=Ud d/2/2。 当当u urUrUuuc c时，时，V V4 4导通，导通，V V1 1关断，则关断，则u uUNUN=-=-

49、U Ud d/2/2。 V V1 1和和V V4 4的驱动信号始终是互补的。的驱动信号始终是互补的。 当给当给V V1 1(V(V4 4) )加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V V1 1(V(V4 4) )导导通，也可能是二极管通，也可能是二极管VDVD1 1(VD(VD4 4) )续流导通，这要续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。由阻感负载中电流的方向来决定。 u uUNUN、u uVNVN和和u uWNWN的的PWMPWM波形都只有波形都只有U Ud d/2/2两种电平两种电平。 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三

50、相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 输出线电压输出线电压PWM波由波由Ud和和0三种电平构成。三种电平构成。 当臂当臂1和和6导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂3和和4导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂1和和3或臂或臂4和和6导通时，导通时，uUV=0。 负载相电压负载相电压uUN可由下式求得可由下式求得 3WNVNUNUNUNuuuuu负载相电压的负载相电压的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。 为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通

51、断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间。 频率：频率： 电动机端电压的基波频率与正弦波基准电压的频电动机端电压的基波频率与正弦波基准电压的频率相同，所以通过调整正弦波的频率从而改变电动率相同，所以通过调整正弦波的频率从而改变电动机端电压的频率。机端电压的频率。电压：电压： 正弦波与三角载波的幅值比正弦波与三角载波的幅值比m称作调制指数。称作调制指数。mAAm 22dfmUU问题的提出问题的提出 直流电动机虽然具有优良的直流电动机虽然具有优良的调速调速和和起动特性起动特性，但，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会由于存在电刷

52、和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。 近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。机。3.4 永磁无刷直流电动机驱动永磁无刷直流电动机驱动有刷直流电动机工作原理有刷直流电动机工作原理磁极静止，电枢旋转磁极静止，电枢旋转 f=IBl f=IBla a，这个力形成，这个力形成电磁转矩；电磁转矩；根据左手定则，线圈根据左手定则，线圈在这个转矩作用下将在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转；按逆时针方

53、向旋转；当载流导体转过当载流导体转过180180度后，借助电刷度后，借助电刷- -换换向片改变导体中电流向片改变导体中电流方向。方向。无刷直流电动机原理无刷直流电动机原理电枢静止，磁极旋转，且电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的；电子开关线路来实现的；所以，无刷直流电动机一所以，无刷直流电动机一般都是由般都是由电动机电动机、位置传位置传感器感器和和电子开关线路电子开关线路三部三部分组成。分组成。无刷直流电动机原理图无刷直流电动机原理图定子绕组定子绕组永磁体永磁体传动轴传

54、动轴传感器传感器定子绕组定子绕组传感器传感器永磁体永磁体定子绕组定子绕组传感器传感器无刷直流电机内部结构示意图永磁体永磁体定子绕组定子绕组传感器传感器定子定子 定子铁心和定子绕组，与感应电机类似，在铁芯定子铁心和定子绕组，与感应电机类似，在铁芯中嵌入多相绕组。绕组可以接成星行或三角形，并且中嵌入多相绕组。绕组可以接成星行或三角形，并且与逆便器的各功率管相连并换相。与逆便器的各功率管相连并换相。转子转子（1 1）表面式安装：构造简单，但是在高速时，永磁体）表面式安装：构造简单，但是在高速时，永磁体可能飞离转子。可能飞离转子。转子转子（2 2）嵌入式安装：永磁体嵌入在转子内部，适用于高）嵌入式安装

55、：永磁体嵌入在转子内部，适用于高速场合。速场合。转子转子（3 3）插入式安装：每个永磁体装配在转子槽内部，适）插入式安装：每个永磁体装配在转子槽内部，适用于高速场合。用于高速场合。永磁体永磁体 能够长期保持磁性的磁体称为永磁体。常用能够长期保持磁性的磁体称为永磁体。常用的由此材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁的由此材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。料。 稀土永磁材料（钕铁硼、钐钴等）为电动汽稀土永磁材料（钕铁硼、钐钴等）为电动汽车常用的永磁材料。车常用的永磁材料。n光电式位置传感器光电式位置传感器 利用

56、光电效应进行工作，由发光二极管、光敏接收元件利用光电效应进行工作，由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成。、遮光板组成。转子位置传感器：光电器件和霍尔器件n光电式位置传感器光电式位置传感器 利用光电效应进行工作，由发光二极管、光敏接收元件利用光电效应进行工作，由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成。、遮光板组成。 特点：轻便可靠，安装精度高，调整方便，获得广泛的应用。特点：轻便可靠，安装精度高，调整方便，获得广泛的应用。转子位置传感器永磁无刷直流电动机的原理框图永磁无刷直流电动机的原理框图直流电源电子开关电动机位置传感器 输出CCABAB开关开关V1和和V6导通导通A相电流为正；相电流为正；B

57、相电流为负；相电流为负；C相电流为零。相电流为零。NSCCABAB开关开关V1和和V2导通导通A相电流为正；相电流为正；B相电流为零；相电流为零；C相电流为负。相电流为负。NSCCABAB开关开关V3和和V2导通导通A相电流为零；相电流为零；B相电流为正；相电流为正；C相电流为负。相电流为负。NS二相导通星形三相六状态二相导通星形三相六状态二相导通星形三相六状态二相导通星形三相六状态定子合成磁场为跳跃式旋转，步进为定子合成磁场为跳跃式旋转，步进为60度度，即，即1/6周期。周期。每转每转60度度，逆变器开关管换流一次，有，逆变器开关管换流一次，有六个六个状态。状态。基本方程基本方程 永磁无刷直

58、流电动机的基本物理量有：反电势、电枢电流永磁无刷直流电动机的基本物理量有：反电势、电枢电流、电磁转矩、转速等。它们的表达式与电机气隙磁场分布绕、电磁转矩、转速等。它们的表达式与电机气隙磁场分布绕组形式密切相关。组形式密切相关。U+-+-raLaE假设条件：假设条件：（1 1）忽略电枢绕组的电感，电枢电流可以突变；）忽略电枢绕组的电感，电枢电流可以突变；（2 2）不考虑开关管导通和关断动作的过渡过程，认）不考虑开关管导通和关断动作的过渡过程，认为每一相电流是瞬时产生和关断的。为每一相电流是瞬时产生和关断的。每相绕组上的感应电动势（线电势）每相绕组上的感应电动势（线电势）eECn每个导通时间内有以

59、下电压平衡方程每个导通时间内有以下电压平衡方程则则电机的电磁转矩：电机的电磁转矩：则则eTaTCI2. 机械特性eTeaeTCCrCUUn222机械特性曲线 调节特性曲线 1. 速度控制速度控制 通过脉宽调制（通过脉宽调制（PWM）方法改变电）方法改变电压大小实现速度调节。压大小实现速度调节。ZAXBYCnNS2. 正、反转控制正、反转控制有刷电机：有刷电机：改变励磁磁场的极性或电改变励磁磁场的极性或电枢电压的极性。枢电压的极性。无刷电机：无刷电机：原理相同，但因功率管的原理相同，但因功率管的单向导电性，不能靠简单地改变电源单向导电性，不能靠简单地改变电源电压极性使电机反转，而是通过改变电压极

60、性使电机反转，而是通过改变绕组的通电顺序来改变电机转向。绕组的通电顺序来改变电机转向。ZAXBYCnNS二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系正转正转反转反转H1H2H3导通管导通管H1H2H3导通管导通管101V1V2101V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V6永磁无刷直流电机的优点永磁无刷直流电机的优点（1）高效率：因为采用永磁体，没有功率消耗，没）高效率：因为采用永磁体，没有功率消耗，没有机械式换向器和电刷意味着机械摩擦损耗低，因此有机械式换向器和电刷意味着机械摩擦损耗低