驱动电动机及其控制系统ppt课件.ppt

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1、电动汽车应用技术,2022年12月27日,一、概述,动力电源,驱动控制器,驱动电机,变速器,车轮,加速踏板,制动踏板,电动汽车驱动系统框图,1、电动汽车驱动系统的组成和特点,一、概述,2、电动汽车驱动系统的组成和特点,（1）要求电动机应具有较大的起动转矩和大范围的调速性能；（2）要求电机尽量体积小、重量轻、功率大、效率高； （3）尽量采用较高电压； （4）驱动电机应具有良好的可控性、高的可靠性、坚固的结构以及便于维修等。,3、电动汽车驱动电机的种类、特点及发展趋势,一、概述,（1）直流电动机（DC Motor） （2）交流异步电动机（Induction Motor，缩写为IM） （3）交流永磁

2、同步电动机与永磁无刷直流电动机 （4）开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，缩写为SRM）,一、概述,各种驱动电动机的性能比较,二、电力电子技术基础知识,1、常用的电力电子器件简介,（a）大功率晶体管 （b）晶闸管（螺旋式） （c）晶闸管（园盘式）,（d）MOSFET （e）IGBT （f）IGBT,二、电力电子技术基础知识,(a)晶闸管 (b)可关断晶闸管（GTO）,1、常用的电力电子器件简介,二、电力电子技术基础知识,1、常用的电力电子器件简介,(a)N沟道 (b)P沟道,场效应管（MOSFET）的符号,二、电力电子技术基础知识,1、常用的电力电子器件简介,绝

3、缘栅双极型晶体管（IGBT）的两种符号,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,驱动电机的电路框图,电源,功率变换电路（主电路）,驱动电机,控制电路,信号反馈,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（1）可控整流电路-交流/直流变换,（a）单相半波可控整流电路 （b）可控整流的波形,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（2）逆变电路-直流/交流变换,（a）整流电路 （b）逆变电路,单相Inverter 的物理模型,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（2）逆变电路-直流/交流变换,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技

4、术基本电路简介,（3）直流斩波电路 -直流/直流变换,（a）降压斩波电路原理图 （b）电压电流波形,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（3）直流斩波电路 -直流/直流变换,（a）升压斩波电路原理图 （b）电压电流波形,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（4）交流/交流变换电路,（a）交-交变换系统框图 （b）交-交变换电路,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本电路简介,（5）脉宽调制（PWM）技术简介,（a）基本电路 （b）参考电压Ur较高 （c）参考电压Ur较低直流电压脉宽调制（PWM）方法,二、电力电子技术基础知识,2、电力电子技术基本

5、电路简介,（5）脉宽调制（PWM）技术简介,（a）逆变器电路图 （b）SPWM方法原理正弦波脉宽调制（SPWM）方法示意图,二、电力电子技术基础知识,3、电动汽车驱动控制系统举例,丰田Prius混合动力驱动系统,丰田Prius功率控制单元,三、直流电动机及驱动技术,直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）,三、直流电动机及驱动技术,三、直流电动机及驱动技术,直流电机的工作原理和基本特性,（a）绕组励磁式 （b）永磁式直流电动机的两种基本结构,三、直流电动机及驱动技术,直流电机的工作原理和基本特性,（a）它励 （b）并励 （c）串励 （d）复励直流电机的励磁方式,三、直

6、流电动机及驱动技术,直流电机的基本关系与机械特性,Ea-电枢电动势，V；U-电源电压，V；Ia-电枢电流，A；Ra-电枢回路电阻；-每极磁通量，Wb；N-电机转速，r/m；T-电磁转矩，Nm；Ce、CM-与电机结构有关的常数。,三、直流电动机及驱动技术,直流电机的基本关系与机械特性,(a)它励方式 (b)串励方式直流电动机的机械特性,三、直流电动机及驱动技术,直流电动机的驱动控制,直流电机的调速主要有两种方法，一是改变电枢电压，称为调压调速；二是改变磁场，即控制励磁电压或电流，称为调磁调速。 在额定转速以下常采用于降低电压、降低转速的方法，称为降压调速；在额定转速以上则采用减小磁场、提高转速的

7、方法，称为弱磁调速。,电枢回路串电阻调速,他励直流电动机的调速方法,1、电枢串电阻调速,三、直流电动机及驱动技术,2、降低电源电压调速,降压电源电压调速,保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压可调节转速，使电动机拖动负载运行于不同的转速上。,三、直流电动机及驱动技术,3、弱磁调速,弱磁调速,保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖动的负载转矩不过分大时，降低他励直流电动机的磁通，可以使电动机转速升高。,三、直流电动机及驱动技术,调速的性能指标,1调速范围,2静差率,3调速的平滑性,4调速的经济性,三、直流电动机及驱动技术,1、静差率(或称

8、相对稳定性) 指同一条机械特性上额定负载时转速降落n与理想空载转速n0之比。定义为：,三、直流电动机及驱动技术,分析: 电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床30%; 起重类机械 50%; ；精密机床 1%;精度高的造纸机0.1%,三、直流电动机及驱动技术,静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，1=2 ，但静差率不同。,三、直流电动机及驱动技术,2、调速范围D定义： 指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低

9、转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制， nmin受低转速时相对稳定性的限制。,三、直流电动机及驱动技术,3、平滑性用平滑系数表示调速的平滑性，定义 即相邻两级转速之比。 在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。k接近1，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转速，第 i-1 级表示较低的转速，因此系数k1 ，显然，调速的级数越多， k 越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1 时，称为无级调速。,三、直流电动机及驱动技术,4、经济性 在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。,三、直流电动机及

10、驱动技术,匹配问题：1、恒转矩调速 调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则T=常数电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。 在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=TT=常数 P ,即电动机转速越低，输出功率越小,P。,三、直流电动机及驱动技术,2、恒功率调速 调速中，保持Ia=IN，若n，P =常数。 在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如改变电动机主磁通 的调速方法就属于恒功率调速方法。,三、直流电动机及驱动技术,允许输出转矩和功率,三、直流电动机及驱动技术,匹配： 最好的配

11、合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。 这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。,三、直流电动机及驱动技术,三、直流电动机及驱动技术,直流电动机的驱动控制,（a）电动机状态 （b）反接制动 （c）能耗制动 （d）回馈制动直流电机的制动方法,制动： 指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用： 它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减

12、速或停车。,三、直流电动机及驱动技术,实现制动方法有： 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。,三、直流电动机及驱动技术,电气制动方法分： 能耗制动，反接制动，再生制动。直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：(1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中： 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。,三、直流电动机及驱动技术,(3) 提升机构下放重物 提升

13、机构下放重物时，电动机要处于制动状态。(4) 反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。,三、直流电动机及驱动技术,1、能耗制动能耗制动过程(dynamic braking process),三、直流电动机及驱动技术,他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采用能耗制动。,三、直流电动机及驱动技术,三、直流电动机及驱动技术,能耗制动特点:(i) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能( EaIa)消耗

14、在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rc).(ii) 制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rc，以增大制动转矩T ，此即多级能耗制动(iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现准确停车。,三、直流电动机及驱动技术,2、电压反接的反接制动方法： 将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采用。,三、直流电动机及驱动技术,反接制动停车是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电抠回路串入限流的反接制

15、动电阻R来实现的。,三、直流电动机及驱动技术,降压调速时的回馈制动过程,3、正向回馈制动运行,图示为他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低调节的过程。,三、直流电动机及驱动技术,正向回馈制动运行,如图所示。负载机械特性为曲线1和曲线2。这样走平路时电动机则运行在正向电动运行状态，工作点为固有机械待性与曲线1的交点A ；走下坡路时电动机则运行在正向回馈运行状态，工作点为固有机械特性与曲线2的交点B。,三、直流电动机及驱动技术,三、直流电动机及驱动技术,直流电动机的驱动控制,（a）降压斩波电路（电动机状态） （b）升压斩波电路（发电机状态）直流电机控制原理图,三、直流电动机及驱动技术,4、直流电

16、动机在电动汽车中的应用,我国九十年代开发的几种电动汽车用驱动电机技术数据,四、交流异步电动机及驱动技术,1、异步电动机的基本工作原理,（a）电动机外形 （b）鼠笼型电动机结构电动汽车专用的异步电动机,四、交流异步电动机及驱动技术,1、异步电动机的基本工作原理,(a)基本结构 （b）电流相量交流异步电动机工作原理示意图,异步电机，转子转速n与磁场同步转速n1间存在一定差异。asynchronous优点：结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高，价格低廉，坚固耐用。缺点：转速不易调节。鼠笼式异步电动机的起动性能较差。功率因数滞后，励磁电流由电网供给，增加了 电力系统的无功负担。,四、交流

17、异步电动机及驱动技术,异步电动机的结构,定子stator：固定部分,转子rotor：旋转部分,气隙air gap：很小，0.2-1mm对电机性能影响很大,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电动机的定子,定子铁心core磁路部分，放置定子绕组。 一般采用导磁性能良好和比损耗小的电工硅钢片叠成。 为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲出许多形状相同的槽定子槽slot。定子绕组stator winding电路部分感应电势。机座固定和支撑定子铁心。,四、交流异步电动机及驱动技术,1. 定子铁心,2定子槽形,散嵌绕组,成型绕组,效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机,可嵌放成型线圈大型低压电

18、动机,绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机,定子绕组,定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电动机的转子,转子铁心磁路，一般由硅钢片叠成。在转子铁心上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。转子绕组感应电势、流过电流和产生电磁转矩。转轴shaft,四、交流异步电动机及驱动技术,1. 转子铁心,2转子槽,槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。,四、交流异步电动机及驱动技术,3转子绕组,鼠笼式转子squirrel-cage rotor：焊接，铸铝。,斜槽形式,四、交流异步电动机及驱动技术,绕线转子wound rotor：铁芯上绕有一对称绕组，和定

19、子绕组有相同的极数，且制成相同的相数。通常采用对称的三相绕组，连接成星形。转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。,四、交流异步电动机及驱动技术,绕线转子绕组采用波绕组或叠绕组。设槽数Z24，极数2p4，相数m=3，则每极每相梢数q2，相距角a=30,四、交流异步电动机及驱动技术,4. 转轴 shaft,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电机的气隙air gap,特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。气隙大小对

20、电机性能有很大的影响气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电机的铭牌,异步电动机的额定值,额定功率PN，指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率（W或kW）。额定电压UN，指电动机在额定方式运行时定子绕组应加的线电压（V或kV）。额定电流IN，指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的额定线电流（A）。额定频率f，我国工业频率为50HZ。额定转速nN，指在额定状态下运行时的转子转速（rmin）。,四、交流异步电动机及驱动技术,对三相

21、电动机，额定功率：三相异步电动机的主要技术指标是指效率、功率因数、起动性能（堵转转矩、堵转电流和起动过程中的最小转矩）、最大转矩和噪声、振动。,四、交流异步电动机及驱动技术,四、交流异步电动机及驱动技术,s=n/ n1=（n1-n）/ n1,U1E1=4.44f1N1,四、交流异步电动机及驱动技术,三相异步电动机的同步转速与频率和磁极对数的关系,四、交流异步电动机及驱动技术,f2=sf1,T=CTI2cos2,异步电动机机械特性,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电动机的调速特性,四、交流异步电动机及驱动技术,异步电动机驱动电路三种形式,(a)交-直-交逆变器；(b) 交-交变频器；(c) 直

22、-交逆变器,四、交流异步电动机及驱动技术,一种异步电动机的矢量控制系统 (增加矢量的理论),四、交流异步电动机及驱动技术,西门子公司PV系列感应电动机性能数据,四、交流异步电动机及驱动技术,西门子公司电动机变频器主要技术性能,四、交流异步电动机及驱动技术,美国通用和福特公司几种车型中驱动电动机的相关数据,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,五、交流永磁同步电动机及驱动技术,