第四章-直流电动机及其驱动技术

下一页总目录章目录返回上一页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(2~4)；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。下一页总目录章目录返回上一页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。下一页总目录章目录返回上一页电动汽车对驱动电机分类：电动汽车驱动电机的分类下一页总目录章目录返回上一页13)温升。各种电机的基本性能比较下一页总目录章目录返回上一页第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。本章要求下一页总目录章目录返回上一页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下一页总目录章目录返回上一页4.1.1直流电机的结构直流电机的爆炸图下一页总目录章目录返回上一页直流电动机的结构下一页总目录章目录返回上一页直流电动机的结构下一页总目录章目录返回上一页4.转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.定子永磁式:由永久磁铁做成。励磁式:磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成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（100W~10kW）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（10~100kW）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。下一页总目录章目录返回上一页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。下一页总目录章目录返回上一页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。下一页总目录章目录返回上一页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UUfIaM+_+_IffRstR他励•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。下一页总目录章目录返回上一页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。IaUM+_IffRstR+_IE并励•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。下一页总目录章目录返回上一页3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM•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。下一页总目录章目录返回上一页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。复励U+_IMIa•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。下一页总目录章目录返回上一页4.1.3直流电机的基本工作原理下一页总目录章目录返回上一页4.1.3直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd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。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn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。下一页总目录章目录返回上一页U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，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。Ce:与电机结构有关的常数n:电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=Cen下一页总目录章目录返回上一页U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，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。aaaaRInCRIEUe式中：U—外加电压Ra—绕组电阻4.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UM下一页总目录章目录返回上一页CT:与电机结构有关的常数且等于9.55Ce:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流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=CTIa下一页总目录章目录返回上一页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02TTTT2:机械负载转矩T0:空载转矩例：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ΦnCEeaaaREUIaCΦITT下一页总目录章目录返回上一页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。)f(ITa一、并励电动机1.转矩特性IaUM+_IffRstR+_IEaaRIEU由图可求得aaREUIffRUIaafIIII下一页总目录章目录返回上一页aaRIEUaaREUIffRUIaafIIII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=CTIa=KTIa即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。n0TIa)f(ITa)f(Ina4.转速特性下一页总目录章目录返回上一页aeaeIΦCRΦCUnaΦITΦTeERIEUCnCaa由以下公式求得理想空载转速:0ΦCUne式中：n0TIa)f(ITan0)f(Ina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下一页总目录章目录返回上一页4.2.1直流电动机的正常运行特性nnn0TΦCCRneT2aTΦCCRΦCUneTe2aaΦITTC求得IaUM+_IffRstR+_IEf(T)n3.机械特性aeaeIΦCRΦCUn下一页总目录章目录返回上一页转速降:2aTΦCCRneT理想空载转速:0ΦCUne式中：nnTΦCCRΦCUneTe02an=f(T)特性曲线n0nNTN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）。n0Tn100%nnnΔnNN0NnN很小，大约为3%~2%下一页总目录章目录返回上一页4.2.1直流电动机的正常运行特性)f(ITa二、串励电动机1.转矩特性当Ia较小时，铁心不饱和串励UIa+_IfMfaII特点：)af(IaKIΦ2aTaTIKΦICT当Ia较大时，铁心饱和aTΦICT与并励类似下一页总目录章目录返回上一页)f(Ina4.转速特性当Ia较小时，aKIΦaeaeIΦCRΦCUn根据可得KCRKICUneaae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%n0TIa)f(Ina下一页总目录章目录返回上一页4.2.1直流电动机的正常运行特性bTaUn求得f(T)n3.机械特性2aTaTIKΦICTKCRKICUneaae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。下一页总目录章目录返回上一页4.2.1直流电动机的正常运行特性三、复励电动机复励U+_IMIa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。下一页总目录章目录返回上一页例:有一并励电动机，其额定数据如下：P２=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KW19.2684.02221PPA2381101019.2631UPI额定电流额定励磁电流A45.27110ffRuI额定电枢电流A2344238faIII下一页总目录章目录返回上一页（2）电枢电路铜损W219023404.02a2aaCuIRPW44045.272f2ffCuIRP励磁电路铜损总损失功率W4190220002619021PPP空载损耗功率W200021904190aCu10PPPm.N210100022955095502nPT（3）额定转矩（4）反电动势V6.10023404.0110aaIRUE下一页总目录章目录返回上一页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RTΦCCRΦUneTe2aC根据nn0T电阻增大4.降低电