电力电子与电机系统集成概述

第1章电力电子与电机系统集成概述1.1电力传动基础1.1.1麦克斯韦电磁定律1.1.2电机的结构与原理1.1.3电机的机械特性1.2可变电源下的电力传动1.2.1VVVF控制方法1.2.2矢量控制1.2.3PWM调制与谐波分量1.3集成系统的特征及内容1.3.1集成实例分析1.3.2集成系统的特征1.3.3集成系统的基本内容图1-1电力电子与电机系统集成应用实例1.1电力传动基础•电能是现代社会最主要的能源形式之一，电力传动系统则是通过电机实现电能向机械能转换的系统设备。它不仅是工业、农业和交通运输业的重要设备，而且在日常生活中的应用也愈来愈广泛。•在机械、冶金、石油、煤炭和化学工业以及其他各种工业企业中，各种电力传动系统都有广泛的应用。例如各种机床都用电机拖动，高炉运料装置、电铲、轧钢机、吊车、抽水机、鼓风机、搅拌机、造纸机等都大量采用电机拖动。一个现代化工厂需要几百台至几千台电机及其控制来构成现代电力传动系统。1.1.1麦克斯韦电磁定律1.全电流定律2.电磁感应定律1.全电流定律图1-2全电流定律2.电磁感应定律一个导电线圈放入磁场中，磁场B的变化将在导电线圈中感应出电动势E，这种现象就叫做电磁感应。实验表明：由电磁感应产生的电动势与磁场的变化率成正比，感应电动势的正方向与磁场变化的正方向相反，即由感应电动势产生的感应电流所产生的磁场总是起着阻碍原磁场变化的作用，这就是电磁感应定律，其本质是变化的磁场产生电场。1.1.2电机的结构与原理1.电励磁机械换向式直流电机2.永磁机械换向器直流电机3.异步电机4.电励磁同步电机5.永磁同步电机6.同步磁阻永磁电机7.开关磁阻电机1.电励磁机械换向式直流电机图1-3各种电机结构示意图2.永磁机械换向器直流电机将电励磁机械换向式直流电机中的电励磁磁极换成永磁励磁，其他部分结构不变，即为永磁机械换向器直流电机。两者主要差别在于后者的永磁励磁不能调节，但不需要外接励磁电源。3.异步电机顾名思义，与同步电机不同，它的转速与所接交流电源的频率没有严格不变的对应关系。异步电机也称为感应电机，即转子电动势与电流是感应气隙磁场而来的。图1-3c所示的是三相无换向器异步电机截面结构。定子与同步电机类似，由铁心和分布式电枢绕组构成，转子则由闭合的分布绕组与圆柱铁心构成。转子一般有两种形式，一种是笼式转子，一种为绕线式转子4.电励磁同步电机定子为电枢部分，由铁心和分布式电枢绕组组成，铁心为隐极型圆环，环内径上均匀分布齿槽。电枢绕组均匀分布在槽中构成定子绕组，该定子绕组外接交流电源。转子则为凸极铁心，每极绕有集中式励磁绕组，该励磁绕组通过集电环连接直流励磁电源。当定子绕组通以交流电流时，在气隙中产生旋转磁场，而励磁绕组通以直流电流时，载流导体在气隙磁场的作用下，产生电磁力矩，从而带动转子旋转。5.永磁同步电机将电励磁同步电机中的电励磁改成永磁励磁，励磁为转子，电枢为定子，电枢绕组外接交流电源，则成为永磁同步电机。该电机的永磁体安装在转子表面，称为表面式永磁同步电机，也有将永磁体内嵌在转子里面的，称为内嵌式永磁同步电机。由于永磁体的灵活安装和使用，产生了结构各异的永磁同步电机结构，呈现出结构多样化的特点。永磁同步电机正得到广泛应用。6.同步磁阻永磁电机图1-4同步磁阻电机不同时期的结构形式7.开关磁阻电机1)永磁类电机由于其结构多样化、功率密度高、性能优良而得到越来越多的应用，逐步替代交流异步电机和电励磁同步电机。2)随着电力电子技术的发展，电子换向器逐步替代机械式换向器。3)电机运行越来越多地与控制技术紧密相连，两者成为不可缺一的整体。1.1.3电机的机械特性1.电磁转矩2.机械特性1.电磁转矩电磁转矩是由转子电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生的。电磁转矩与气隙磁通和转子电流的有功分量乘积成正比，说明正是由于二者的相互作用才产生电磁转矩。2.机械特性(1)最大转矩从图1-6可以看到，每台电机存在一个最大电磁转矩。(2)起动转矩起动转矩是电机最重要的参数之一。(3)额定转矩额定转矩即为电机在额定工况运行时的电磁转矩。(4)稳定与不稳定运行区域理论上，电机可以运行在其机械特性曲线上的任何一个点上。2.机械特性图1-5异步电机的等效电路2.机械特性图1-6异步电机的机械特性曲线图1-7电机的磁化曲线(也视为电机的空载曲线)图1-8电磁转矩曲线与负载机械特性曲线图1-9电机转子运动示意1.2可变电源下的电力传动交流电机变频调速的发展主要得益于电力电子技术的引入和发展，它使得电力传动系统中的电源部分发生了很大的变化。原来的恒频恒压电源变成了变频变压电源。正是由于这种变化，使得电力传动的控制方法和运行方式发生了很大的变化。1.2.1VVVF控制方法1.额定频率以下的恒磁通变频调速2.额定频率以上的恒功率变频调速1.额定频率以下的恒磁通变频调速(1)保持Us/f1=常数在降低频率调速过程中，保持Us/f1为常数，也就是保持磁通Φ近似为常数。(2)保持Es/f1=常数降低频率f1来调速，保持Es/f1为常数，即为精确恒磁通控制方式。图1-10/图1-11/图1-12典型恒压频比控制特性2.额定频率以上的恒功率变频调速图1-13额定频率以上的恒功率变频调速机械特性2.额定频率以上的恒功率变频调速图1-14异步电机全频率范围的VVVF调速特性1.2.2矢量控制图1-15VVVF控制下的电流矢量图1.2.2矢量控制图1-16矢量控制下的电流矢量图1.2.2矢量控制图1-17异步电机物理模型1.2.3PWM调制与谐波分量图1-18三相变频器的整流和逆变部分的原理图1.2.3PWM调制与谐波分量图1-19变频器的输出电压波形图1.2.3PWM调制与谐波分量图1-20典型的正弦PWM原理图1.2.3PWM调制与谐波分量图1-21典型电压型变换器通过SPWM输出的电压和电流波形1.3集成系统的特征及内容电机、电力电子变换器及其控制是电力电子与电机集成系统的三个主要部分。电力电子变换器即为可控电源。在电力电子变换器引进电力传动系统后，电力传动已不仅仅只是电机本体的事情了。许多原来由电机本体来完成的功能，如起动特性、最大转矩能力、气隙磁动势波形等，或由原来单个电机不能完成的功能，如电流矢量分解、变频变压、磁动势谐波分布等都可由可控电源来完成。这样，就产生了系统中各部分的参数优化匹配和协调运行的问题，这也是电力电子与电机集成系统的特征和内容。1.3.1集成实例分析1.空间矢量脉宽调制(SVPWM)2.无刷直流电机(BLDM)调速系统1.空间矢量脉宽调制(SVPWM)图1-22典型的三相逆变器驱动电机电路图1.空间矢量脉宽调制(SVPWM)表1-1电压空间矢量与开关状态的对应关系2.无刷直流电机(BLDM)调速系统图1-23无刷直流电机系统结构原理图2.无刷直流电机(BLDM)调速系统图1-24典型无刷直流电机系统等效电路图1.3.2集成系统的特征1)电力电子、电机及其控制有机合成一体，而使系统安全可靠，高效运行。2)解决电机与电力电子变换器结合后的参数优化匹配、电磁能量动态平衡以及非线性电磁关系等问题。3)掌握功率半导体器件特性，变换器主电路特性，PWM技术，电机内部电磁关系，智能控制算法等。1.3.2集成系统的特征图1-25集成技术三角形图1-26PSIM软件下的电力电子与电机集成系统仿真模块图图1-27电力电子与电机集成系统实施的图示1.3.3集成系统的基本内容1.智能电子电机2.虚拟试验平台系统3.电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)4.能量信息交互理论5.集成系统的可靠性及故障容错技术1.智能电子电机智能电子电机是电力电子、电机及其控制集成的具体体现。它具有体积小、重量轻、功率密度大、调速范围宽、高效、高功率因数、自诊断、自调节等系统功能。它在概念上将电力电子、电机和控制及通信技术有机地结合起来；在物理上实现外形一体化和小型化；在设计和制造上实现系统的优化和通用模块化；在运行中实现自设置、自保护等，从而更有效地实现机电能量转换和传递。2.虚拟试验平台系统图1-28智能电子电机组成图2.虚拟试验平台系统图1-29系统目标框图3.电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)克服电磁干扰是电力电子与电机控制集成系统安全可靠运行的关键问题。集成系统中的EMI和EMC研究内容包括：采用仿真方法，对以IGBT、MOSFET等快速开关器件为主的电磁噪声源的耦合途径及其对系统的电磁干扰水平进行研究；着眼于在设计阶段就对电磁干扰水平有所预见，通过合理设计电路，抑制电磁干扰水平；通过研究典型电力电子线路中电磁源的特性及其影响因素，降低电磁噪声强度的有效方法；采用场路结合方法，编写分析计算程序；采用分析软件对电气线路中的电磁噪声进行预估；计算电力电子线路中电磁噪声源形成的辐射场(近场)在导体中感应的电压(电流)及其对其他器件的影响等。4.能量信息交互理论现代电力传动系统不仅仅是转换、传递信息的装置，也是传递、交换信息的通道。能量与信息在电力电子与电机集成系统中是相互依存、相互作用的两个方面。具体内容包括：能量流与信息流之间的互动作用的物理机制和数学描述；能量与信息在电机系统中的内涵和外延；能量与信息的互动规律及其在电力电子与电机集成系统中的表现形式。5.集成系统的可靠性及故障容错技术利用电力电子与电机本身的特性，提高电机控制集成系统的可靠性是主要目的。具体内容有：多相电流时间相量与多相绕组空间分布对电机气隙磁场分布的影响；电力电子器件故障与电机绕组故障的分析与对策；故障容错的数学描述与物理实现；系统电磁模拟量与离散域数字量的对应关系。它将电力电子变换器与电机内部运行机制有机地结合起来，从系统集成的角度，利用电力电子开关控制，将多相不对称电流与多相不对称回路重构电机气隙均匀对称的圆形旋转磁场，而达到故障容错的目的。