无刷直流电动机调速

控制电路 CT
转子位置检测器
这一节，主要任务有两个：讨论工作原理和控制方式。
一、工作原理
V1、V6导通，定子绕组流过电流iAB ， 定子绕组合成磁通势Fa垂直C相
轴线。
1
3
5
4
6
2
A
B C
励磁磁场F0与电枢磁场Fa相差1200（这实 际上是最大相位差）。
两磁场相互作用使转子顺时针旋转。
当转子旋转到F01位置时，F0和Fa垂直，
首先介绍同步电动机及其调速的基本概念、特点和基本类型。
9.1 同步电动机变压变频调速系统的特点及基本类型
同步电动机的定子与三相异步电动机的一样，而转子是磁极，由 直流励磁或永久磁铁励磁，是交流电动机中两大机种之一。同步 电动机因其转速n与供电电源频率f1之间保持严格的同步关系而得 名。只要供电电源的频率f1不变，其转速n就绝对不变。
旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用，使电动机能够连续旋转。 磁极每转动600电角度，电流换流一次，电枢磁场在空间上也跃进
600。在稳定运转时，电枢磁场Fa与励磁磁势F0的相位差 始终在
600≤ ≤1200范围内，其平均值处于正交状态，这样同样的定子电 流下使转矩最大。从原理可知，无刷直流电动机的磁场是一种步 进式的旋转磁场、产生的电磁转矩是脉动的。
1 iAB
F0
NS B 6
C21Fra bibliotekiAC A
Fa
F0
NS B 6
C
2
+
- (b)
+
- (c)
控制电路控制切换功率晶体管，使V6截止、V2导通，定子绕组流过电流
iAC， 定子磁势Fa相应地转过600 。此时，F0和Fa相位差又变为1200 。
如此重复进行，每当转子磁极转动600，在控制电路的控制下，使 相应的功率晶体管导通、切断，从而使定子进行一次换流，改变 电枢磁场方向，转子跟着电枢磁场旋转。
上述逆变器为1200通电型的六拍逆变器，每一时刻都只有两只功率 管导通，至于哪两只功率管导通则由转子位置检测器发出的信号 来控制。
第九章 无刷直流电动机调速系统
主要内容：
同步电动机变压变频调速的特点及基本类型 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机调速系统（举例）
无刷直流电动机调速系统是一种自控变频的同步电动机调速系统。 了解同步电动机是理解无刷直流电动机调速系统的基础。同步电动 机在结构上与异步电动机有以下区别：
转子采用永久磁铁励磁； 电动机轴上带有转子位置检测器来控制逆变器换流； 无机械换向器； 输入定子的电流为方波电流。
相位差900，电动机的转矩最大。
F02
电机学知识：
电磁转矩既与定子磁动势的幅值、 F01 转子磁动势的幅值成正比，也与这两个磁 动势夹角的正弦值成正比。
S Fa
F02 C
1
A iAB
S N
B6
F0
N
F0 +
- (a)
转子继续旋转，当转子磁极转到图b 所示位置时，F0和Fa相位差为600。
Fa A
2、按定子供电电源分为：三相永磁同步电动机和无刷直流电动机两类。 三相永磁同步电动机：转子采用永久磁铁励磁，给同步电动机的定子输 入三相正弦电流时，称为三相永磁同步电动机。
无刷直流电动机：转子采用永久磁铁励磁，给同步电动机的定子输入方 波电流时，称为无刷直流电动机。
无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电动机，属于自控变频同步电动 机。它是根据转子位置检测器检测到的信号来控制逆变器的通/断，控制 逆变器的输出功率，从而控制电动机的转速的。
同步电动机的应用范围也比较广泛，小到电子钟和记录仪表的定 时旋转机构，大到发电机组、空气压缩机、鼓风机等无不利用其 转速恒定的特点。
一、同步电动机变压变频调速系统的特点
和异步电动机变压变频调速系统相比，同步电动机的变压变频 调速系统有以下特点：
同步电动机的转速与电源输出的基波频率之间保持严格的同步关系：
同步电动机可通过改变（转子）励磁电流，改变定子相电压U和相电流I
之间的相位差 ，即改变功率因数cos ，进而使其工作在感性、电阻
性或容性三种状态下（同步补偿机就工作在容性状态下）。可调节转子
励磁电流改变输入功率因数，使其在 cos 1下运行。
异步电动机靠加大转差率提高转矩，同步电动机靠加大功率角来提高转 矩。（功率角为定子相电流与感应电动势的夹角）。
例如，同步电动机的变频启动，转子先加励磁电流，定子绕组输入频率很 低的三相交流电，由于定子（电枢）旋转磁通势的转速很低，可带动转子 开始旋转。将定子频率逐步增加，转子转速随之逐步升高，到达额定转速 时，启动过程结束。
二、同步电动机变压变频系统的分类
1、根据频率控制方法可分为：他控变频和自控变频两大类。
ns
60 f s np
其转差s1率 0
。 由于极对数固定，惟一靠变频进行调速。
同步电动机本身没有转矩，刚启动时，定子虽然能产生旋转磁场，但转 子是静止的，在惯性的作用下跟不上旋转磁场的转动，转子所受到的平 均转矩为零。（启动比较困难）。
同步电动机启动困难，重载时有振荡或失步（负载突然增大而超过电磁 转矩）现象。这些问题随着变频调速技术的发展得到了很好解决。
同步电动机有励磁回路，在较低的频率下也能运行，因此同步电动机的 调速范围较宽；而异步电动机的转子电流靠电磁感应产生，在较低频率 下转子难以产生必须的电流而无法工作，因此调速范围较窄。
异步电动机的电流在相位上总是滞后于电压，因而对晶闸管逆变器而言 必须设置强制换流电路；同步电动机能运行在超前功率因数下，可利用 反电动势实现逆变器的自然换流，不需设置附加换流电路。
他控变频调速就是用独立的变压变频装置给同步电动机供电。变频装置中 逆变器的输出频率独立设定，不取决于转子的位置。显然，这是一种频率 开环的控制方式，重载时仍存在振动和失步现象。
自控变频调速是根据检测到的转子的位置来控制逆变器开关器件的通断， 从而使逆变器的输出频率追随电动机的转速。这是一种频率闭环的控制方 式，能保证转子与旋转磁场同步旋转，从根本上避免振动和失步的产生 。
无刷直流电动机是带有电子换向器的永磁直流电动机，它用位置检测器 和逆变器代替了机械式的电刷和换向器，有直流电动机的性能。
9.2 无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机由三相永磁方波电动机、位置检测器、逆变器、控制
器组成，如下图所示。
逆
Ud
变
器
…
A B
N S
工作原理
永磁方波电动机
C
控制方式
驱动电路 GD