4-驱动电动机及其控制系统

电动汽车应用技术2020年3月23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（DCMotor）（2）交流异步电动机（InductionMotor，缩写为IM）（3）交流永磁同步电动机与永磁无刷直流电动机（4）开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceMotor，缩写为SRM）性能指标直流电动机异步电动机开关磁阻电动机永磁电动机转速范围（r/min）4000-600012000-20000＞150004000-10000功率密度低中较高高功率因数（%）-82-8560-6590-93峰值效率（%）85-8994-9585-9095-97负荷效率（%）80-8790-9278-8685-97过载能量（%）200300-500300-500300电动机质量重中轻轻电动机外形尺寸大中小小可靠性一般好优良一般控制操纵性能最好好好好控制器成本低高一般高一、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、直流电动机及驱动技术直流电机的基本关系与机械特性ΦnCEeaaMΦICTTΦCCRΦCUn2MeaeaaaRIEU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；Φ--每极磁通量，Wb；N--电机转速，r/m；T--电磁转矩，N·m；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nNn0nTnTNT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δ(或称相对稳定性)指同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与理想空载转速n0之比。定义为：0nnN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δ%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δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机床δ≤1%～５%;精度高的造纸机δ≤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，β1=β2，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。NTTnnDminmax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。1iinnk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、直流电动机及驱动技术匹配问题：1、恒转矩调速调速过程中保持Ia=IN，Ф=ФN=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=TΩT=常数Ω↓→P↓,即电动机转速越低，输出功率越小,PΩ。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Ф↓→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Ф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(dynamicbrakingprocess)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、直流电动机在电动汽车中的应用车型号EV6580EV6460N华利厢式车驱动电机类型直流永磁直流永磁直流它励直流并励额定功率（kw）2518208.5最大功率（kw）45303015最高转速（kw）4500450055004500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iAiBiC(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：①转速不易调节。②鼠笼式异步电动机的起动性能较差。③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