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1、第三章 电动汽车驱动系统,3.1 电动车用电机及控制器,电机是电动汽车驱动系统的核心高效率、宽调速、高密度转矩响应迅速制动能量回馈,Torque-speed characteristics DC motors,Fig.5-10 Wound-field dc motors.,Fig.5-11 Torque-speed characteristics of wound-field dc motors.,T=KT Ia,车用直流电动机特性类型的选择:,(1)串励直流电动机机械特性硬，适合车辆拖动。早期用途广泛。但制动回馈、转速、重量、效率、维护等问题，车用越来越少。,(2)他励直流电动机曾经在车辆拖
2、动中应用广泛。但让位于效率更高的永磁有刷电机（缺点：励磁恒定）,(3)永磁无刷电机，转速高、效率高、重量轻、调速方便。近年大量使用。,开关磁阻电机(switched reluctance drive system)电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高效率,3.2开关磁阻电机（SRD）原理,8/6极开关磁阻电动机结构图,8/6极开关磁阻电动机控制方案,定、转子的相对位置作为起始位置，依次给ABCD相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，依次给DCBA相通电，则电动机会顺时针方向转动。开关磁
3、阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序,开关磁阻电动机特点,1.系统效率高 开关磁阻电动机调速系统在其宽广的调速范围内，整体效率比其它调速系统高出至少10%。在低转速及非额定负载下高效率更加明显。2.低速下可长期运转 开关磁阻电动机调速系统在整个调速范围内均可带负荷长期运转，电机及控制器的温升均低于工作在额定负载时的温升。3.高起动转矩，低起动电流 开关磁阻电动机调速系统起动转矩达到额定转矩的150%时，起动电流仅为额定电流的30%。,3.3三相异步电机的工作原理,Induction Motor,1.三相异步电机结构,机壳 定子绕组1.定子部分:定子铁心 接线盒 端盖
4、轴承,转子绕组2.转子部分 转子铁心 轴,三相异步电机工作原理,三相异步电机结构,三相异步电机转子结构,2.异步电机的工作原理,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子中产生感应电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,3.三相电机旋转磁场,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,三相电机旋转磁场,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成成规律,三相电机旋转磁场,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,三相对称绕组：互差120度空间电角度。三相对称电源：互差120度时间电角度。,三相电机旋
5、转磁场,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,三相电机旋转磁场,电动机的旋转原理旋转磁场产生的条件旋转磁场原理极对数的形成规律,4.基本概念,1.旋转磁场的方向由相序决定、改变相序就可改变三相异步电机的转向.,旋转磁场的转向,1.旋转磁场的轴线总是与电流达到正的最大值的那一相绕组的轴线重合.2.三相对称电流相序为U-V-W.3.合成磁场的轴线依次由U相轴线转到V相轴线再到W相轴线
6、.,2.旋转磁场的转速与电源频率成正比，与极对数成反比.,旋转磁场的速度,P=2,P=1,1.旋转磁场的旋转速度称同步转速.n1表示.2.n1=单位转/分.3.同步转速与频率成正比,与极对数成反比.4.同步转速成“有级”.P=1 n1=3000P=2 n1=1500(f1=50HZ),3.空间电角度、空间角度、时间电角度,360度空间角度。720度空间电角度。,360度空间角度。360度空间电角度。,以时间轴为坐标。一个周期为360度。,4.旋转磁场的幅值,结论：合成磁势的幅值是不变的。,5.转差与转差率,1.异步:从异步电机的工作原理可知,相对的切割运动是产生感生电势及感生电流的关键.2.对
7、于电动运行的异步电机而言,同步速度与转子转速总存在着差,称转差.3.4.转差率:,三相异步电机变频调速原理,交流电动机的同步转速表达式：n60 f(1s)/P 式中 n：异步电动机的转速；f：异步电动机的频率；s：电动机转差率；P：电动机极对数。转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速,实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：U E=C1f 式中，C1为常数，因此有：E/fU/f 若外加电压不变，则磁通随频率而改变，如频率f下降，磁通会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，
8、显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。,U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 控制电路结构简单、成本较低机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻
9、和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变,电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。进一步改进：引入频率补偿，消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。,3）矢量控制(VC)方式 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动
10、机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对转矩，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。,由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨
11、识、自适应功能，在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数。矢量控制在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想结果。（安川、ABB、西门子）,4）直接转矩控制(DTC)方式 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。采用离散的两点式调节器，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态
12、进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，,它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。是低速时转矩脉动大，在启动控制上要采用其它方案,IM Control,PM Motor,PM motor for EVs,PM motor configuration,3 phase supply,stator,3 p
13、hase winding,PM rotor,Rotor Configuration(Contd),Fig.5-42 Special rotor of a PM synchronous motor.,PM Motor Control,日丰田公司对电动车电机的评价,Key Technology Powertrain,Electric Motor and Control System:Power:5-150 kWPower Density 1.2 kW/kgMotor efficiency 93%(50%operating range at about 85%)Ambient Working Temperature:40oC-70oCPower Electronics Efficiency 95%Motor Drive System Overall Efficiency 90%Motor Drive System Life 200,000 km,匹配问题?动力要求?,
