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特种电机及驱动技术特种电机及驱动技术课课 程程 报报 告告班级：班级：学号：学号：姓名：姓名：电话：电话：任课教师：金宗华任课教师：金宗华提交日期：提交日期：20201111年年1212月月7 7日日 上午上午1010点点3030（研究生楼（研究生楼11021102）1论文题目：特种电机系统的分析和驱动论文题目：特种电机系统的分析和驱动n论文要求：论文要求：n（1 1）选择一个特种电机系统）选择一个特种电机系统n（2 2）说明此特种电机应用或研究的实际意义）说明此特种电机应用或研究的实际意义n（3 3）分析此特种电机的结构和工作原理）分析此特种电机的结构和工作原理n（4 4）分析此特种电机的优点）分析此特种电机的优点n（5 5）分析此特种电机的缺点）分析此特种电机的缺点n（6 6）分析此特种电机的发展情况）分析此特种电机的发展情况n（7 7）分析此特种电机的驱动系统）分析此特种电机的驱动系统n（8 8）总结此特种电机的系统）总结此特种电机的系统2论文题目：特种电机系统的分析和论文题目：特种电机系统的分析和驱动驱动3（1 1）选择一个特种电机系统）选择一个特种电机系统4n开关磁阻调速电动机系统开关磁阻调速电动机系统n2020世纪世纪 80 80年代初年代初-随电力电子、微电脑和自动控制随电力电子、微电脑和自动控制技术发展而研发的新型调速驱动系统技术发展而研发的新型调速驱动系统n具有具有-交直流调速优点交直流调速优点n继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统-出现的出现的新一代无极调速系统新一代无极调速系统开关磁阻调速电机系统开关磁阻调速电机系统5n论述论述n开关磁阻调速电动机系统开关磁阻调速电动机系统-组成及工作原理组成及工作原理n分析分析n以往调速方式相比较的优缺点以往调速方式相比较的优缺点nSRD SRD 产品的新发展产品的新发展6（2 2）说明此特种电机应用或研究）说明此特种电机应用或研究的实际意义的实际意义7n开关磁阻电机调速系统（开关磁阻电机调速系统（SRDSRD）研究的实际意义研究的实际意义n结构简单结构简单-定型产品坚固耐用定型产品坚固耐用n调速范围宽调速范围宽-性能优异性能优异n整个调速范围内整个调速范围内-具有较高效率具有较高效率n电能利用率高电能利用率高-损耗小损耗小n系统可靠性高系统可靠性高说明特种电机应用或研究的实际意义说明特种电机应用或研究的实际意义8n开关磁阻电机调速系统（开关磁阻电机调速系统（SRDSRD）应用应用n开关磁阻电机开关磁阻电机-应用于应用于n工业、航空业、家用电器工业、航空业、家用电器nSRD SRD 系统系统-很多性能指标上达到很高的水平很多性能指标上达到很高的水平n整个系统综合性能指标整个系统综合性能指标-达到或超过工业中长期广达到或超过工业中长期广泛应用的一些变速传动系统泛应用的一些变速传动系统9（3 3）分析此特种电机结构和工作原理）分析此特种电机结构和工作原理10n开关磁阻电动机调速系统（开关磁阻电动机调速系统（SRDSRD）结构结构n较复杂较复杂-机电一体化装置机电一体化装置n主要组成主要组成n开关磁阻电动机开关磁阻电动机n功率变换组件功率变换组件n控制器控制器n位置检测传感器位置检测传感器SRD SRD 结构及工作原理结构及工作原理11n控制器包括控制器包括n控制电路控制电路n功率变换组件功率变换组件n位置检测传感器位置检测传感器n安装在安装在-电机一端电机一端12nSRD SRD 运行运行-需在线实时监测需在线实时监测n跟踪跟踪-数据数据n转子位置转子位置n转轴速度转轴速度n电机各极电流电机各极电流n根据控制目标综合上述信息根据控制目标综合上述信息 -输出控制指令输出控制指令n实现实现-运行控制及保护等功能运行控制及保护等功能13n转子位置检测环节转子位置检测环节nSRD SRD 重要部分重要部分n检测到的检测到的-转子相位信号转子相位信号n各相主令开关器件各相主令开关器件-正确进行逻辑切换的依据正确进行逻辑切换的依据n速度控制速度控制-提供速度反馈信号提供速度反馈信号14nSRD SRD 电机系统结构与工作原理示意图电机系统结构与工作原理示意图15nSRD SRD 电机系统结构与工作原理示意图电机系统结构与工作原理示意图n极对数极对数 -4 4 组组n电源电源 -三相电三相电n由控制器根据转子具体位置由控制器根据转子具体位置-发出信号发出信号n控制控制-四组大功率开关器件依次打开四组大功率开关器件依次打开n定子的相应电极通电定子的相应电极通电-产生磁力吸引转子转动产生磁力吸引转子转动16（4 4）分析此特种电机的优点）分析此特种电机的优点17n开关磁阻电机开关磁阻电机-四象限运行四象限运行n具有具有-电动与制动储能运行状态电动与制动储能运行状态n称称-再生能力再生能力n系统系统-效率较高效率较高优点优点18n1)1)电机结构电机结构-简单坚固简单坚固n因转子无绕组因转子无绕组-制造工艺简单，成本低廉，可工作于制造工艺简单，成本低廉，可工作于极高转速极高转速n定子坚固耐用定子坚固耐用-线圈嵌放容易，制作方便，端部短而线圈嵌放容易，制作方便，端部短而牢固牢固n严谨设计结构严谨设计结构-使工作可靠使工作可靠n能适用于能适用于-恶劣、高温、强振动环境恶劣、高温、强振动环境19n2)2)控制器控制器-工作原理简单工作原理简单n电路设计电路设计-思路宽思路宽n后续改进幅度大后续改进幅度大-较易实现智能化与集成化较易实现智能化与集成化n转矩方向转矩方向-与电流流向无关与电流流向无关n最大限度简化功率变换装置最大限度简化功率变换装置-降低系统制造成本降低系统制造成本20n3)3)由控制器根据起动与运行的不同由控制器根据起动与运行的不同-可预定可预定n控制控制 -起动极导通时间起动极导通时间n协调协调 -各极通电时差各极通电时差n使电机使电机 -起动转矩增大起动转矩增大n相对其他起动方式相对其他起动方式-起动电流缩小起动电流缩小21n3030 额定电流额定电流 -对应对应 150 150 额定转矩额定转矩n适用于适用于-频繁起制动和正反转频繁起制动和正反转n特别适合特别适合-重载起动、频繁起动机械设备重载起动、频繁起动机械设备n低速性能好低速性能好n没有感应电动机在起动时所出现没有感应电动机在起动时所出现-冲击电流现象冲击电流现象n震动大幅减小震动大幅减小-提高电机安全系数提高电机安全系数22n4)4)可实现可实现-转速和转矩调节转速和转矩调节n电动与发电运行状态电动与发电运行状态-自动转换自动转换n工作效率高工作效率高-节约电能节约电能n损耗主要产生于损耗主要产生于-定子定子n温升较小温升较小-电机易于冷却电机易于冷却n转子无永磁体转子无永磁体-可允许有较高温升可允许有较高温升n不必担心消磁不必担心消磁-导致性能降低导致性能降低23n5)5)速度调节范围速度调节范围-较宽较宽n控制控制-灵活灵活n易满足易满足-特殊要求的转矩特殊要求的转矩-速度指标速度指标n适合适合-冲击负载和高速应用冲击负载和高速应用24n6)6)由整个系统的先进设计由整个系统的先进设计-功率变换器工作时功率变换器工作时不会出现直通故障不会出现直通故障n无无-直通短路危险直通短路危险n主要元器件主要元器件-绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）n不易不易-烧毁烧毁n提高提高-可靠性可靠性25n7)7)具备具备-四象限运行状态四象限运行状态n较强的再生制动较强的再生制动-大幅度节约电能有利于环保大幅度节约电能有利于环保n模糊控制模糊控制-使容错能力增强使容错能力增强n某一相故障某一相故障-电机仍可以转动电机仍可以转动n只是只是-转矩有所减小转矩有所减小26（5 5）分析此特种电机的缺点）分析此特种电机的缺点27n调速技术调速技术n比较新型比较新型-电机控制方式电机控制方式n与变频调速相比与变频调速相比-存在不足存在不足缺点缺点28n1)1)电机控制只能电机控制只能 1 1 拖拖 1 1n不像交流变频调速中不像交流变频调速中-一台变频器可带动两台或多台一台变频器可带动两台或多台电机电机n2)2)只能专机专用只能专机专用n不像交流变频调速中不像交流变频调速中-当变频器发生故障时可将电机当变频器发生故障时可将电机切换至工频电源继续运行切换至工频电源继续运行29n3)3)理论特殊理论特殊-未像其他较成熟调速技术普及，未像其他较成熟调速技术普及，推广难度大推广难度大n交流变频调速交流变频调速-20-20世纪世纪 60 60年代时技术上已趋成熟年代时技术上已趋成熟n我国引进纺织机械中我国引进纺织机械中-已大量应用已大量应用n真正意义上的普及真正意义上的普及-推广在推广在 40 40年以后年以后n原因原因-要培养大批专业技术人员以开发新产品、要培养大批专业技术人员以开发新产品、维修与维护维修与维护30nSRD SRD 理论推广理论推广-还在初中期还在初中期n还需还需-培养大量技术人员培养大量技术人员n不断完善系统不断完善系统-提高集成化程度提高集成化程度n开发新产品开发新产品-培训售后维护人员培训售后维护人员31（6 6）分析此特种电机的发展情况）分析此特种电机的发展情况32n高精度伺服型高精度伺服型 SRDSRDn大功率组合式大功率组合式 SRDSRDSRD SRD 产品的新发展产品的新发展33n1.1.高精度伺服型高精度伺服型 SRDSRDn目前目前-国内外相关产品不断更新换代国内外相关产品不断更新换代n采用采用-最新控制芯片最新控制芯片n控制策略控制策略-仍是仍是 20 20世纪世纪 80 80年代技术年代技术n根据位置检测传感器提供的根据位置检测传感器提供的-相位信号相位信号n采用采用-电流斩波、电压脉宽调制和单脉冲控制电流斩波、电压脉宽调制和单脉冲控制n控制结果控制结果-响应慢、转矩波动大响应慢、转矩波动大n很难在很难在 50 50 r rmin min 以下取得以下取得-良好实用效果良好实用效果34n高精度伺服型高精度伺服型 SRD SRD 产品产品n采用绝对位置编码器采用绝对位置编码器-作电机传感器作电机传感器n测速信号测速信号-由原有每转几脉冲至十几脉冲提高到几百由原有每转几脉冲至十几脉冲提高到几百至几千脉冲至几千脉冲n减小测速反馈时间减小测速反馈时间-提高控制相应速度提高控制相应速度n结合相绕组波形控制技术结合相绕组波形控制技术-改善电源波形改善电源波形35n平滑平滑-低速转矩脉动低速转矩脉动n实用最低转速实用最低转速-达到达到 10 10 r rmin min 以下以下n电机动态响应时间电机动态响应时间-减少至减少至 3 3 msmsn产品最大规格产品最大规格-达达 315 315 kWkW36n2.2.大功率组合式大功率组合式 SRDSRDn与交流变频调速与交流变频调速-相仿相仿n受电力电子元件受电力电子元件-容量和价格限制容量和价格限制nSRD SRD 向大容量发展向大容量发展-受到限制受到限制n目前国内使用的技术成熟的最大功率目前国内使用的技术成熟的最大功率 SRD SRD 产品产品-仅仅为为 400 400 kWkW37n若利用若利用 SRD SRD 电机的结构特点电机的结构特点n所有绕组所有绕组-分为两组分为两组n可用两台同功率控制器可用两台同功率控制器-同步驱动一台更大功率的同步驱动一台更大功率的电机电机n成熟控制器技术和一定电力电子元件条件下成熟控制器技术和一定电力电子元件条件下n实现实现-2 -2 倍、多倍的电机容量倍、多倍的电机容量n比单机大功率比单机大功率 SRD SRD 具备优点具备优点38n比单机大功率比单机大功率-SRD SRD 优点优点n1 1）因控制器）因控制器 -多台多台n使用降压变压器供电使用降压变压器供电-整个系统实现高压调速整个系统实现高压调速n2 2）由提高控制功率的做法）由提高控制功率的做法-使用多台控制器使用多台控制器n一台故障时可切除一台故障时可切除-电机输出功率按比例降低电机输出功率按比例降低n电机仍可正常工作电机仍可正常工作-提高系统可靠性提高系统可靠性39n3 3）多台控制器）多台控制器-可使用数台移相变压器可使用数台移相变压器(或或1 1台多副边台多副边变压器变压器)供电供电n实现实现-脉冲整流脉冲整流n改善改善-电网侧功率因数电网侧功率因数n减小减小-谐波危害谐波危害40（7 7）分析此特种电机的驱动系统）分析此特种电机的驱动系统41n根据根据 SRD SRD 原理原理n减小减小-电机转矩脉动电机转矩脉动n可增加可增加-电机相数电机相数n相数相数-增加增加n功率电路功率电路-复杂程度增加复杂程度增加n提高提高-SRD SRD 系统成本系统成本六相六相 SRDSRD42n采用六相采用六相 12 1210 10 极六相电机极六相电机n六相六相 12 1210 10 极电机结构示意图极电机结构示意图43n绕组连接绕组连接n六相六相 12 1210 10 极绕组连接示意图极绕组连接示意图44n绕组连接绕组连接nA A1 1 与与 A A2 2 ，B B1 1 与与 B B2 2 ，C C1 1 与与 C C2 2，D D1 1 与与 D D2 2 ，E E1 1 与与 E E2 2 ，F F1 1 与与 F F2 2-各绕组串接各绕组串接45n功率电路功率电路n六相六相 12 1210 10 极功率电路极功率电路 1 1 示意图示意图46n功率电路功率电路n六相六相 12 1210 10 极功率电路极功率电路 2 2 示意图示意图47n功率电路功率电路n电路电路 -采用采用n6 6 只功率开关元件和只功率开关元件和 6 6 只续流二极管只续流二极管n通常三相通常三相 SRD SRD 中采用中采用 -三相半桥式电路三相半桥式电路n完全一样完全一样n实现降低转矩脉动实现降低转矩脉动 -不增加系统成本的目的不增加系统成本的目的48（7 7）总结此特种电机系统）总结此特种电机系统49n交流变频调速感应电动机交流变频调速感应电动机-相比相比n开关磁阻电机开关磁阻电机-成本、效率、调速性能、单位体积功成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等具有明显优势率、可靠性、散热性等具有明显优势n开关磁阻电机开关磁阻电机-宽广速度和功率范围内能保持较高效宽广速度和功率范围内能保持较高效率和较高起动转矩率和较高起动转矩n交流变频调速感应电动机交流变频调速感应电动机-难以比拟难以比拟总结总结50n感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性-需采用复杂矢量控制系统需采用复杂矢量控制系统nSRD SRD 电机通过电机通过-调整占空比、电压、电流调整占空比、电压、电流n可得可得-不同负载要求的机械特性不同负载要求的机械特性n控制简单灵活控制简单灵活-容易实现软启动、四象限运行容易实现软启动、四象限运行n由纯逻辑控制方式由纯逻辑控制方式-容易智能化容易智能化n通过修改程序软件调整电机工作特性通过修改程序软件调整电机工作特性-满足不同应满足不同应用要求用要求51nSRD SRD 电机电机-转矩波动转矩波动n可能导致可能导致-较大噪声和振动较大噪声和振动n电机设计和控制的不合理电机设计和控制的不合理-相关相关n通过通过-优化电机设计和控制策略优化电机设计和控制策略n转矩波动和转动噪音转矩波动和转动噪音-完全可以有效抑制完全可以有效抑制52