无刷同步电机

无刷同步电机（精选十篇）

无刷同步电机 篇1

某化工厂以焦炉煤气和氢气为原料,采用煤基液体燃料合成浆态床工业化技术生产柴油、石脑油、LPG等产品。合成车间有4台大型往复式压缩机,均采用10kV/2 650kW无刷励磁同步电机驱动,配套的WLK-03SC励磁系统的励磁电压为97V,励磁电流为15.8A,为恒功率因数自动控制方式。

1 无刷同步电机励磁系统

系统静态励磁控制柜采用双微机控制,当A套控制机工作时,B套控制机处于热备状态,可以自动或手动切换。系统由交直流电源双回路供电,当任一路电源消失后,另一路电源仍可保证装置的正常工作。

1.1 控制回路构成

系统由静态励磁控制柜、交流励磁发电机、旋转整流器构成,如图1所示[1]。

静态励磁控制柜包括励磁调节器CC(A套控制机和B套控制机)、调压器、三相半控整流桥。静态励磁控制柜为无刷同步电机中的交流励磁发电机提供励磁电源,可在0.3～1.2Ue范围内调节励磁电流,实现自动恒功率因数或恒励磁电流调节。励磁调节器CC的A、B套控制机均可在线无扰动切换。

交流励磁发电机与同步电机转子安装在同一个主轴上,采用定子励磁、转子发电方式。旋转整流器由三相半控桥式整流电路、起动电路、控制模块、灭磁电阻组成,均安装于交流励磁发电机的转子上。

1.2 工作原理

与同步电机主轴一起旋转的交流励磁发电机转子绕组感应出三相交流电,该三相交流电经旋转整流器整流后供给同步电机转子绕组励磁。调节交流励磁发电机定子绕组的励磁电流,就可使交流励磁发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整,从而改变同步电机转子励磁绕组的励磁电流。同步电机起动、停车时的灭磁环节和同步电机的投励环节都安装在转子上,均在旋转状态下工作实现无刷励磁。

2 故障现象

某日凌晨,原料气压缩机异步起动后正常投励,励磁调节器采用A套控制机工作,控制方式为自动恒功率因数。运行几分钟后,静态励磁柜发出“过励报警”信号,励磁调节器自动转换为手动控制状态,并将控制角α锁定在初始角90°。值班人员检查电网电压10.3kV和电机负荷1 685kW无异常后,按下调节器的“故障解除”按钮复位故障信号,励磁调节器恢复为自动控制状态,此时发现控制角α减小到最小角60°，励磁电流持续增大到27A,持续5s后发出“过励报警”信号,励磁装置再次将控制角α锁定在初始角90°。值班人员将励磁调节器切换为B套控制机工作后,静态励磁装置运行正常,控制角α为103°,励磁电流为6.5A,励磁系统实时跟踪负荷变化调整功率因数设定值为超前0.9,无任何报警。值班人员在线更换了A套控制机的ACPU板、AI/O板、ADY板,将励磁系统切换至A套控制机工作后,过励故障仍然存在。

3 故障分析

造成过“过励报警”的常见原因有:系统电压低励磁系统长时间强励;电机过载运行;励磁输出回路发生短路;励磁参数设置不当或励磁系统的电力电子元件损坏。下面针对这些原因逐一进行排查分析。

当系统电压低、电机过载或励磁输出回路短路时,为了保证设备的稳定运行,励磁系统会自动实行强行励磁,使同步电机的励磁电流增大到过励磁限制值。查看故障当时的系统电压为10.3kV,属于正常电压值;同步电机运行负载为1 685kW,小于2 650kW额定值。停机后,测量励磁电流输出回路绝缘,结果良好。于是排除了系统电压低、电机过载和励磁回路短路造成过励报警的可能。

与过励相关的设定参数有:过励限制定值OEL=1.4p.u,过励限制延时T3=5s,励磁电流显示倍乘Xif=15.8A。OEL×Xif为过励保护定值,当励磁电流大于此值时,且持续时间达到T3设定值时,即发出“过励报警”信号[2]。查看装置说明书并与B套控制机的相应参数核对后得知上述3个参数设定值合理,排除了励磁参数设置不当造成过励报警的可能。

根据故障现象(A套控制机发生“过励报警”后切换至B套控制机能够继续运行正常),可以初步判定A、B套系统的共用回路部分应无故障,即交流励磁发电机、旋转整流器、静态励磁整流部分、脉冲输出隔离单元等回路正常,故障范围缩小至A、B套各自独立的控制回路,即模拟量输入隔离单元或IO板、CPU板、DY板。由于故障时值班人员在线更换AIO板、ACPU板、ADY板后故障仍存在,因此应重点检查A套控制机的模拟量输入隔离单元。

A套控制机的模拟量输入隔离单元的参数及接线如图2所示,4个传感器依次为励磁电压ULBS、励磁电流IL-BS、系统电压UbcBS、电机定子电流IaBS。

将静态励磁控制柜转换开关切换至“调试”位置,手动增减励磁后,测量得到的传感器电路板的输入/输出数据见表1。

根据图2提供的传感器变比值对表1的输入/输出数据进行分析,得知励磁电压ULBS、励磁电流ILBS、电机定子电流IaBS传感器工作正常;而系统电压UbcBS传感器输入70V、100v时输出仅为2.0V,正确输出值应分别为2.45V、3.5V。由于系统电压UbcBS传感器的二次值偏低,进而造成A套控制机误判为系统电压一次值偏低,使励磁系统长时间强励输出,且大于过励限制延时时间后发生“过励报警”。更换A套控制机的模拟量输入隔离单元,重新起动同步电机后,系统运行正常。

4 结束语

本次励磁系统频繁报“过励报警”是由模拟量输入隔离单元的系统电压传感器损坏,造成励磁调节系统误判为系统电压低所致。励磁装置是保证同步电机正常稳定运行的重要辅助设备,为了减少其故障率,励磁设备制造单位应提高励磁装置的产品质量,采用优质、可靠的元器件,避免类似故障发生。同时,励磁系统的电力电子元件较多,且易损坏,因此应准备充足的备件。

摘要：介绍一起无刷同步电机运行时发生的过励磁故障,结合WLK-03SC无刷励磁控制原理和结构,分析故障原因,并提出相应的处理措施。

关键词：无刷励磁,同步电机,过励磁

参考文献

[1]WLK-03SC型无刷静态励磁装置电气图册[Z]

直流无刷电机性能分析 篇2

一、无刷直流电机的意义

人们对环境和能源的日益关注，推动了电动汽车的发展，加速了世界强国在电动汽车领域的竞争。在目前电池技术制约下，如何提高电能效率、提高电动汽车续驶历程，是电动汽车行业关注的焦点。无刷直流电机启动转矩大、调速性能好、效率高、能量密度大、过载能力强、性能稳定、安全可靠，是电动汽车的理想驱动电机。无刷直流电机的产业化生产，对提高电动汽车性能、促进电动汽车行业发展、使我国电动汽车行业赶超世界先进水平具有积极的促进作用。

二、无刷直流电机的先进性

电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。现就各种电机技术指标汇总见表1。表1 各种电机技术指标汇总

电机

性 能 直流串激电机 支流并激电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 磁阻开关电机 永磁同步电机 无刷直流电机

起动性能 5 4 4 2 3 4 5

低速性能 5 4 4 3 3 4 5

低速时效率 3 3 4 3 4 5 5

平均效率 3 3 4 4 3 5 5

能量密度 2 2 3 4 4 5 5

过载能力 4 4 4 4 3 5 5

再生能力 3 5 4 3 2 5 5

可靠性 2 2 2 5 5 4 4

制造成本 4 4 4 5 5 4 4

控制器成本 5 5 5 4 4 4 4

合 计 36 36 38 37 37 45 47

从上表看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。

无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来，它比永磁同步电机具有更高的效率和更大的低速转矩，两种电机的外特性见图1。

三、无刷直流电机的现状

无刷同步电机 篇3

摘要：本文主要介绍了三机无刷励磁同步发电机励磁原理及特点，永磁副励磁机优点及基本设计原则。

关键词：无刷励磁同步发电机 三机无刷励磁原理 永磁副励

磁机

1 三机无刷励磁同步发电机励磁原理及特点

三机无刷励磁系统由交流主励磁机、永磁副励磁机、旋转整流盘三大部分组成。永磁副励磁机为旋转磁极式，主励磁机为旋转电枢式。

励磁电流调节过程：

永磁副励磁机——可控硅——AVR调节器——作为主励磁机定子励磁电流——来调节主励旋转电枢的输出电流——送至旋转整流盘——发电机转子励磁绕组。

三机励磁结构特点：主励磁机电枢及其整流装置与发电机同轴旋转，给发电机提供励磁电流不需要任何滑环、换相器、集电环、炭刷等元件，减少了日常的工作维护量，提高设备的运行可靠性，避免了因炭刷炭粉和铜末对发电机绕组引起的绝缘污染，平常运行中基本不用对发电机本体进行任何操作；劣势在于：励磁回路没有专门的灭磁装置，通过可控硅整流桥逆变实现自然灭磁，灭磁时间相对较长（10s左右），另外，无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度、监视转子回路对地绝缘，监视旋转整流桥上的熔断器等。

2 采用永磁副励磁机的优势

永磁副励磁机作为主励磁机的电源从发电机本身的输出端获得励磁电流，经过整流后向发电机转子回路提供励磁电流，永磁机供电电压稳定，不受系统电压影响，在系统电压降低时能迅速提供强励电压，系统电压回复时间短，提高了机组的稳定性。

3 永磁副励磁机基本设计原则

3.1 磁钢材质的选取：国内常规三机无刷励磁发电机磁

钢材质通常选用钕铁硼，牌号JNC-35SH，主要验收性能

Br>1.18T，（BH）max>33MGOe、Hc>10.8kOe， Hcj>20kOe；

钕铁硼主要成分是Nd2FeB，优点：最大磁能积大、剩磁密度高、矫顽力高；不足：居里温度低、温度稳定性差、最高工作温度通常为150℃，由于化学成分中含有大量钕和铁，易生锈，化学稳定性欠佳，其表面通常需做电镀处理或磷化处理或喷涂环氧树脂以减慢其氧化速度。

钕铁硼牌号35SH磁性能：

■

3.2 极靴材料的选取：在凸极同步电机结构中，由于气隙比较大，气隙波形主要与极靴外形、极弧长度有关，而与钢的饱和程度关系不大，极靴的材料选取主要考虑材料力学性能，本公司极靴材料采用Q345钢，极靴外表面采用分段圆弧形，圆弧与铁芯内圆采用不同心设计。

3.3 永磁副励磁机与主励磁机的匹配关系：永磁副励磁机的容量根据主励磁机容量及励磁柜的AVR整流电路进行计算选取，以图1AVR整流电路为例，永磁机容量计算过程如下：

■

图1 AVR整流电路

由图1可见：

Un=Ufen×0.742

In=Ifen×0.817

Ufen：交流主励磁机额定励磁电压

Ifen：交流主励磁机额定励磁电流

Un：永磁副励磁机额定线电压

In：永磁副励磁机额定电流

考虑强励，永磁机容量选取2倍强励点时交流主励磁机所需最大容量：

即：Pn=■×（0.742×2×Ufen）×（0.817×2×Ifen）

3.4 永磁机电磁计算过程中关注：

①定子齿磁密，控制在0.5T～0.8T；

②永磁体的预估空载工作点一般设定在0.9左右，计算程序中预估值与计算值误差按1%之内考核；

③电压调整率按10%之内进行考核。

以上简要介绍了三机无刷励磁同步发电机励磁原理及特点，永磁副励磁机优点及基本设计原则，为各企业在设计过程中提供参考。

参考文献：

[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000

[2]汤蕰璆.电机学[M].北京：机械工业出版社，2012：129.

[3]魏静微.小功率永磁电机原理、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]王秀和，等.永磁电机（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5]GB/T10585-1989，中小型同步电机励磁系统基本技术要求

[S].北京：中国标准出版社，1989.

[6]JB/T7784-2006，透平同步发电机用交流励磁机技术条件[S].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：

无刷同步电机 篇4

关键词：转子,电机耦合能力,定子

常规交流电机具有较大不同, 两套定子绕组形成的磁场并不是之间耦合的。特别是结构上与的新型无刷电励磁同步电机, 绕组的电阻计算相对容易, 电感的计算相对复杂, 转子的结构影响该种电机的耦合能力, 两套定子绕组的极数配合, 采用绕组函数法对磁障转子和复合转电感参数进行计算。

1 励磁绕组极数对电机藕合能力

1.1 两套不同极数的定子绕组

控制绕组常用的极数配合, 根据无刷双馈电机功率绕组, 选取对电机的耦合能力的影响, 电机定子电励磁无刷同步电机励磁绕组极数, 针对电机的耦合能力和性能有着重要的影响, 两套绕组极数的配合会产生160%的基波幅值的6极磁场分量。通过有限元计算, 磁场分量定义为有用谐波, 电枢绕组极对数相同次数, 相同次数的磁场分量定义为基波, 励磁绕组极对数单独激励, 极弧系数对电机有用谐波含量的影响, 并对径向气隙磁密度的傅里叶分解, 不同极弧系数下电机径向气隙磁密, 得到在励磁绕组单独激励。

1.2 励磁绕组

电机给定转速均为750r/min, 针对励磁绕组的傅里叶分解, 得到了某一时刻的径向气隙磁场, 电枢绕组断路时, 励磁绕组单独激励。6极最大磁场分量和2极磁场分量产生了较大电机气隙, 2极励磁绕组单独激励时, 产生了较大的2极磁场分量。电机的气隙中产生6极最大磁场分量, 6极励磁绕组单独激励。针对不同极数绕组作为励磁绕组进行了仿真, 电机给定转速是500r/min, 电机某一时刻的气隙磁密度产生125%基波幅值的8极磁场分量。随着极弧系数不断的增大, 减小转子的等效极弧系数, 磁障转子中还需要加入磁障, 较小的极弧系数会增加转子磁路的饱和程度。电机有用次磁场分量含量越大, 极弧系数越小, 电机有用谐波占基波百分比逐渐减小。

2 励磁绕组极数对电机藕合实验结果及分析

2.1 实验结果

本文分别对8+4极定子和6+2极定子电励磁无刷同步电机进行了仿真, 两台电机的主要参数如表1、表2所示。从仿真结果可以看出, 复合转子的起动时间比, 起动转矩更大。异步运行时, 8+4极气隙中其他无用次谐波的含量要低于6+2极。

通过对表1、表2气隙磁场进行傅里叶分解可以看出, 励磁绕磁场的间接耦合, 实现电枢绕组磁场, 产生了较大的与电枢绕组极对数相同次数的磁场分量, 励磁磁场经过转子的磁场调制作用, 进而实现机电能量的转换。电机起动结束以后, 定子进入异步稳定运行, 其转速接近同步转速。6+2极磁障转子起动所需的时间约为1.5s, 而复合转子起动时间约为0.4s。电机异步稳定运行时, 磁障转子和复合转子径向气隙磁密及其频谱图。6极磁场分量的含量最大, 其次是2极磁场分量含量。复合转子其他次谐波的含量略大于磁障转子, 测试磁场调制作用结果。

2.2 实验分析

励磁绕组单独激励时电机的耦合能力越好, 产生电枢绕组极对数次数的磁场分量越大越好。由此可以得出, 电机的耦合能力越强, 当少极数作为励磁绕组时。复合转子两个转子共同作用效果叠加, 复合转子的磁场调制作用可以等效磁障转子, 因此, 复合转子数学模型可以写成磁障转子和笼型转子作用叠加。

3 结论

磁场是通过转子进行间接耦合, 针对电机的电感参数进行计算, 建立了不同转子结构该种电机的电感参数计算模型, 研究了不同定转子参数对电机耦合能力的影响, 采用有限元方法电机的耦合能力直接关系。

参考文献

[1]雷志银, 田晓霞, 陈鹏等.发电机无刷励磁与有刷励磁的区别及应用[J].科技信息, 2012 (31) :I0076-I0076.

[2]邓先明, 何凤有.新结构无刷电励磁同步电机设计与分析[J].电机与控制学报, 2014, 18 (01) :86-91.

[3]钱东祥, 魏佳丹, 周波等.无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制[J].中国电机工程学报, 2015, 35 (02) :477-485.

[4]熊飞, 王雪帆, 程源.不等匝线圈转子结构的无刷双馈电机研究[J].中国电机工程学报, 2012, 32 (36) :82-88.

产业用无刷直流电机 篇5

无刷直流电动机具有高效率,高精度,高转矩三高特性,能够轻松取代带速反馈的进口矢量控制变频器(或直接转矩控制),变频电机,直流有刷电机等;同时也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形图如图6所示。是目前产业自动化与节电现代化的最重要驱动装置之一。.

无刷直流电机产品规范

容量范围:~400kW

极数:2~48极

电压:直流电压,电瓶电压,单相,三相交流高低压可选.

频率:50,60,400Hz,直流.

框号:标准品45~355M,非标产品欢迎订制.

保护方式:IP-44/IP-54

速度指令:电位器,0~5V,4~20mA,RS-485

加减速时间:0.1~120S

绝缘等级:B级绝缘(F极可选)

控制方式:PWM(载波频率2~18KHz)

最低转速:通用型150rpm,高精度型可更低.

最高转速:100~30,000rpm可选.

转速精度:±1rpm/最高转速

调速范围:1:10,高精度型1:100.

最大转矩:150%.

转矩特性:恒转矩输出特性

激活转矩:通用型:200%,电瓶车:400%,牵引电机:600%.

制动转矩:20%以上,更高能力可选.

返馈装置:三相霍尔(相差120°).高精度及伺服型用光码盘.

基本功能:正反转,多段速度.

7--无刷直流电机与传统直流有刷电机的比较

无刷直流电机因为没有碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要;由于采用永磁转子,没有激磁损耗的问题,综合效率高出10~20%左右(依据功率大小而定),低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型

或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低,没有保养维修的烦恼，无刷直流与有刷直流及欧盟CEMED标准的效率比较请参见图7。.

图7各种直流电机效率比较图

8无刷直流电机与异步机加变频器的比较

虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善.

我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度(变频器降低约3%),电机温升相差20℃.

在风机水泵压缩机的负载上应用,功率--速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好.

典型高效率异步电机及变频器驱动后的效率曲线图如图8所示

图8效率曲线比较图

①BLDCM(无刷直流电动机)

②高效率异步机

③一般异步机

④无刷直流电机控制器

⑤变频器

参考文献

[1]许大中.晶闸管无换向器电机[M].北京:科学出版社,1984

[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社，

作者简介

戴政耀男台湾普传股份有限公司总经理。毕业于台湾明新技术学院电机工程科系,曾任职于台湾东元电机股份有限公司重电业务部门,熟悉各种电机与变频器产品的应用技术.

无刷同步电机 篇6

关键词：船舶发电机 励磁系统 故障处理

1 概述

HFC6船用无刷发电机由韩国现代电气工程有限公司（Hyundai Electrical Engineering Co. Ltd.）采用西门子技术生产制造，其性能指标及工作原理与同年代我国无锡电机厂（现无锡汾锡电机有限公司）按西门子专利许可制造的1FC5、1FC6基本一致。由于该类型发电机具有技术先进、运行可靠、维护管理简单等特点，受到船东和船舶管理公司的青睐，在上世纪90年代广泛应用于韩国建造的各类船舶上。目前我公司有2艘1995年韩国建造的4 960总吨392TUE集装箱船舶装备了该类型发电机，作为船舶主发电机。随着使用年限的增加，该类型发电机的故障逐渐增多，一些隐性的缺陷也开始显现，本文以HFC6 456-84K船舶发电机为研究对象，介绍一起较典型的励磁系统故障处理方法与日常维护管理要点，以供同行借鉴。HFC6 456-84K船舶发电机主要参数如表1所示。

表1发电机主要参数

序号参数名称参数值

序号参数名称参数值

1额定容量500KVA

2额定转速900r/min

3额定电压445V

4额定电流648.7A

5额定频率60Hz

6功率因数0.8（感性）

7绝缘等级F级

2 励磁系统基本原理

HFC6 456-84K 船用无刷同步发电机励磁系统如图1所示，G1发电机，G2同轴励磁机，A1电压调整器，L1线性电抗器，T1、T2、T3为单相电流互感器，T4压降补偿中间电流互感器，T6整流变压器，C1、C2、C3谐振电容器，V28励磁分流可控硅，R48串联限流电阻，V29静止整流模块，V2旋转整流器，U压敏电阻。

发电机组启动后，残留在发电机转子铁芯磁极上的剩磁与定子三相绕组相互作用，在定子三相绕组上产生较小的剩磁三相交流电压Us。该电压作为发电机调压装置的自励分量 Lu，经L1线性电抗器降压和移相后输入到T6整流变压器，经整流变压器电磁耦合，输出至V29静止整流模块整流。静止整流模块输出的直流励磁电压加载给予发电机同轴的交流励磁机G2的定子励磁绕组，交流励磁机转子绕组上便产生相应的三相交流电压。励磁机输出电压经V2旋转整流器整流后，形成发电机的励磁电压供给发电机G1转子励磁绕组。在此励磁电压作用下，发电机的定子绕组产生更高的三相交流电压。这种正反馈的作用使发电机输出电压迅速上升到空载特性曲线1和励磁特性曲线2的交汇点A，如图2所示，也即额定电压Ue （445V），从而完成发电机的自励起压过程。

图2 励磁系统自励起压过程

电容C1、C2、C3在系统中的作用是：在发电机运行于0.9额定频率附近的起压阶段，通过LC串联电压谐振作用，增大输入整流变压器的电压，使图2中的励磁特性曲线2右移，成为特性曲线3，从而快速越过B、C点，以避免电压稳定在该两点上，使发电机迅速起压。电压增大到一定值后，由于非线性阻抗迅速减小，励磁特性曲线又逐步恢复到特性曲线2上。

T1、T2、T3单相电流互感器将发电机的各相负载电流，即发电机的复励分量 Li输送至整流变压器复励绕组，复励分量 Li作为发电机电枢反应去磁效应和内阻抗压降的补偿，在整流变压器上与自励分量 Lu进行电磁（磁势）矢量叠加、耦合后经整流变压器输出绕组输出，共同加载给发电机的励磁系统，从而完成发电机的相复励调压。整流变压器在其中的作用是对电压和电流进行变换，通过电磁综合电压和电流分量，同时隔离励磁电路和发电机主回路。利用等值电路分析，可以画出相位和电流补偿时静止整流模块V29交流侧励磁电流 L的矢端轨迹，如图3所示。

图3交流侧励磁电流I的矢端轨迹图

在进行等值电路分析时，我们是用变换到副边的电流相迭加的方法来得到 L的，这只是一种分析、计算的方法，实际上两分量只有电磁联系而没有电的联系，计算分析方法中等值电路中的那些电流实际上都是磁势的表征，它的迭加实际上也是磁势的迭加，即电压与电流分量是通过电磁关系而迭加的，如图4所示。

图4相复励系统磁势迭加矢量图

电磁叠加相复励调压系统具有电流补偿和相位补偿功能，由于调压和发电机电压的变化几乎是同时进行的，因此调压动作速速，动态特性好，能满足对发电机电压的动态调整率要求。

发电机的静态电压调整主要由图1中的A1电压调整器来完成的，其调节原理：发电机的输出电压经A1电压调整器的1、3端引入，与电压调整器A1中设置的基准电压进行比较，差值经电压调整器A1中的积分比例单元电路放大后去控制可控硅的触发单元。触发单元则根据差值信号的大小和方向控制可控硅V28的导通角，以调节发电机励磁电流分流作用的大小，达到输出电压精调的目的。电压调整器A1和分流可控硅V28共同作用，来满足发电机输出电压的静态调整率。电压调整器A1在系统中的实际功能就是一个电压校正器，理论上静态电压可以做到无差调节。

为了使发电机能并联运行，励磁系统中增加了一个压降补偿电流互感器T4，其功能是与电压调节器A1中的专设元器件共同作用，来保证发电机输出外特性曲线有一定的斜率，即对输出电压进行调差。

R48在可控硅回路中进行限流，保护可控硅不受过电流的冲击。旋转整流器电路中的电容C和压敏电阻U防止瞬间过高的励磁电压对旋转整流器V2的冲击。

3 励磁系统故障现象与检查

nlc202309021332

2013年3月10日，某轮海上航行中准备对正在运行的1#辅机进行常规检修，便启动2#发电机组。运行15分钟后成功并网，并在负载转移后将1#发电机解列。此时，发现2#发电机电压突然由445V降到400V左右，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。值班人员随即通知驾驶台停主机及相关辅助设备。这些操作完成后，发现2#发电机电压回升至410V左右，船舶电气管理人员卸载部分负荷后迅速将2#主开关分闸，同时合上1#主开关，启动相关辅助设备，待恢复主机动力及正常航行后，船舶电气管理人员查看2#发电机，电压又恢复到445V。为安全起见，船舶使用1#发电机直至靠港，同时将故障情况E-MAIL报公司，寻求岸基支持。

船舶靠妥码头后，笔者上船对2#发电机调压系统进行了全面检查，发电机各接线未发现有松动及脱落现象。检查电压调整器A1板子，也未发现有明显的烧灼和脱焊假焊痕迹。进一步检查励磁控制系统的各整流设备及其他部件，也未发现有异常，检查中仅发现静止整流器模块环氧封装面上有一条裂缝，见图5。

图5 静止整流器模块

随后启动2#发电机，将转速调到额定转速，电压为445V，将2#发电机并网，转移功率后分闸1#主开关。2#发电机电压再次降至415V左右，此时发电机频率为60Hz，功率为50kW，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。

4 励磁系统故障分析与处理

在上述故障现象检查的基础上，对故障进行了分析。首先空载电压正常，说明发电机的自励部分及相关设备工作是正常的；发电机加上正常航行功率120kW，电压下降到400V左右，切断为主机服务的辅助设备后，电压略有上升为415V左右，说明发电机的电压是随着负荷的增加而下降的。因此，判断故障应发生在复励部分和电压调整器A1主板及整流器部分。根据以往经验，在本发电机的励磁系统中，比较容易发生故障的是电压调整器主板及整流器部分。电压调整器主板发生故障，有可能发出错误的调压信号，导致电压错调。整流模块元器件老化，有可能发生元器件可逆性击穿现象，即元器件在一定的端电压下能正常工作，但当端电压超越该值后发生击穿类似于稳压管的反向工作特性，当端电压恢复到该值以下后又恢复原先的特性，故此我把它定义为元器件的可逆性击穿。整流元器件的可逆性击穿故障，笔者曾在二十几年前的原装西门子IFC4发电机故障中碰到并处理过。相对而言，发生在T1、T2、T3单相电流互感器及T6整流变压器的概率较小。

本发电机调压系统中更换电压调整器A1主板（全插件式）和整流器模块还是比较方便的，因此我们首先考虑更换整流器模块。旋转整流器虽然运行环境较恶劣，但由于励磁电压低，整流元件超配容量大，发生损坏的概率较小，以往的管理中也较少发生这类情况，为此我们决定先更换静止整流器模块V29，况且它环氧封装面上已有一条裂缝。

但更换备用静止整流模块V29后开机试车，故障如前。然后，更换备用电压调整器A1主板，换妥后启动发电机组试车，发电机故障依旧。

进一步检查旋转整流器和T1、T2、T3单相电流互感器及整流变压器T6接线，外部连接线正常。然后将各线逐步拆除检查电流互感器T1、T2、T3和整流变压器T6，发现T3电流互感器次级绕组回路不通，拆卸下T3电流互感器检查，发现互感器引线至接线桩处断裂。对断线处重新进行了焊接处理后，将T3电流互感器装复。检查确认各拆接线连接无误后，开机试车，发电机恢复正常。我们将原更换下的静止整流模块V29和电压调整器A1主板等备件换回发电机，进行试验，发电机运行正常。由此我们确认故障是由T3电流互感器次级绕组引线处断裂所致。

5 管理中应注意的问题

对故障电流互感器T3检查发现，引线断裂处应该在生产时就存有瑕疵，经过这么多年的使用，瑕疵处不断被氧化，最终导致断裂。但由于该设备安装在发电机输出接线铜排的下端半封闭位置处，见图6，平时检查一般不会检查到这一步，发电机进厂进行预防性修理时也常常会被忽略。由设备老化和疏于检查导致的这一故障，提醒我们船舶发电机进厂进行预防性修理时，对平时容易被忽略的检查部位和项目有必要做细致的检查，尽可能将故障隐患消除在萌芽状态，从而控制和降低船舶的营运风险。

图6 电流互感器T1、T2、T3安装位置

船舶电气管理人员具备一定的专业知识是相当重要的，公司已在该船舶储备了足够的更换备件，船舶电气管理人员应有能力对这类故障进行自修处理，但该轮电气管理人员由于缺乏这方面的技能，致使船舶一台发电机运行到靠港，船舶和公司均承担了很大的风险。因此在船舶电气管理人员队伍整体技能滑坡的今天，加强对船舶电气管理人员上岗前的技能审核，培养在职船舶电气管理人员的责任意识和综合职业素养是十分重要的，也是十分必要的。在船舶电气管理人员技能培训、岗位收入等环节增加必要的投入，是确保航运企业船舶营运安全的有效途径之一。

参考文献

[1] 黄伦坤，朱正鹏，刘宗德。船舶电站及其自动装置[M]。北京：人民交通出版社，1981

[2] HFC6 456-84K船用无刷同步发电机使用手册

柴油发电机无刷励磁方式 篇7

向同步发电机的励磁绕组供给励磁电流的整流装置,就叫做同步发电机的励磁系统。中、小型同步发电机的励磁方式按其励磁功率的产生方式分为自励式和他励式。所谓自励式,就是利用整流器将发电机本身发出的交流电(附加绕组产生的交流电)经过整流后送入励磁绕组。而他励式则是发电机的励磁功率取自于另外的电源,例如直流励磁或交流励磁机。

关于励磁电流的供给方式,以往是在发电机转子的一端上固定安装一对滑环随转轴旋转,励磁电流通过碳刷送到滑环上,并供给转子绕组用以产生磁场,这是有刷励磁。由于滑环随转轴高速旋转而碳刷固定不动,还需紧贴在滑环表面上,这种松散的机械联系造成了两大问题:一是火花不可避免,有时会出现“环火”,存在着励磁回路发生短路的潜在危险;其次是磨损不可避免,滑环表面也常出现烧蚀斑痕或磨出了沟槽。因为励磁系统的工作状况直接影响到发电机工作的可靠性、稳定性和电能质量,同步发电机的励磁技术历来受到电业工程技术人员的关注。近年来,由于电子元件、器件的迅速发展,支持了发电机励磁技术的改善和提高,各种励磁方式也已代替了过去笨重的碳阻调节励磁装置。

2 简单介绍各类励磁装置的分类和性能

2.1 励磁方式分类

国内中、小型发电机所采用的励磁装置有下列几种:

(1)手动励磁装置

(2)碳阻自动电压调整器

(3)快速相补偿励磁调节器

(4)可控与不可控相复励装置

(5)可控硅励磁调节器

(6)谐波励磁装置

(7)无刷励磁装置

虽然各种励磁系统的工作原理不同,但其基本原理则是相同的,即在工作状态下,其电压调整率的精度由励磁系统的输出特性和发电机本身固有特性的一致程度所决定的。

2.2 各类励磁装置技术性能

经过表1的比较,可得出如下意见:

(1)中、小型低压发电机,在我国趋向采用自恒压方式,即取消励磁机。直流励磁机励磁方式比较落后,技术性能指标差,可靠性不高,体积大重量重,制造工艺复杂,已逐步淘汰。

(2)相复励系统是采用较早、应用广泛的自激自调方式,在实践中是比较成熟的。

(3)不可控相复励磁方式,可靠性高、过载能力强、技术性能可满足用户的使用要求,维护方便,主要存在体积较大、重量较重的缺点,在某些对静态指标要求较高的地方,仍在采用此种励磁装置。

(4)由于半导体技术的发展,可控硅励磁方式已广泛用到中小型同步发电机上。它具有稳态性能好、动态指标高、温度与频率补偿性能好、体积小、重量轻和效率高的优点,还可以进行同容量和不同容量的机组并联运行。它的缺点是:可控硅质量不稳定,有些调节器可靠性差。

3 无刷励磁方式

上世纪70年代一些国外中小型同步发电机励磁性均用无刷励磁方式,如引进的美国康明斯(Cummins)、卡特彼勒(Caterpilar)、英国的佩特波(Petbow)、十字军(Crusder)等柴油发电机励磁方式都是无刷励磁方式。在我国多采用三次谐波励磁方式的自励恒压方式。而无刷励磁方式在结构上较复杂,轴向尺寸长,其优缺点并不十分显著,因此我国生产的中小型柴油发电机组用无刷励磁方式研制较慢。

带有与同步发电机同轴的交流励磁机的无刷励磁方式与上述比较称为一种新型励磁方式,将同轴的交流励磁机设计成旋转电枢式,并将硅整流桥也固定在此电枢上一起旋转,组成旋转半导体励磁系统。从而完全省去了集电环、碳刷等滑动装置,形成了无刷励磁系统。这种无刷励磁发电机没有磨损的碳粉和铜末所引起的污损,其绝缘使用寿命长,没有带电接触情况,不会产生火花,能在易燃气体环境中运行;由于省去了电刷、集电环或换相器繁琐的维护工作,提高了发电机运行的可靠性。无刷励磁方式的交流励磁机为旋转电枢式发电机,一般采用三相发电机,小容量时也有用单相发电机。交流励磁机的频率比主发电机要高些,由于频率可以提高励磁机的反应速度,我国采用120Hz的旋转整流器多为三相全波整流电路,也有采用半波整流电路的。采用三相半波整流电路,虽然旋转硅整流元件的数量减少一半,但其元件承受励磁绕组感应出的过电压要大一倍,而且会使交流励磁机的利用率降低,所以一般采用三相桥式全波整流方式。另外考虑到主发电机突然短路时,将在整流桥直流侧的磁场绕组中感应出很高的浪涌电压,因此一般在直流侧加装一个放电保护电阻或稳压管,有的用碳化硅压敏整流堆做浪涌电压吸收元件,也有的用氧化锌压敏电阻。

无刷励磁技术概括起来有如下三种在结构上不尽相同的励磁系统:一是带交流同步励磁机和旋转整流器的无刷励磁;二是由异步励磁机和发电机组成的无刷励磁;三是固定旋转变压器和旋转可控硅整流器的交流无刷励磁系统。目前,在国内外柴油发电机组上,大部分是用交流同步励磁机和旋转整流器的无刷励磁系统,这一系统的原理图如图1所示。

注:1—旋转部分;2—主发电机;3—电流互感器;4—电压互感器;5—整流变压器;6—整流器组;7—自动电压调节器;8—发电机励磁线圈;9—励磁机励磁线圈

三相无刷同步发电机结构见图2、图3。

正、反向二极管均能耐受较大的离心力。

电涌抑制器,消除高次谐波,防止电磁干扰。

4 选择发电机组须注意的问题

(1)发电机(对于带励磁机的机组)要求厂家提供空载和满载时的励磁电压、励磁电流资料。

(2)发电机(对于带励磁机的机组)要求厂家提供冷态和热态电阻资料。

(3)如果多台发电机并车运行,设计上应要求厂家提供配套并车屏。

以上所谈仅是自己的认识,有不对的地方请同行们指正。

无刷直流电机的电流闭环控制 篇8

理想情况下,BLDCM的三相反电势是互差120°电角度的梯形波,该梯形波的平顶宽度为120°电角度,三相电流为互差120°电角度的矩形波,该矩形波的宽度也为120°电角度。此时,BLDCM的输出转矩脉动较小。但是,在实际情况中,反电势和相电流并非理想的梯形波和矩形波。因此,根据转矩脉动产生的根源,可以将BLDCM的转矩脉动分为齿槽转矩脉动、斩波转矩脉动和换相转矩脉动三种[1]。

在BLDCM调速中,一般采用PWM技术[2]。在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。该原理称为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础。即通过一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的电压波形,以改变施加在电机绕组上的相电压。BLDCM的驱动器其实就是三相逆变器,PWM控制技术在逆变电路中的应用最广泛,对逆变器的影响也最深刻。现在大量应用的逆变电路中,绝大部分都是PWM型逆变电路[3]。

不同的PWM开关状态将导致电机相绕组上施加不同的外加电压,不同的外加电压将产生不同的电流上升或下降速度,从而引起转矩随开关状态的变化而脉动,即斩波转矩脉动[4]。

在不考虑换相的过程中,斩波转矩脉动主要和PWM斩波模式(开关状态)、占空比、电机反电势、母线电压和电机本体参数有关[5]。本节以斩波模式入手,研究BLDCM的斩波转矩脉动。

综上所述,最有效的方法就是采样非换相电流,通过实时调节三相逆变器开关管的PWM占空比,改变施加在绕组上的瞬态电压,从而保持非换相电流的恒定,以减小转矩脉动。

2 相电流闭环控制方法

BLDCM相电流闭环控制框图如图1所示。整个系统主要由电流环和转矩计算等环节构成。

(图1)中,iset是外部的电流给定。由于电机三相绕组星形连接,在任何时刻三相电流之和为零,测量两相电流,即可计算出第三相电流。对于单方向旋转的泵类系统,一般没有剧烈的加减速过程,电机永远输出单方向的转矩。因此在转矩计算中,仅计算反馈的幅值,不考虑反馈电流的方向。此时,转矩计算模块如(图2)所示,将三相电流绝对值相加除以2,得到实际流过功率管的电流记为反馈电流if。由于BLDCM的电气时间常数很小,积分控制的延迟时间较长,无法及时抑制电流的脉动,电流环可采用纯比例控制。

对于伺服系统,为了满足电机加减速、正反转、起动制动以及电动发电运行对双方向转矩的要求,转矩计算不单单指电流幅值大小的计算,还包括电流方向的判断。从本质上讲,BLDCM属于交流电机,三相电流随着电机的旋转而交变,其相电流产生转矩的方向与电机转子的位置有关。

根据BLDCM电磁转矩Tem与相电流的公式,得

当电机顺时针旋转,在0～60°-60～120°换相阶段中,根据式(1),即

在60～12 0°非换相阶段,不考虑非导通相电流,,转矩公式为

当电机逆时针旋转,在120～180°-60～120°换相阶段中,减小,增大,是非换相电流,转矩公式为

因此,当考虑换相阶段三相导通时,转矩计算公式不仅与电机转子位置电角度有关,还和旋转方向有关。

3 仿真结果分析

2kW电机闭环转速给定为8000r/min,负载1.6Nm,母线电压270V。电机在第Ⅰ象限工作,分别对常规电流闭环控制方法和相电流闭环控制方法进行仿真。其A相电流(A)、母线电流(A)、转矩(Nm)、电机转速(r/min)波形如(图3、4)所示。

(图3)是开关频率为20kHz的常规电流闭环控制的仿真波形。可见A相电流的脉动较大,尤其在换相时刻,由于相电感的存在,在换相结束后的导通阶段相电流有一个逐渐增大的过程,在120°导通期间内相电流峰峰值为6.70A,平均值为8.61A,有效值为8.81A。

(图4)是开关频率为20kHz的相电流闭环控制仿真波形,其A相电流较平稳,未出现图3中的换相波动,但存在斩波脉动,在120°导通期间内相电流峰峰值为3.03 A,平均值为8.81 A,有效值为8.85A。母线上M点电流波动较小,平均值为5.11A。但换相转矩脉动依然存在,峰峰值为0.61Nm,转矩平均值为1.60Nm。转速波动范围为0.06r/min,平均值为7999.6r/min。

4 结论

在换相期间,分别在考虑斩波和不考虑斩波两种情况下的三相电流进行分析,指出了BLDCM的转矩脉动主要来自于非换相电流的脉动,提出了无非换相斩波的PWM方法,与其他斩波方法相比,该方法降低了关断相电流的下降速度消除了非导通相电流,有利于转矩脉动的减小。

摘要：分析了BLDCM的换相转矩脉动,指出了引起转矩脉动的主要原因是:关断相电流的下降速度大于开通相电流的上升速度,得到了减小电机低速运行时非换相电流脉动的方法,该方法的原理是令换相期间脉宽调制信号的占空比α等于两倍的稳定运行时脉宽调制信号的占空比α1(2α1=α法)。在此基础上,提出了基于三相电流的相电流闭环控制。指出只有三相电流控制才能有效控制相电流。分别通过仿真验证了基于三相电流的相电流闭环控制能够有效的减小非换相电流的脉动。

关键词：BLDCM,相电流控制,转矩脉动

参考文献

[1]韦鲲.永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术的研究[D].浙江大学博士学位论文,

[2]Byoung-Hee Kang,Choel-Ju Kim,Hyung-Su Mok,Gyu-Ha Choe.Analysis of torque ripple in BLDC motor with commutation time[J].IEEE ISIE.2001:1044-1048.

[3]李自成,程善美,秦忆.不同PWM调制方式下无刷直流电机电磁转矩的计算[J].微电机,2010,43(3):10-13.

[4]Ki-Yong Nam,Woo-Taik Lee,Choon-Man Lee,Jung-Pyo Hong.Reducing torque ripple of brushless DC motor by varying inputvoltage[J].IEEE transactions on magnetics.2006,42(4):1307-1310.

解析无刷直流电机的工作原理 篇9

传感器的无刷直流电机与无传感器的无刷直流电机的基本工作原理是一致的, 主要差别是有传感器的无刷直流电机是利用如霍尔元件作为位置传感器来检测转子位置信号。而无位置传感器的无刷直流电机取消了作为位置传感器的霍尔元件, 利用一些控制算法来计算出转子位置信号。虽然研究的是无位置传感器的无刷直流电机, 但可以简单的通过有位置传感器的无刷直流电机的工作原理的叙述来了解无位置传感器的无刷直流电机的工作原理。无刷直流电机的基本工作原理就是借助反映转子位置的位置信号, 通过驱动电路, 驱动逆变电路的功率开关元件, 使电枢绕组依一定顺序馈电, 从而在气隙中产生步进式旋转磁场, 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动, 转子位置信号依一定规律变化, 从而改变电枢绕组的通电状态, 实现无刷直流电动机的机电能量转换。

1 无刷直流电机的基本组成

无刷直流电机主要由电机本体, 位置传感器和电子换向线路组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似, 但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相 (三相、四相、五相不等相) 。转子由永久磁钢按一定极对数 (2p=2, 4, ……) 组成。当定子绕组的某一相通电时, 该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩, 驱动转子旋转, 再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号, 去往控制电于换向线路, 从而使定于各相绕组按一定次序导通, 定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子换向线路的导通次序是与转子转角同步的, 因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此, 可以把无刷直流电机认为是一个由电子换向线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的“电动系统”。

2 无刷直流电机的工作原理

永磁无刷直流电机一般由以下几部分构成:电动机本体 (带有电枢绕组的定子和永磁转子) 、位置传感器和电子换向电路。在无刷直流电机中, 借助反映转子位置的位置传感器的输出信号, 通过电子换相线去驱动路与电枢绕组联接的相应的功率开关元件, 使电枢绕组依次馈电, 从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场, 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动, 位置传感器不断的送出信号, 改变电枢绕组的通电状态, 使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变, 这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。其原理如图1所示:于无刷直流电机中永久磁钢装在转子上, 而有刷直流电机磁钢装在定子上。无刷直流电机的电子换向线路是用来控制电机定子上上各相绕组通电的顺序和时间的, 主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。

功率逻辑开关单元是控制电路的核心, 其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机的各项绕组, 以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位置信号。但是, 由位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元, 需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。

众所周知, 一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成, 其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换相作用, 使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持相互垂直, 从而产生最大转矩而驱动电机不停的运转。有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电机相比, 就不难看出, 其实无刷直流电机和有刷直流电机一样, 本身都是一台同步电机, 只是有刷直流电机中加的是一个机械的逆变器一换向器和电刷, 而无刷直流电机中采用电子换向装置一电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同, 但它们所起的作用却是完全相同的, 都是为了实现直流电机的换相。

3 无刷直流电机的位置检测方法

无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发组合状态是控制无刷直流电机的关键。转子的位置检测装置最直接、有效是利用位置传感器得到不同位置信号经门电路、模拟开关或专用芯片可得到不同触发逻辑信号, 实现触发状态的自动切换。但是位置传感器使用增加了电机体积, 使无刷直流电机微型化带来了困难, 也增加了电机制造的工艺。

为了省去位置传感器, 人们设计了多种方法来检测转子位置。端点压检测法是根据各相反电势随转子位置改变, 把三相端点压经低通滤波器延时900电角度, 在经比较电路得出触发逻辑信号。但该方法存在着低通滤波器在电机低速时对不足900电角度情况, 导致触发信号提前切换, 对电机电流, 转矩产生较大影响, 严重时引起电机失步。在端点压检测法的基础上可以在电机低速运行时采用三相端点压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法, 在整个运行段根据不同转速, 在两个位置检测电路之间进行切换。随着微处理器的应用, 利用软件可以完全简化端电压检测的位置检测信号。

还可以通过检测于功率器件反并联的二极管的导通与否来判断绕组反电势的过零点。这种方法在低速时也能检测到二极管的导通, 是电机能在低速时正常运行且有利于顺利完成启动过程。但是, 这种检测方法需在二极管上并列检测电路。这对于集成的功率器件很难实现, 并且二极管的导通时刻并不是绕组的真正过零时刻, 要想消除这种误差就必须另加补偿电路。

还有一种检测转子位置的新方法, 在永磁转子的表面粘贴一些非磁性的导电材料, 利用定子绕组高频开关工作时非磁性的导电材料上的涡流效应, 使开路相电压大小随转子位置角而改变。从而可通过检测开路相电压来判断转子位置, 此法不依靠反电势。因此能保证电机在低速时可靠运行和顺利起动。但此方法需特殊电机, 对电机制造工艺有很大要求。

4 结论

首先详细的论述了无刷直流电机的基本组成:电机本体, 位置传感器和电子换向线路。并且在此基础上把无刷直流电机与有刷直流电机作以比较, 由此引出无刷直流电机的优点。进而提出了性能优于无刷直流电机的无位置传感器的无刷直流电机, 同时指出了由于无位置传感器的无刷直流电机的工作原理与有位置传感器的无刷直流电机相类似, 所以可用有位置传感器的无刷直流电机的数学模型等来说明无位置传感器的无刷直流电

然后详细介绍了无刷直流电机的工作原理, 当中还包括了对无刷直流电机的反电势、力矩波动得意些简单的分析。

最后详细的介绍了无位置传感器的无刷直流电机的位置检测方法, 及各种方法的优缺点。着重对于在中对于无刷直流电机的位置检测的反电势法做以介绍, 并分析其优缺点, 同时简单的说明了对于其缺点的克服。

参考文献

[1]罗隆福, 杨艳, 方日杰.无刷直流电动机中有待深入研究的主要问题[J].微特电机.2002 (l) .

[2]丁志刚.无刷直流电动机的研究和开发进展[J].微电机.2003 (l) .

[3]白雷时, 杨华.基于DSP的无刷直流电动机控制系统[J].电器传动自化.2002 (4) .

无刷同步电机 篇10

在低功耗的伺服应用领域,传统的直流电机因其价格低廉、易于操作等优点而备受欢迎。但其主要缺点是电机集电环的使用寿命很短。此外,电刷火花会损坏转子线圈,引起电磁兼容性(EMC)问题,而直流无刷电机的线圈换向是通过电子逆变器而不是使用集电环,因而避免了这类问题,并且其具有高能量密度、高转矩惯性比、高效率等特点,因而得到广泛的应用[1]。然而,电机在运行过程中会由于超负荷、过热等原因而发生故障。因此,在电机故障前尽早地检测出故障并采取相应措施是非常必要的。

近年来,在电机故障诊断领域进行的研究很多,这些研究主要是针对带有机械集电环的传统直流电机进行研究的,也有一些研究是针对感应电机的。本文给出了一种直流无刷电机的故障检测机制,可对电机进行详细的故障排除。使用LS参数估计技术,可以确定电机的物理参数,如阻抗、反电势等。将这些参数与正常系统下所测量的数据进行对比,从而检测出故障。

1 系统建模与故障检测

本文使用的是参数估计技术。过程参数的测定只需要使用输入信号和输出信号。下列的差分方程表示一个连续过程的建模。

u(t)是输入信号,y(t)是输出信号,其中,系数ai和bi对应相应的物理参数,它们可以由参数估计算法决定,如最小二乘法(LS)理论,具体方法如下。我们可以将式(1)写成以下带参数和连续时间数据的向量形式:

其中参数和连续时间数据向量分别是:

为了进行参数估计,引入了方程误差e(t)。

进行离散时间取样后,k=t/T0=0,1,2…,N,其中,T0表示取样时间,LS和的最小值

可以进行LS估计

或者以递归的形式(RLS)进行在线估计

在本论文中,采用离散平方根信息滤波算法形式(DSFI),取代了基本算法,改进了数值属性[11]。

2 数学过程建模

在本节中,将推导出直流无刷电机的数学过程建模。采用四极永磁转子的星形连接三相方波电机是由PWM变频器驱动,转子的位置由MOSFET晶体管的切换顺序决定,可以由安装在定子上的三个霍尔传感器检测到(见图1)。

通过调整定子线圈的输入电压来控制电机的速度,为了控制定子线圈的输入电压,可利用上面一排晶体管中激活的(可传导)晶体管来调制PWM速率。如果忽略定子线圈的电感,单线圈的数学模型可以得出如下:

相位1的梯形反电势是,其中,是转子的角速度,kE1是反电势常量,v1表示的是与参考电压相关的相位电压,而vn则是星点电压[9]。

图1 PWM变频器连接三相直流无刷电机(参见下页)

因此,对于所有的三相位[12],都有下面的方程式系统:

通常情况下,我们无法获取星点,也就无法获得各自的电压,由于其中一个线圈始终是打开的,可以消除式(11)中的vn,方程就会变得更加简单。假定线圈1和线圈2都可运行,就有条件v1=vpwm,v2=0,i2=-i1以及i3=0,应用到上述方程中,能够得到:

另外有条件vpwm(t)=pwm(t)·vb,它表示PWM由晶体管的输入电压vb调制,而pwm∈[-1…]。PWM信号pwm由内部控制器生成。v0是电源变频器中的电压降,通常认为是一个常量。由此可以得出其他五种情况下的等价方程[7]。

为了能够提供一个经济合理的解决方案,并且避免测量所有相位电流和电压,仅测量六相位全桥电流的输入电流ib,输入电压vb以及转子的角速度ωr。考虑到功率平衡,可以从桥电流中得出平均相位电流:

将该关系式及式(12)的平均值应用于五种情况,可以得到:

基于式(16),可以通过测定方程--式(17)得出相应的转子阻抗及反电势常量。

因此,必须测定直流输入电压vb,桥电流ib(t)以及转子的角速度ωr(t)。由于信号pwm(t)是控制器输出,所以它是已知的,不需要测量。

3 仿真实验

采用MATLAB/Simulink对直流无刷电机的误差检测进行仿真。为了保证持续励磁,模型输入(PWM信号)由伪随机二进制信号(PRBS)提供。由于电机的机械时间常量大约为10ms,取样时间接近0.5ms,在测试过程中,将会引入两个故障。

·当t=0.35s时,所有线圈的相位阻抗都按10%递增,以模拟持续升温的定子。

·当t=0.58s时,线圈2将由于线圈损坏或连接器损坏而中断。

这里需要测量,以及角速度ωr(t)三个信号,角加速度是未知的,在电力子系统的分析过程中不需要这个参数,但是在机械模型中它是必须的,可以通过状态可变滤波器三阶,截止频率:200Hz产生。参数估计所需要的其他所有信号均由同一个滤波器产生[8]。

图2显示的是上述两个故障对估计参数和的影响。在瞬态之后,这两个参数分别达到其额定(耦合)值8、0.0375V.s/rad。故障检测算法可以准确地检测到第一个故障的发生,在若干毫秒内将达到8.8的准确值。这对的影响很小,而且持续时间很短。如果某一个阻抗发生改变,我们将无法确定是哪个线圈发生改变,只能测定阻抗的全程值,在测定过程中,单相位改变可以由下式反映:

如果需要提供更详细的线圈故障排查信息,那么在故障检测方案中,需要基于所有三相电流测量来测定三相阻抗和反电势常量。

第二个故障是发生在t=0.58s时,此时,估计阻抗和反电势常量会发生严重偏差,但是偏差是不规则的。相对于线圈停止工作而言,参数更改只是很小的变动,考虑到估计参数的变量的存在,在正常参数发生改变时,这个故障很容易识别。

4 实验结果

在第3节中,已经推出了直流无刷电机的数学模型,描述了故障对测定的这些参数的影响,并进行了仿真实验。本节将给出现实伺服系统中该方法的实际应用。试验平台采用美国国家仪器公司(National Instruments)的Lab VIEW工具软件和PCI6251数据采集卡,以增量式光电编码器和霍尔电流传感器作为检测元件,完成数据的采集、处理和显示。

直流无刷电机在无故障情况下的默认参数在表1中给出。考虑到抗锯齿作用,可以使用模拟低通滤波器(截止频率为500Hz)过滤模拟信号。采样时间为1ms,转子角速度使用基于霍尔传感器脉冲的状态变量过滤器(三阶,截止频率为5Hz)进行计算。直流无刷电机以闭环方式工作(见图3),以轴位置的类三角缓慢变化的方式,采用了一个在正常操作中的现实参考信号。当t=65s时,线圈阻抗以循环方式,在电路中以2Ω的方式递增,以模拟逐渐增温的定子。

图4所示是测量的故障。当故障产生时,参数约为1.4Ω,前面已经提到,是耦合线圈的阻抗,只有当所有的物理阻抗都进行估计后才给出。单个线圈的改变则根据式(18)进行计算,其他计算则按原来的计算方式进行。试验结果表明,在直流无刷电机运行过程中可以对一些常见故障进行很好的在线检测。最后,需要指出的是,对于线上应用,必须保证持续励磁[10],这点必须有相应的监管机制。

5 结语

本文采用了一种用于直流无刷电机故障检测的方法。通过LS参数估计技术,可以对较少的可测量信号进行测量,从而获取电机的详细故障信息,即使参数发生较小改变也能够被检测到。因此,基于桥输入电压/电流以及转子角速度,我们可以建立一个模型,从该模型以及实验数据中,可以反映出故障检测的性能。此方法既可以在下线检测中使用,也可以应用在在线故障检测上。

参考文献

[1]许彦峰,孙汉旭,贾庆轩,等.直流无刷电机故障检测与诊断的仿真模型[J].振动、测试与诊断,2005,25(3):27-29,75.

[2]李晓虎,贾民平,许飞云.频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断,2003,23(3):168-170.

[3]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1996.　

[4]Frank P M.Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy[J].Automatica,1990,26(3):459-474.

[5]Geiger G.Monitoring of an electrical driven pump using continuous-time parameter estimation methods[C]//Proc.6th IFAC Symp.Identification and System Parameter Estimation,Washington,DC,1982,:603-608.

[6]Gertler J.Survey of model-based failure detection and isolation in complex plants[J].IEEE Contr.Syst.Mag.,1988,8(12):3-11.

[7]Hofling T.Fault detection of a d.c.motor using grey box modeling and continuous-time parity equations[C]Proc.Electrotechnical and Computer Conf.ERK,Portoroz,Slovenia,1994.

[8]Isermann R.Identifikation Dynamischer Systeme1-Grundlegende Methoden,2nd ed[M].Berlin,Germany:Springer-Verlag,1992,1.

[9]Isermann R,BalléP.Trends in the application of model based fault detection and diagnosis of technical processes[C]//Proc.IFAC World Congr.,ch.xii,San Francisco,CA,1996:1-12.

[10]Moseler O,Isermann R.Model-based fault detection for a brushless dc motor using parameter estimation[C]//Proc.IEEE IECON'98,Aachen,Germany,1998:1956-1960.

[11]Nold S.Fault detection in a.c.drives by process parameter estimation[C]//Proc.10th IFACWorld Congr.,Munich,Germany,1987:399-404.