CN103001431A - 直流电流型异步电动机及驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

直流异步型电动机及驱动控制系统，包括直流电源、电机及检测器、驱动变换器和控制器。本发明阐述如何把异步电动机，从用交流电压源驱动的交流电动机，改成用直流电流源驱动的直流异步电动机的方法；提出了直流异步电动机的直流电流源型驱动变换电路的具体实现方案。本发明可以充分发挥电动机以电流源驱动的性能优势，有效解决了交流电压源驱动异步电动机低速时功率因数和效率下降，噪声增加等问题，为研制质优价廉的异步机调速装置及电动汽车用电动机，提供理论基础。本发明给出了能使直流异步电动正常工作的直流电流的波形，以及产生这种电流波形的驱动装置的框图。

Description

直流电流型异步电动机及驱动控制方法

技术领域

本发明提出一种基于直流电流源直接驱动的异步电动机及驱动控制方法，为设计制造直流异步电动机奠定理论基础，可广泛应用于电动汽车和交流电动机调速装置等领域。 

本发明阐述怎样用直流电流源直接驱动异步电动的方法。这涉及到两个关键问题：一是什么样的直流电流通过异步电动机的定子绕组时能产生匀速旋转的旋转磁场；二是怎样产生所需要的直流电流。 

背景技术

近年来，采用化学燃料的汽车在我国的快速普及产生了诸多环保问题。在汽车数量急剧增长的形势下，电动汽车以其环保高效的优点受到了广泛的关注，因而研制性能优良又廉价的电动汽车已是一个紧迫的课题，具有无限的商机。要解决又难解决的问题主要有两个。一是电源，现有的电动汽车用蓄电池，无论从容量，体积，重量，耐用性，价格来讲都难令人满意。二是电动机，这也是一个重要的问题。既然电池的容量有限，就更需要用效率高，性能优良，维护保养简单，经久耐用而又价廉的电动机。从这些方面来看，现在可供选择的电动车用电动机仍然差强人意。 

目前，大多数电动汽车仍选用传统的串激直流电动机，这种电机具有适宜用于驱动车辆的非常优良的机械特性(软特性)，即当遇阻时转速会迅速下降，而转矩大大上升。它的最大缺点是采用炭刷换向器结构，因而价格昂贵，维护保养困难。 

现在受到关注的无刷直流电机有两种，分别称为直流无刷电动机(BCDM)和开闭磁阻电动机(SRM)。它们的结构类似，定子嵌有三相(或多相)绕组，转子分别为永久磁铁(对BCDM)和钢片叠成的突极式结构(对SRM)。当电源经由电子开关组成的驱动器对定子绕组供电时，产生旋转磁场，吸引转子跟随磁场一同转动，所以它们都是同步电动机。这两种电机在家用电器，纺织等轻工行业已有广泛的应用，但用作汽车的驱动电机的最大缺点是它的机械特性不是驱动车辆所需的软特性，而是毫无回旋余地的硬特性，其过载和起动能力也不好。所以，这种电动机虽然结构简单，易于维护保养，但为了弥补它在性能上的缺点，不得不增加其它方面的成本。另外，永磁转子会因运转过程的反复磁化而退磁，而非磁性转子能产生的吸力则较弱。从上面的描述看，现在电动汽车应用的电动机仍差强人意，我们希望使用具有更好性价比的车用电机。 

交流异步电动机不但机构简单，经久耐用，几乎不需要什么日常的维护保养，而且有适合驱动车辆的相当优良的机械特性，不存在失步问题，有高达三倍左右的过载能力，所以有一种把交流异步电动机用作车用电动机的设想，就是把直流逆变成交流，再利用交流调速方 法对电动机调速。问题是现有的交流调速方法，在转速调低时功率因数和效率下降，噪声增大。 

可不可以用直流电源，不经过逆变为交流，通过专门的驱动器，用直流(不改变方向的)电流，直接驱动异步电动机？这里首先要解决两个关键问题：一是要设计出一种特定波形的直流电流，当它流过异步机的定子绕组时，能生成异步电动机正常工作所需的旋转磁场。要特别强调的一点是使异步电动机正常工作所需的旋转磁场，应该是一周内转速十分均匀的磁场，它不可以时快时慢，走走停停，或步进式的转动(步进式的旋转磁场可用于同步机)。因为异步机与同步机不同，它的转子不是靠旋转磁场吸住转子磁铁拉着它转的，而是靠定子电流产生的旋转磁场，在旋转中切割转子导体产生的感应电流与旋转磁场相互作用而产生的力矩，所以又称作感应电动机。在异步机正常工作时旋转磁场的转速总是要比转子的转速快一点，其转差率一般在5％以内，这里指的是任何瞬间的转速而不是平均转速。如果旋转磁场的转速在一周内时快时慢，而转子因有很大的惯性，跟不上磁场转速的变化，只能以平均转速转。这样就有可能出现，转子的转速在一周内的某些时段高于磁场的转速，使转子导体的感应电流反向，产生出反向的力矩，影响异步电动机的正常工作；二是设计一个驱动器，使普通直流电源输出的电流，能按我们规定的模式送往异步电动机，产生匀速旋转的磁场。这里也有一点要强调，这样组合成的电源是一个电流源，不能是电压源。这两个问题正是本发明要着重阐述的。 

发明内容

本发明用所提出的“磁势空间矢量控制”为三相或两相电机设计出特定波形的直流电流，当其流过三相或两相异步机的定子绕组时，能产生异步电动机工作所需的，匀速旋转的磁场；同时也提供了利用普通的直流电压源生成这种直流电流的驱动装置框图及主电路结构。 

1)三相直流旋转磁场 

当在三相异步机的三个定子绕组AX，BY，CZ中通过直流电流

为最大值时，分别产生的磁势F_a，F_b，F_c，(把它们称之为基准矢量)，在空间各自垂直于相应绕组，互差120度，可用图1所示的空间矢量表示。基准矢量的幅值，是直流条件下三相电流产生的合成磁势幅值可能的最大值(现规定其为1)。当各绕组中的电流为其它值时，所生成的磁势用N_a，N_b，N_c表示，其方向与相同下标的基准矢量同，其数值为基准矢量幅值的标幺值，比如N_a＝0.5就是表示A相绕组中电流为最大值的一半时产生的磁势，如N_a＝1，则N_a＝F_a。总的合成磁势F就是以这些磁势为分量构成的。所以，虽然构成合成矢量F的这些分量的方向是固定的，但选择不同的分量和分量的大小来构成F，就可以使它指向一周内任意的方向，并可在一定范围内选择F的幅值。 

现来研究如何使合成磁势F匀速旋转。把整个圆周，用三个基准磁势矢量F_a，F_b，F_c分 割成ab，bc，ca三个区间，合成磁势F处在哪一个区间，就用界定该区间磁势分量来合成。比如在ab区间的合成磁势F，就用分量N_a，N_b来合成，在bc区间，就用N_b，N_c来合成，在ca区间，就用N_c，N_a来合成。因为要改变合成磁势F的方向，而且使F匀速旋转，就必须在一定相位时间内，对这两个分量的相对大小的改变，正好使F在空间能转过的角度与相角相同，即要求F的转角与电流的相位角相同。这可不是随便选一种电流波形就能做到需要根据所选合成磁势F的分量的变化方式，来计算出相应磁势分量(电流)的变化规律，确定电流的波形。 

A)六边形旋转磁场 

现采取固定合成磁势F的一个分量为最大时，变更F的另一个分量的方式，来使F旋转。这样生成的合成磁势F在空间转过360度时，矢量F顶点的轨迹，是以基准值的大小为半径所作圆(如图2中的虚线圆所示)的内接六边形，。 

产生这种匀速旋转磁场的电流的波形如图3所示。这是一种梯形波电流，在每一个周期T的T/6的时间内，电流从零直线上升到最大值I_m，在随后的T/3内保持I_m不变，然后在T/6内从Im直线下降至零，在一周所剩余的T/3内保持为零不变，完成一周的变化。三相电流的大小与波形均相同，在相位上互差120度。 

可根据以下的公式(式1)，计算出在电流上升或下降沿的每个相位时刻，电流应取的值。设相角为B时电流的值为N(归一化数值，以电流或磁势的最大值为一)，则有： 

N＝T_gB/(0.866+0.5T_gB)K K    式1 

B)圆形旋转磁场 

前述的旋转磁场的合成磁势虽然转速很均匀，但其幅值却不能保持恒定，在某些应用中可能会引起噪声，振动和增加损耗。因而转速均匀，且幅值稳定的圆形旋转磁场是很多场合理想的选择。可以注意到，一旦合成磁势的方向确定以后，组成该合成磁势的两个分量幅值的比例也就定了，但其幅值的大小却是可以改变的。所以，可以根据所需合成磁势的幅值来选择两个分量的大小，使F在旋转时保持其幅值恒定。当然，合成磁势的幅值是有限制的，在不同方向的合成磁势的最大值也不尽相同，在三相系统中合成磁势最大值顶点的轨迹，就是以基准矢量幅值为半径的圆的内接六边形(参看图2)，其中，垂直于六边形各边的合成磁势Fr最小，它是基准矢量幅值的86.6％，可以把其它方向合成磁势的幅值都调至与Fr的幅值一致，这样生成的合成磁势的顶点轨迹，为以Fr幅值为半径的圆，内切于上述六边形(图2中的实线圆)。 

生成圆形旋转磁场的电流波形如图4所示：在一个周期T内，在时间t＝0至T/3(或相角B＝0至120度)的时间内，电流I(t)为一最大值为I_m的正弦波，而在t＝T/3至2T/3(或相角120度至240度)的时间内，电流I(t)为在相位上落后上述正弦波T/6的一个同样的正弦波，即有； 

I(t)＝I_mSin(B)＝I_mSin(6.28t/T)           0＜t＜T/3 

或I(t)＝I_mSin(B-T/6)＝I_mSin(6.28t/T-T/6)   T/3＜t＜2T/3   式2 

I(t)＝0                                    2T/3＜t＜T 

在上述两种旋转磁场中，六边形旋转磁场的平均磁势最大。圆形旋转磁场最稳定，可以使电机运行更平稳。 

2)直流两相(四相)旋转磁场 

交流异步机定子的两个绕组在空间互相垂直，如果通以直流(不改变流向的电流)，则只能生成两个互相垂直的基准磁势F_a和F_b(参看图5)，以这两相电流(磁势)为基础生成的合成磁势F也限定在以F_a与F_b界定的90度空间内。如果能用特定的开关电路(如桥式电路)，可正反向对每个绕组供电；或把每一相绕组分成两个独立的绕组(构成四相结构)，则可产生如图5所示的4个基准磁势(分别为F_a，F_b，F_a*＝-F_a，F_b*＝-F_b)把整个圆分成四个象限。这样，圆内任一方向的合成矢量F，都可用F所在象限的两个矢量分量组成。 

A)外切正方形旋转磁场 

如果在一相电流(磁势)为最大时(比如AX相)，保持其不变，而从零增加相邻另一相(比如BY相)电流，则所生成的旋转磁势的顶点轨迹为基准圆的外切正方形(参看图5)。在一周内，每相电流开通180度(T/2)：其中，从0升至最大用时T/8，再保持最大值T/4时间，然后经T/8从最大降至0，如图6所示。在电流上升的45度相角内，对应任一相角B时，电流应取之标幺值N(以电流的最大值Im为1)可用下式算出： 

N＝t_gBKK        式3 

B)圆形旋转磁场 

这种系统的合成磁势F，是用两个互相垂直的分量组成的，所以F的幅值不会小于其任一个组成分量的幅值。因而，可以把任意方向F的幅值调整到与基准磁势的幅值相同，形成以基准圆为轨迹的圆形旋转磁场(参看图5)。 

显而易见，生成这种旋转磁场的绕组电流为半波正弦电流。在空间差90度的两个绕组，其电流在相位上也差90。 

3)直流异步机的工作状态 

交流异步机通常是在供电电源电压为一定值的正弦波电压源条件下工作的，当负载变动时，它的端电压受电源控制，不会改变，只会引起电流的变化。但直流异步机却不能用电压源，而要用一定波形的电流源供电，当负载变动时，流过它的电流受电源的控制，不会改变，只会引起电压的变化，它的端电压将随负载的增加而上升。下面分两种情况来分析其电磁过程： 

A)空载情况 

空载是指电机空转，其转速接近同步转速，转子电流很小，可忽略电枢反应。这时定子绕组的端电压由两部分电压组成：其一是在电机绕组的电阻和绕组漏电感上的压降；其二是由定子绕组电流所产生的主磁通，在绕组中所感应的电势Ed生成的。因为主磁通是由三相绕 组的电流综合作用而形成的，是一个匀速旋转磁场F_d，所以在定子绕组(以A相绕组AX为例)中感应的电势Ed为一正弦波，参看图7中的图(B)。若以F_d转至与F_a重合时为原点(t＝0)，则在t＞0的半周内Ed为正，即与绕组中电流的方向相同，而在t＜0的半周内Ed为负，即与绕组中的电流方向相反。在所关注的2T/3有电流流动的时间内，在-T/3＜t＜0为了克服反电势而需有相应的端电压与之平衡。但在0＜t＜T/3为正电势，端电压是负的，这时通过反馈回路把前段时间在绕组中储存的能量返回电源。如果把定子电流用一等效正弦电流表示，则此电流与主磁通所感应的电势之间有90度相位差，形成无功功率。可以在负载低时降低电流的幅值，以提高功率因数。 

B)负载情况 

当电机带有负载时定子电流所产生的旋转磁场F_d在转子导体上感应的电势在相位上落后F_d 90度，如果转子电流与感应电势同相，则转子电流所生成的磁势F_z在空间上也落后F_d90度(参看图7C)，所以由转子电流在定子绕组中感应的电势(电枢反应电势)E_z与Ed也有90度相位差，(参看图7B)，由此可见，电枢反应电势E_z的整个负半周正对着定子电流流动时间的中心部分，从等效正弦的概念来讲就意味着E_z与电流反相，平衡E_z的电压与电流同相，从电源输出的电能转换为机械能。 

不过，随着负载的增大，转子的转速N2与旋转磁场的转速N1间的转差Dn＝N1-N2也会增大，导致转子导体所感应的电势频率增加，使转子电流及相应的磁势F_z滞后于F_d的相位增大，这就是为什么异步机的转矩不能随转差的增大(转子电流的增大)而直线上升，甚至下降的原因。 

4)直流异步机的特性 

A)调速特性 

在当前这种方式下运行的异步机，调速的操作很简单，只须调节电流的周期就行了，无需同时调节其它物理量。由于随着转速的下降，旋转磁场在定子绕组中感应的电势Ed和E_z都会有相应的变化，Ed会下降(因为F_d未变)这会使电源用以平衡Ed的无功电压分量相应下降，有利于功率因数的提高。至于E_z的变化则与调速过程中负载的情况有关；如果为恒转矩的调速，即负载的转矩不变，则E_z将随转速的下降而降低，电源用以平衡E_z的有功电压及相应的输出功率也随之下降；如果为恒功率调速，即随着转速的下降，转矩相应的上升，输出的机械功率保持不变，则转差Dn会相应的上升，使转子的感应电流或磁势F_z上升，补偿掉由于转速下降对E_z的影响，而保持E_z不变，即电源平衡E_z的有功电压分量不变，维持功率不变。这里要注意的是，如果在额定功率的条件下作恒功率调速，则在转速下降后转子的电流会超越其额定值，使电机过载。不过这对主电路中承受过载能力最差的电子开关并无多少影响，而电机承受过载的能力是相当强的，这也是当前这种运行方式的优点。 

B)起动特性 

很多应用场合(比如电动汽车)需要原动机有强大的起动力矩，当前这种方式下运行的 异步机能满足这一要求。异步机能够生成的最大力矩Mz约为其额定力矩Me的3倍，而生成Mz时的转差Dnz约为额定转速的20％，即约比额定转差大4倍，相应的转子电流也会大4倍左右。在当前这种方式下运行时，可以控制电流的周期，使在起动过程中始终保持转差为Dnz，即在起动过程中始终保持电机所生成的力矩为最大。在这样的起动过程中转子电流虽会有约4倍的过载，但主电路的电流，电压都在正常范围内，没有什么问题。但若在一般的PWM装置上采用这种起动方式，则其主电路中所有的元器件都要承受约4倍的过载，这几乎是难以接受的，而且在调节电流频率的同时还要相应的调节电压，需要更复杂的控制。 

C)制动特性 

异步机的制动过程与起动过程类似，不过是反其道而行之。只要调低电流的频率，使旋转磁场的转速低于转子的转速，形成负的转差，就可形成制动力矩。 

用改变电流的相序，使旋转磁场反转的简单办法来制动效果并不好，这会使转子电流严重超载而制动力矩却不大。如果要使制动过程中的制动力矩始终保持最大值-Mz，就需要根据转子的实际转速来控制电流的频率，使转差在整个制动过程中保持为-Dnz。当然这样的制动过程也使转子电流有4倍左右的过载，但对当前模式的主电路的影响并不大。在制动过程中电机所释放出的机械能，经反馈回路为电源所吸收。如果采用PWM模式，则又会产生与起动过程类似的问题。 

附图说明

图1是三相直流异步机的磁势矢量图； 

图2是六边形和圆形旋转磁场模式的轨迹图； 

图3是六边形旋转磁场模式的电流波形图； 

图4是圆形旋转磁场模式的电流波形图； 

图5是两相异步机定子电流磁势的矢量图； 

图6是正方形旋转磁场的电流波形； 

图7A是梯形定子电流的时域波形； 

图7B是相应时段内定子与转子电流旋转磁场在定子绕组中所感应的电势Ed与Ez的波形； 

图7C是定子与转子电流磁势的空间矢量Fd与Fz。 

图8是异步电动机的直流驱动装置的构成框图： 

图9是斩波式主电路图； 

图10是戽斗式主电路图； 

具体实施方法 

异步电动机的直流驱动装置的构成框图，如图(8)所示，其中1为电源，如蓄电池；2为电动机和检测其电流，转速等的检测器；3是控制器，在它的内部有储存器，比较器，放大器等元器件，用以储存设定的电流模式，电流的周期，幅值等数据。从检测器接收电机运行中的实时信号，与存储的设定值相比较，并根据比较的结果发出进行相应操作的指令。控制器中还有手动设定电流的周期(转速)，大小，相序(转向)的器件及相应的显示器，并具有提供电机启动，制动等操作的程序；4是驱动器，也就是驱动装置的主电路。 

1)斩波式主电路 

斩波式主电路的结构如图9所示。图中，AX，BY，CZ是三相异步机的三个定子绕组，每相绕组有两个可关断的电源开关K1和K2，两个续流二极管D1，D2，分别与电源的两端连接，还有一个测量绕组电流的霍尔传感器H。当H测出的电流，小于存储器中所设定的值时，控制器就发出指令闭合K1和K2，使相应绕组与电源接通，使电流上升。当实测电流值大于设定值时，就发出断开电源开关的指令，绕组中的电流通过相应的回路续流而下降。在相电流为上升或维持恒定阶段，当绕组电流超过规定值时，只断开K1阻止电流上升，绕组中的电流经K2和D2续流，呈指数式下降。但在相电流为下降的阶段，为了控制其降速，或释放绕组中的电感储能，可同时断开K1和K2，这时绕组中的电流经由D2-电源正端-电源负端-D1续流，把绕组电感中的储能返还给电源。这样的电路也为发电制动，也就是当需要制动车辆时，把车辆的动能转化为对电池充电的电能的制动方法提供了条件。 

2)戽斗式主电路 

戽斗式主电路的结构如图10所示。戽斗式电路的负载(定子三相绕组AX，BY，CZ)不是通过开关与电源直接连接的，而是接在一个储有一定电能的电容(Ca，Cb，Cc)上。这些电容也不直接与电源接，它所储存的电能是通过一个可称为戽斗式的DC/DC变换器，以离散脉冲方式定量提供的。比如说，当Ca上的电压不足以维持输出电流Ia时，就启动变换器，触发K导通，电源U通过L1对C充电，当充电电流降至零时(C上电压约为2U)K关断，随后触发导通Ka，把C充电所得的能量转换到Ca上。在这个转换过程中，开关K和Ka都是在零电流状态下关断，不存在关断损耗，并且在能量补充过程中电流不中断，没有大的冲击，更容易得到预期的电流波形，但它需有能承受大的冲击电流或电压的两个电感L1，L2和一个电容C。 

直流异步机在工作时，流过三相定子绕组的电流所产生的旋转磁场在绕组两端形成的电压，并不是直流，而是正弦交流。这个交流分量在为正的半周，电源提供的电能转化为磁能，而在交流分量为负的半周，磁能转化为电能，经由绕组的末端X(以A相为例)→反馈二极管Da→电源正端→电源负端→输出电容Ca→绕组的正端A的反馈回路对电源充电。 

本发明的特征可以归纳为四个字(直流电流)： 

可以用直流电源驱动价廉物美的异步电动机而不必将其逆变为交流； 

它是用电流源而不是电压源供电的，避免了主电路元器件遭受短路与过载的风险。 

Claims (3)

1.一种用直流电源驱动异步电动机的方法，其特征在于：用一种特定的驱动器，使普通的直流电源，可向异步电动机定子绕组提供特定波形的直流电流，在异步电机内产生匀速旋转的旋转磁场，驱动异步电动机工作。也就是把异步电动机，从用交流正弦波电压源驱动，改为用直流电流源驱动，成为名副其实的直流异步电动机。

2.一种三相直流电流，其特征在于：当其流过三相异步电动机的三相定子绕组时，能在电机内产生匀速旋转的磁场。本发明提供两种三相系统的旋转磁场：一种以基准圆的内接六边形为其轨迹，生成这种旋转磁场的电流波形；另一种旋转磁场的轨迹为圆形，内切于上述六边形，生成这种旋转磁场的电流波形。

3.一种四相直流电流，其特征在于：当其流过四相电机的定子绕组时，能产生匀速旋转的磁场。本发明所提供的旋转磁场有两种：一种是以基准圆为轨迹的旋转磁场，生成这种旋转磁场的电流波形为半波正弦；另一种旋转磁场的轨迹为基准圆的外接正方形，生成这种旋转磁场的电流的波形。

Images