直流电流型异步电动机及驱动控制方法技术

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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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。这两个问题正是本专利技术要着重阐述的。
技术实现思路
本专利技术用所提出的“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，勻速旋转的磁场；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。I)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(，ib,(为最大值时，分别产生的磁势Fa，Fb, F。，(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I)。当各绕组中的电流为其它值时，所生成的磁势用Na，Nb, Nc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Na = 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Na = 1，则Na = Fa。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Fa，Fb，F。分割成ab, be, 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Na，Nb来合成，在be区间，就用Nb，N。来合成，在ca区间，就用N。，Na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Im，在随后的T/3内保持Im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I)，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 = TgB/ (0. 866+0. 5TgB) K K 式 IB)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，在不同方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张加胜，邵钟武，陈荣，
申请(专利权)人：张加胜，
类型：发明
国别省市：