无极的调速,因而适应于调速性能较高的场合[4]。
(1)直流电动机的结构;
①定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式,直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成,他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成,外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。
②转子。又称为电枢,由硅钢片叠压而成,表面嵌有线圈,通以直流电时,在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。
③电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向,转子能沿固定方向均匀的连续旋转,电刷与外加直流电源相接,换向片与电枢导体相接。
(2)直流电机的分类;
一般直流电机按结构、用途、容量的大小等分类。但从运行的观点来看,按励磁方式分类更用意义,因为除了少量微型电机的磁极是永磁铁外,绝大多数电机的磁场都是在磁极绕组中通以直流电流而建立的。因此都是通常都是按励磁绕组的连接方式(即按励磁方式)对直流电机进行分类。
直流电机按其励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同,可①他励;②并励;③串励;④复励等四种,如图2.1
图2.1直流电机励磁方式图
图2.1(a)为他励直流电机,其特点是励磁绕组接在独立大励磁电源上,而与电枢的绕组无关,图2.1(b)为并励直流电机,其特点是励磁绕组与电枢绕组并联,这种励磁绕组的匝数较多,导线较细,图2.1(c)为串励直流电机,其特点是励磁绕组与电枢绕组串联,电枢电流就是励磁电流,励磁绕组匝数少、导线较粗。图2.1(d)为复励直流电机,其特点是在主磁极上装有两套励磁绕组,一套是与电枢绕组并联时并励绕组,另一套与电枢绕组串联是串励绕组[20]。
(3)直流伺服电机工作原理;
直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同,如图2.2所示。他激直流电机转子上的载流导体(即电枢绕组),在定子磁场中受到电磁转矩M的作用,使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到转速值如2.1式所示:
(2.1)
n──电枢的转速,r/min;
u──电枢电压;
Ia ──电机电枢电流;
Ra──电枢电阻;
ke──电势系数(ke=Ceφ)。 图2.2直流电机原理图
2.2 直流伺服电机调速
直流伺服电机的调速有三种方法:
(1)改变电枢电压U:由额定电压向下调低,转速也由额定转速向下调低,调速范围大。
(2)改变磁通量Φ(即改变ke):改变激磁回路的电阻可改变Φ。由于激磁回路电感大,电气时间常数大,调速快速性差,转速只能由额定转速向上调高。
(3)在电枢回路中串联调节电阻。转速只能调低,铜耗大,不经济。直流伺服电机通常采用调压调速,通常改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法,调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:
(1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。
(2)静止可控整流器。用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。
(3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统作概括性介绍。
2.2.1 V-M调速系统
1957年,晶闸管问世,它是一种大功率半导体可控整流元件,俗称可控硅整流元件,简称"可控硅",20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以后,变流技术出现了根本性的变革。目前,采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管-电动机调速系统,简称V-M系统,又称静止Ward-Leonard系统)已经成为直流调速系统的主要形式。图2.3所示是V-M系统的原理框图,图中V是晶闸管可控整流器,它可以是任意一种整流电路,通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位,从而改变整流输出电压平均值,实现电动机的平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流相比,晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在,控制功率小,有利于微电子技术引入到强电领域;在控制作用的快速性上也大大提高,有利于改善系统的动态性能[5]。但是,晶闸管整流器也有它的缺点,主要表现在以下方面:
(1)晶闸管一般是单向导电元件,晶闸管整流器的电流是不允许反向的,这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时,只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路,构成V-M可逆调速系统,后者所用变流设备要增多一倍。
(2)晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感,其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏,因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件,而且在选择元件时还应保留足够的余量,以保证晶闸管装置的可靠运行。
(3)晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发,因此,晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载,吸取滞后的无功电流,因此功率因素低,特别是在深调速状态,即系统在较低速运行时,晶闸管的导通角很小,使得系统的功率因素很低,并产生较大的高次谐波电流,引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大,将造成所谓的"电力公害。为此,应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。
(4)晶闸管整流装置的输出电压是脉动的,而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大,则输出电流总存在连续和断续两种情况,因而机械特性也有连续和断续两段,连续段特性比较硬,基本上还是直线;断续段特性则很软,而且呈现出显著的非线性。
图2.3晶闸管电机调速系统原理图(V-M)
2.2.2 PWM调速系统
直流斩波器又称直流调压器,是利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源,亦称直流-直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2.4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型,(a)图中VT代表开关器件。当开关VT接通时,电源电压。加到电动机上;当VT断开时,直流电源与电动机断开,电动机电枢端电压为零。如此反复,得电枢端电压波形如图2.4(b)所示。
图2.4 直流斩波器的原理图
这样,电动机电枢端电压的平均值如式2.2所示:
(2.2)
式中,T-开关器件的通断周期;
输出电压平均值可以通过改变占空比k,即通过改变开关器件导通或关断时间来调节,常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种:
(1)脉冲宽度调制(pulse width modulation,简称PWM)。开关器件的通断周期T保持不变,只改变器件每次导通的时间t,也就是脉冲周期不变,只改变脉冲的宽度,即定频调宽。
(2)脉冲频率调制(pulse frequency modulation,简称PFW)。开关器件每次导通的时间t不变,只改变通断周期T或开关频率f,也就是只改变开关的关断时间,即定宽调频,称为调频。
(3)两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间t均可变,即调宽调频,亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时,
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