無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速

1 主要內(nèi)容 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的特點(diǎn)及基本類型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 舉例 第九章無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種自控變頻的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 了解同步電動(dòng)機(jī)是理解無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) 同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與異步電動(dòng)機(jī)有以下區(qū)別 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁 電動(dòng)機(jī)軸上帶有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來(lái)控制逆變器換流 無(wú)機(jī)械換向器 輸入定子的電流為方波電流 首先介紹同步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速的基本概念 特點(diǎn)和基本類型 3 同步電動(dòng)機(jī)的定子與三相異步電動(dòng)機(jī)的一樣 而轉(zhuǎn)子是磁極 由直流勵(lì)磁或永久磁鐵勵(lì)磁 是交流電動(dòng)機(jī)中兩大機(jī)種之一 同步電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速n與供電電源頻率f1之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系而得名 只要供電電源的頻率f1不變 其轉(zhuǎn)速n就絕對(duì)不變 同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍也比較廣泛 小到電子鐘和記錄儀表的定時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 大到發(fā)電機(jī)組 空氣壓縮機(jī) 鼓風(fēng)機(jī)等無(wú)不利用其轉(zhuǎn)速恒定的特點(diǎn) 9 1同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及基本類型 4 一 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)和異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)相比 同步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有以下特點(diǎn) 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源輸出的基波頻率之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系 其轉(zhuǎn)差率 由于極對(duì)數(shù)固定 惟一靠變頻進(jìn)行調(diào)速 同步電動(dòng)機(jī)本身沒(méi)有轉(zhuǎn)矩 剛啟動(dòng)時(shí) 定子雖然能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 但轉(zhuǎn)子是靜止的 在慣性的作用下跟不上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)子所受到的平均轉(zhuǎn)矩為零 啟動(dòng)比較困難 同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難 重載時(shí)有振蕩或失步 負(fù)載突然增大而超過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩 現(xiàn)象 這些問(wèn)題隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展得到了很好解決 5 同步電動(dòng)機(jī)有勵(lì)磁回路 在較低的頻率下也能運(yùn)行 因此同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍較寬 而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生 在較低頻率下轉(zhuǎn)子難以產(chǎn)生必須的電流而無(wú)法工作 因此調(diào)速范圍較窄 異步電動(dòng)機(jī)的電流在相位上總是滯后于電壓 因而對(duì)晶閘管逆變器而言必須設(shè)置強(qiáng)制換流電路 同步電動(dòng)機(jī)能運(yùn)行在超前功率因數(shù)下 可利用反電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)逆變器的自然換流 不需設(shè)置附加換流電路 同步電動(dòng)機(jī)可通過(guò)改變 轉(zhuǎn)子 勵(lì)磁電流 改變定子相電壓U和相電流I之間的相位差 即改變功率因數(shù) 進(jìn)而使其工作在感性 電阻性或容性三種狀態(tài)下 同步補(bǔ)償機(jī)就工作在容性狀態(tài)下 可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流改變輸入功率因數(shù) 使其在下運(yùn)行 異步電動(dòng)機(jī)靠加大轉(zhuǎn)差率提高轉(zhuǎn)矩 同步電動(dòng)機(jī)靠加大功率角來(lái)提高轉(zhuǎn)矩 功率角為定子相電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的夾角 6 例如 同步電動(dòng)機(jī)的變頻啟動(dòng) 轉(zhuǎn)子先加勵(lì)磁電流 定子繞組輸入頻率很低的三相交流電 由于定子 電樞 旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的轉(zhuǎn)速很低 可帶動(dòng)轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn) 將定子頻率逐步增加 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之逐步升高 到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí) 啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束 二 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻系統(tǒng)的分類1 根據(jù)頻率控制方法可分為 他控變頻和自控變頻兩大類 他控變頻調(diào)速就是用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電 變頻裝置中逆變器的輸出頻率獨(dú)立設(shè)定 不取決于轉(zhuǎn)子的位置 顯然 這是一種頻率開(kāi)環(huán)的控制方式 重載時(shí)仍存在振動(dòng)和失步現(xiàn)象 自控變頻調(diào)速是根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子的位置來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷 從而使逆變器的輸出頻率追隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 這是一種頻率閉環(huán)的控制方式 能保證轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn) 從根本上避免振動(dòng)和失步的產(chǎn)生 7 2 按定子供電電源分為 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩類 三相永磁同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁 給同步電動(dòng)機(jī)的定子輸入三相正弦電流時(shí) 稱為三相永磁同步電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁 給同步電動(dòng)機(jī)的定子輸入方波電流時(shí) 稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱為梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī) 屬于自控變頻同步電動(dòng)機(jī) 它是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)來(lái)控制逆變器的通 斷 控制逆變器的輸出功率 從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是帶有電子換向器的永磁直流電動(dòng)機(jī) 它用位置檢測(cè)器和逆變器代替了機(jī)械式的電刷和換向器 有直流電動(dòng)機(jī)的性能 8 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由三相永磁方波電動(dòng)機(jī) 位置檢測(cè)器 逆變器 控制器組成 如下圖所示 9 2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 這一節(jié) 主要任務(wù)有兩個(gè) 討論工作原理和控制方式 工作原理 控制方式 9 一 工作原理V1 V6導(dǎo)通 定子繞組流過(guò)電流iAB 定子繞組合成磁通勢(shì)Fa垂直C相軸線 勵(lì)磁磁場(chǎng)F0與電樞磁場(chǎng)Fa相差1200 這實(shí)際上是最大相位差 兩磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到F01位置時(shí) F0和Fa垂直 相位差900 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩最大 電機(jī)學(xué)知識(shí) 電磁轉(zhuǎn)矩既與定子磁動(dòng)勢(shì)的幅值 轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的幅值成正比 也與這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)夾角的正弦值成正比 10 轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖b所示位置時(shí) F0和Fa相位差為600 控制電路控制切換功率晶體管 使V6截止 V2導(dǎo)通 定子繞組流過(guò)電流iAC 定子磁勢(shì)Fa相應(yīng)地轉(zhuǎn)過(guò)600 此時(shí) F0和Fa相位差又變?yōu)?200 11 如此重復(fù)進(jìn)行 每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)600 在控制電路的控制下 使相應(yīng)的功率晶體管導(dǎo)通 切斷 從而使定子進(jìn)行一次換流 改變電樞磁場(chǎng)方向 轉(zhuǎn)子跟著電樞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)的相互作用 使電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn) 磁極每轉(zhuǎn)動(dòng)600電角度 電流換流一次 電樞磁場(chǎng)在空間上也躍進(jìn)600 在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 電樞磁場(chǎng)Fa與勵(lì)磁磁勢(shì)F0的相位差始終在600 1200范圍內(nèi) 其平均值處于正交狀態(tài) 這樣同樣的定子電流下使轉(zhuǎn)矩最大 從原理可知 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是一種步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的 上述逆變器為1200通電型的六拍逆變器 每一時(shí)刻都只有兩只功率管導(dǎo)通 至于哪兩只功率管導(dǎo)通則由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制 12 1 兩兩導(dǎo)通方式逆變器中功率管導(dǎo)通的順序一般安排為 二 控制方式按照三相星型橋式接法為例說(shuō)明其工作方法 各觸發(fā)脈沖相互間隔600 任意時(shí)刻有2只功率管導(dǎo)通 每只管子導(dǎo)通時(shí)間為1200 各管子之間換流是在相鄰橋臂中進(jìn)行的 13 間隔 600時(shí)間 1200順序 1234561 換流 在相鄰橋臂進(jìn)行 V1 V6 V2 V3 V4 V5 V6 V1 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 相鄰 相鄰 14 2 三三通電方式逆變器中功率管導(dǎo)通的順序?yàn)?各觸發(fā)脈沖相互間隔600 任意時(shí)刻有3只功率管導(dǎo)通 每只管子導(dǎo)通時(shí)間為1800 各管子之間換流是在同一橋臂內(nèi)進(jìn)行的 同一 同一 同一 15 16 三 位置檢測(cè)器位置檢測(cè)器是用來(lái)檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極和定子旋轉(zhuǎn)磁極的相對(duì)位置的 能夠發(fā)出信號(hào)控制逆變器換向的一種裝置 1 電磁感應(yīng)式位置檢測(cè)器電磁感應(yīng)式位置檢測(cè)器由兩部分組成 定子和轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子為一塊導(dǎo)磁的扇形圓盤 扇形的電角度為1800 機(jī)械角為 例如 np 1時(shí) 機(jī)械角為1800 np 2時(shí) 機(jī)械角為900 定子裝有3只檢測(cè)元件 E形變壓器 在空間上互差1200電角度 分別對(duì)應(yīng)ABC三相繞組 機(jī)械角度為 例如 np 1時(shí) 機(jī)械角為1200 np 2時(shí) 機(jī)械角為600 17 E形變壓器的工作原理 兩外側(cè)鐵芯柱上有初級(jí)線圈 通有高頻電源 中心柱上有次級(jí)線圈 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的缺口處于變壓器鐵芯下面時(shí) 由于磁路對(duì)稱 中心柱的合成磁通為零 次級(jí)線圈無(wú)感應(yīng)電流 圖a 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤扇形部分轉(zhuǎn)到變壓器鐵芯兩芯柱下時(shí) 磁路不對(duì)稱 對(duì)應(yīng)磁路的磁導(dǎo)增大 另一側(cè)芯柱下的磁導(dǎo)不變 次級(jí)線圈有感應(yīng)信號(hào)輸出 轉(zhuǎn)子的扇形部分依次掃過(guò)變壓器的A B C 3個(gè)檢測(cè)元件分別輸出3個(gè)相差1200電角度的高頻感應(yīng)信號(hào) 經(jīng)濾波整形后成為矩形信號(hào) 用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器 電磁感應(yīng)式位置檢測(cè)器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 工作比較可靠 國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多 18 2 光電式位置檢測(cè)器光電式位置檢測(cè)器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成 轉(zhuǎn)子為一塊非導(dǎo)磁的帶有缺口的圓盤 缺口數(shù)等于電動(dòng)機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)np 每個(gè)缺口寬為1800電角度 機(jī)械角為 例如 np 1時(shí) 機(jī)械角 1800 np 2時(shí) 機(jī)械角 900 定子部分有3個(gè)光耦合器 在空間上相差1200電角度 機(jī)械角為 例如 np 1時(shí) 機(jī)械角 1200 np 2時(shí) 機(jī)械角 600 np 2時(shí)的光電式位置檢測(cè)器 19 光電式位置檢測(cè)器工作原理 光耦合器由一只發(fā)光二極管和一只光敏三極管組成 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的凸起部分處在槽光耦的槽部時(shí) 光線被擋住 光敏三極管呈現(xiàn)高阻態(tài) 不導(dǎo)通 當(dāng)轉(zhuǎn)子圓盤的缺口處在光耦合器的槽部時(shí) 光敏三極管接收光線照射 呈現(xiàn)低阻態(tài) 導(dǎo)通 轉(zhuǎn)子圓盤的凸起部分依次掃過(guò)3個(gè)光耦合器 并通過(guò)變換電路 將光敏三極管高 低電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高低電平信號(hào)輸出 就得到3個(gè)相位相差1200電角度的信號(hào) 經(jīng)邏輯電路處理后 用于驅(qū)動(dòng)逆變器 光電式位置檢測(cè)器性能較好 但安裝比較麻煩 而且不耐用 20 下面給出一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 其原理圖為 9 3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 21 系統(tǒng)構(gòu)成變頻裝置 不可控整流器把交流電變成直流電 逆變器為PWM脈寬調(diào)制型 控制回路 轉(zhuǎn)速外環(huán) 電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu) 與直流雙閉環(huán)不同點(diǎn)在于 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子開(kāi)關(guān)代替了機(jī)械換向裝置 所以 控制回路由多路乘法器 三通道電流調(diào)節(jié)器 比較器和基極驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成 多路乘法器 把轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流調(diào)節(jié)器ACR的相位給定信號(hào) 通過(guò)邏輯判斷分配給相應(yīng)通道的電流調(diào)節(jié)器 并綜合速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) 確定各通道切換的速度快慢 工作過(guò)程電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為參考信號(hào)和三角波比較后 產(chǎn)生PWM信號(hào) 經(jīng)過(guò)基極驅(qū)動(dòng)后 控制主功率管的通斷 產(chǎn)生PWM波 給三相永磁電動(dòng)機(jī)供電 PWM波的脈寬由電流調(diào)節(jié)器的輸出幅值決定 PWM波的頻率由電流調(diào)節(jié)器的相位給定值決定 轉(zhuǎn)子磁極位置 22 以提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為例說(shuō)明調(diào)節(jié)過(guò)程 假設(shè) 速度給定值增加 機(jī)械慣性使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)不及變化 使得ASR的輸入偏差信號(hào)