直流電機調(diào)速電路發(fā)展現(xiàn)狀以及前景綜述

直流電機調(diào)速電路展開、現(xiàn)狀以及前景綜述直流電機展開狀況：直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。無刷直流電機是在有刷直流電機的根基上展開起來的。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感覺現(xiàn)象，確立了現(xiàn)代電機的理論根基。十九世紀(jì)四十年月研制成功了第一臺直流電機，經(jīng)過約七十年，直流電機才趨于成熟階段。隨著用途的擴大，對直流電機的要求也越來越高，顯然，有接觸的換向裝置限制了有刷直流電機在很多場合的應(yīng)用，為了取代有刷直流電機的那種電刷——換向器構(gòu)造的機械接觸裝置，人們曾經(jīng)對此做過長久的探索。早在1915年，美國人Langmil創(chuàng)建了控制柵極的水銀整流器，制成了由直流變溝通的逆變裝置；20世紀(jì)30年月，有人提出用離子裝置實現(xiàn)電機的定子繞組按轉(zhuǎn)子地點換接的所謂整流子電機，此種電機由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重而又復(fù)雜，故無實際意義。科學(xué)技術(shù)的迅猛展開，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛騰。開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)建新型電機——無刷直流電機帶來了活力。1955年美國D.Harrison等人首次申請用晶體管換向線路代1/9替電機電刷接觸的專利，這就是無刷直流電機的雛形，它由功率放大局部、信號檢測局部、磁極體和晶體管開關(guān)電路等所組成。其工作原理是是：當(dāng)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組W1或W2中感覺出周期性的信號電勢，此信號分別使晶體管BG1和BG2輪番導(dǎo)通，這樣就使功率繞組W1和W2輪番饋電，即實現(xiàn)了換流。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，信號繞組不產(chǎn)生感覺電勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷電機沒有起動轉(zhuǎn)距；其次，由于信號電勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些缺點，人們采用了離心裝置的換向器，或在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機可靠的起動，但前者構(gòu)造復(fù)雜，爾后者尚需要附加的起動脈沖；后來，經(jīng)過頻頻的實驗和不斷的實踐，人們終于找到了用地點傳感器和電子換向線路來代替有刷直流電機的機械換向裝置，進而為無刷直流電機的展開開辟了新的途徑。六十年月初期，以靠近某物而動作的靠近開關(guān)式地點傳感器、電磁諧振式地點傳感器和高頻耦合式地點傳感器相繼問世，之后，又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式地點傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛快展開，使人們對1879年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多的努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)換流的無刷直流電機。隨著比霍爾元件的敏捷度高千倍左右的磁敏二極管的出現(xiàn)，在七十年月初期，2/9又試制成功了借助磁敏二極管實現(xiàn)換流的無刷直流電機。在試制各樣種類的地點傳感器的同時，人們試圖尋求一種沒有附加地點傳感器構(gòu)造的無刷直流電機。1968年原聯(lián)邦德國W.Mieslinger提出采用電容移相實現(xiàn)換流的新方法；在此根基上，原聯(lián)邦德國R.Hanitsh等人試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分派器和過零鑒識器的組合來實現(xiàn)換流的無附加地點傳感器的無刷直流電機。人們一直都在致力于無地點傳感器的研究，根據(jù)同步電機轉(zhuǎn)子磁極地點辨別的方法，利用定子繞組的感覺電動勢(電壓)間接獲得無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極地點，即間接檢測法。與直接檢測法相比，省去了地點傳感器，進而可簡化原電機本體構(gòu)造的復(fù)雜性，特別適合于小尺寸、小容量無刷直流電機。80年月此后，隨著微機技術(shù)的快速展開，使得無轉(zhuǎn)子地點傳感器的無刷直流電機得以進入實用化階段；此外，隨著多功能傳感器的問世，在無刷直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)中已有用一個傳感器同時檢測轉(zhuǎn)子磁極地點、速度及伺服地點的實用化應(yīng)用成就。半導(dǎo)體技術(shù)自20世紀(jì)50年月后期誕生以來，展開速度很快，功率半導(dǎo)體器件的性能獲得逐步提高，同時其相應(yīng)驅(qū)動電路也獲得了飛快展開，現(xiàn)能夠做到使用一片驅(qū)動電路，一個驅(qū)動電路便可驅(qū)動三相6個開關(guān)管，進而大大簡化了外圍電路尤其是驅(qū)動電路的設(shè)計。同3/9時高性能永磁材料，如釤鈷、釹鐵硼等的問世，均為無刷直流電機的寬泛應(yīng)用確立了堅實的根基。在一些要求高效率和高功率密度的特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，預(yù)示著無刷直流電機驅(qū)動的美好前景，從各個方面對無刷直流電機及其驅(qū)動系統(tǒng)展開的國際性開發(fā)熱還將持續(xù)下去，這樣的結(jié)果，無刷直流電機將持續(xù)成為未來高性能無地點伺服飾置的不可小看的對象。直流調(diào)速系統(tǒng)展開史直流電氣傳動系統(tǒng)中需要有特意的可控直流電源常用的可控直流電源有以下幾種：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，經(jīng)過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)施制造方便，價錢低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬圍平滑調(diào)速，所以當(dāng)前極少采用。第二，三十年月末，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)秀的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機減速時，能夠經(jīng)過發(fā)電機特別容易地將電動機軸上的飛輪慣量反響給電網(wǎng)，這樣，一方面可獲得平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增4/9加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些協(xié)助勵磁設(shè)施，因而體積維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比較的?？墒枪∽兞髌魅源嬖谝恍┤秉c:維修仍是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其余變流元件相比，晶閘管擁有很多獨到的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立刻顯示出強大的生命力。由于它擁有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡易等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不單使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在*以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀(jì)80年月中后期起，以晶閘管整流裝置取代了已往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動達成一次大的躍進。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低本錢。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷展開。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器5/9件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入展開，電氣傳動裝置不斷向前展開。微機的應(yīng)用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極推動了電氣傳動的展開。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的多種直流電氣傳動裝置，如西門子企業(yè)的*K6RA24、ABB企業(yè)的PAD/PSD等等。直流調(diào)速控制裝的外國展開現(xiàn)狀數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至能夠僅經(jīng)過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同種類的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和PLC等各樣器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且擁有操作簡易、抗擾亂能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，填補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等缺乏之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出此外一些優(yōu)點，如查找故障快速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。外國主要電氣企業(yè)如瑞典的ABB企業(yè)、德國的西門子企業(yè)、AEG企業(yè)、日本的三菱企業(yè)、東芝企業(yè)、美國的GE企業(yè)、西屋6/9企業(yè)等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國從20世紀(jì)60年月初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也獲得快速的展開和寬泛的應(yīng)用。當(dāng)前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國公民經(jīng)濟各部門獲得寬泛的應(yīng)用。我國對于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制，補償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)，并有很少的智能控制應(yīng)用于其中。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的展開，GIBT(絕緣柵雙極型晶體管)擁有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和自關(guān)斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。我國直流調(diào)速正向脈寬調(diào)制方式發(fā)展。我國現(xiàn)在大局部數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依賴入口。但由于入口設(shè)施價錢昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的展開空間。當(dāng)前，國很多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。直流電動機的調(diào)速方法直流電機轉(zhuǎn)速n的表達式為：式中：Ua——電樞端電壓(V);Ia——電樞電流(A);Ra——電樞電阻總電阻(Ω);7/9Φ——每極磁通量(wb);Ce——與電機構(gòu)造相關(guān)的常數(shù)；由式1能夠看出，式中Ua、Ra、Φ三個參量都能夠成為變量，只需改變其中一個參量，就能夠改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種根本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變勵磁磁通Φ；(3)改變電樞供電電壓Ua。(1)改變電樞電路總電阻在電動機電樞外串連電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為1:2左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難獲得低速，效率低、平滑性能差、機械特性軟，故現(xiàn)在已極少采用；(2)改變勵磁磁通Φ進行調(diào)速。由式1可看出，電動機的轉(zhuǎn)速與磁通Φ(也就是勵磁電流)成反比，即當(dāng)磁通減小時，轉(zhuǎn)速n升高；反之，那么n降低。與此同時，由于電動機的轉(zhuǎn)矩Te是磁通Ф和電樞電流Ia的乘積(即Te=CTΦIa)，電樞電流不變時，隨著磁通Φ的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動機磁通Φ的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時，電動機始終能夠輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動機的容量能獲得充分利用，往常只是在電動機基速以上調(diào)速時才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時的圍一般為8/91.5:1～3:1，特殊電動機可抵達5:1。這種調(diào)速電路的實現(xiàn)很簡單，只需在勵磁繞組上加一個獨立可調(diào)的電源供電即可實現(xiàn)。(3)調(diào)節(jié)電樞電壓Ua。改變電樞電壓進而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動向響應(yīng)快，合用于要求大圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)。改變電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、PWM