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1、第六章 無換向器電動機(jī)技術(shù),6.1 概述,1. 無換向器電動機(jī)的定義及分類 是一種用半導(dǎo)體開關(guān)器件控制的變頻調(diào)速同步電動機(jī);也可認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動機(jī)。 根據(jù)所采用的控制元件分:晶體管電動機(jī),晶閘管電動機(jī) 。 根據(jù)所采用的控制方式不同可以分為直流無換向器電動機(jī)和交流無換向器電動機(jī)。,2、無換向器電動機(jī)的特點和適用范圍,無換向器電動機(jī)的特性和普遍直流電動機(jī)十分相近,可在四個象限運行,效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也相近。但它沒有電刷和換向器,因而比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,容易做到低轉(zhuǎn)速大容量、高轉(zhuǎn)速大容量,調(diào)速方便,不失步,因而適用范圍廣泛。在易燃、易爆、高氣壓
2、等環(huán)境比較惡劣的場合,如水泥廠、化工廠、礦山、油田及潛艇上都能適應(yīng);也適于安裝在人不可及的裝備上,如原子能設(shè)備、高空飛行器及偏僻海島等地方。,6.2 無換向器電動機(jī)的基本原理,圖6-1 無換向器電動機(jī)與直流電動機(jī)對比電路 a) 直流電動機(jī);b)無換向器電動機(jī),,,圖6-2 從直流電動機(jī)到無換向器電動機(jī)的轉(zhuǎn)化 a)電樞旋轉(zhuǎn);b)磁極旋轉(zhuǎn);c)無換向器電動機(jī),,晶閘管的導(dǎo)通時間是120電角度,關(guān)斷時間是60電角度,而每轉(zhuǎn)過60電角度就有一只晶閘管換相。為此要求隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),周期性觸發(fā)或關(guān)斷相應(yīng)的晶閘管,使得電樞磁場和勵磁磁場保持同步。此任務(wù)由位置檢測器來完成。,,圖6-3 無換向器電動機(jī)原理圖,6
3、.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩,半波接法時,各相繞組中電流只沿著一個方向輪流通電三分之一周期,電動機(jī)繞組的利用率較差;而在橋式接法時,由于繞組中正反兩個方向均通電120電角度,電動機(jī)的利用率較高,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也較大。,圖6-4 無換向器電動機(jī)接法 a)橋式接法;b)半波接法,,(1)橋式接法轉(zhuǎn)矩較大,脈動較??;(2)橋式接法時0角增大到60時轉(zhuǎn)矩曲線才過零點,而三相半波接法0=30時轉(zhuǎn)矩曲線已過零點。,圖6-5 三相電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 a)半波接法時;b)橋式接法時,,從電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的角度來看,以采用三相橋式接法,0=0比較有利,這時轉(zhuǎn)矩平均值最大,脈動最小。但在利用電動機(jī)反電勢自然換相的無換向器電動機(jī)中,0=0
4、時電動機(jī)是不可能運行的。通常0必須有一定的超前角度。目前最常選用的是0=60,或者0按負(fù)載自動調(diào)節(jié)。此時,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動一般是比較大的。,6.2.3 無換向器電動機(jī)的換相,各種無換向器電動機(jī)的換相方式及其特點示于表6-3中。 采用各種全控型器件可以制成各種容量的無換向器電動機(jī),由于器件本身具有自關(guān)斷能力,利用器件換相可使逆變器結(jié)構(gòu)簡單且控制靈活。 采用晶閘管制成的無換向器電動機(jī),由于普通晶閘管不具備自關(guān)斷能力,必須借助外部條件或設(shè)置專門的換相電路才能完成換相。,(1)反電勢換相,即利用電動機(jī)本身產(chǎn)生的反電勢進(jìn)行自然換相。,圖6-6 反電勢換相原理圖,,圖6-7 反電勢換相晶閘管上電壓電流波形
5、,,電動機(jī)在起動或低速運行時反電勢很小, 甚至沒有反電勢,不可能利用反電勢進(jìn)行自然換相。此時需利用下述方法進(jìn)行換相:斷續(xù)換相法或者電網(wǎng)換相法。,,,圖6-8 、隨負(fù)載電流變化關(guān)系,(2)斷續(xù)換相,當(dāng)晶閘管需要換相時,先設(shè)法使逆變器的輸入電流下降到零,使逆變器的所有晶閘管均暫時關(guān)斷;然后再給換相后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖,則在斷流后重新通電時,電流將根據(jù)所加的觸發(fā)信號流經(jīng)該導(dǎo)通的晶閘管,從而實現(xiàn)從一相換到另一相。,,圖6-9 直交系統(tǒng)無換向器電動機(jī),圖6-10 交-直-交系統(tǒng)無換向器電動機(jī),,當(dāng)電動機(jī)采用電流斷續(xù)換相法時,電動機(jī)側(cè)逆變器的觸發(fā)相位 對換相不起作用。為了增大起動轉(zhuǎn)矩,減小轉(zhuǎn)矩脈
6、動,一般取 。當(dāng)電動機(jī)進(jìn)入高速階段;采用反電勢換相時,則 改為 或隨負(fù)載變化進(jìn)行控制。,(3)電網(wǎng)換相,圖6-11 電網(wǎng)換相原理圖,(4)強(qiáng)迫換相,即采用專門的換相電路實現(xiàn)換相,已有多種方案,但由于電路復(fù)雜,元件數(shù)量多,經(jīng)濟(jì)性差而在無換向器電動機(jī)實際運行中少有采用。,6.3 無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),無換向器電動機(jī)是典型的機(jī)電一體化的新型調(diào)速系統(tǒng),見圖6-12。除門極觸發(fā)電路外,還有變頻器、同步電動機(jī)和位置檢測器三大部分。,,1. 變頻器: 用于無換向器電動機(jī)的變頻器有交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種。 2. 同步電動機(jī) 在無換向器電動機(jī)中使用的同步電動機(jī),目前應(yīng)用較普遍的有以下三種:
7、1)爪極式同步電動機(jī);2)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機(jī);3)旋轉(zhuǎn)電樞式同步電動機(jī)。,3. 位置檢測器,位置檢測器是用來檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置,并向逆變器發(fā)出控制信號的裝置。它由直接式和間接式兩類。 (1)直接式位置檢測器,由于其檢測精度和可靠性高而被廣泛采用。典型的直接式位置檢測器有下列幾種: 接近開關(guān)式: 利用磁性旋轉(zhuǎn)圓盤的遠(yuǎn)近來改變固定部分的電感,而利用振蕩條件的變化建立通斷信號。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,輸出電平高,適用大中型電動機(jī)。,,光電方式: 它是由發(fā)光二極管和光敏晶體管等光電元件組成的電路,利用有槽口的旋轉(zhuǎn)圓盤的位置進(jìn)行通斷變化。這種方法檢測分辨率高,適用于高速運轉(zhuǎn)的電動機(jī)。 電磁感應(yīng)式(差動變壓器
8、式): 它由隨電動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的帶缺口的導(dǎo)磁圓盤和固定不動的三只差動變壓器組成。轉(zhuǎn)盤體現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置信號,差動變壓器作為檢測元件檢測轉(zhuǎn)子位置信號并向逆變器的控制電路輸出控制信號。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、檢測可靠,國內(nèi)常用。,,霍爾元件式(磁敏式): 它的轉(zhuǎn)子是永磁結(jié)構(gòu),其極數(shù)與同步電動機(jī)的一樣,而定子用霍爾元件等磁敏元件來感受轉(zhuǎn)子磁極位置,發(fā)出相應(yīng)信號。這種方法信號較弱,但體積較小,多用于中小型電動機(jī)。,(2)間接式位置檢測器,間接式位置檢測器是利用電樞繞組的感應(yīng)電勢間接檢測轉(zhuǎn)子位置。,6.4 無換向器電動機(jī)的運行性能,6.4.1 無換向器電動機(jī)的運行特性,圖6-14 無換向器電動機(jī)主電路,(1)調(diào)速特性,
9、,,這表明無換向器電動機(jī)的調(diào)速特性和直流電動機(jī)基本相同,可以:1)改變 角即改變直流電勢 調(diào)速;2)改變每極磁通調(diào)速;此外3)改變 角也可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。,(2)轉(zhuǎn)矩特性,,,它與直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性T=CmI也很相似,但對于無換向器電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩的大小影響較大。,(3)機(jī)械特性,當(dāng)勵磁磁通和換相超前角0保持不變,調(diào)節(jié)即改變Ed時,無換向器電動機(jī)的機(jī)械特性為一組相互平行的曲線,見圖6-15。由圖可見,它和他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線十分相似,機(jī)械特性較硬,有較寬的調(diào)速范圍。,,,圖6-15 調(diào)節(jié)Ed時的機(jī)械特性,6.4.2 無換向器電動機(jī)的四象限運行,,圖6-16 無換向器電動機(jī)四象限運行
10、狀態(tài)圖,6.5 提高過載能力及抑制轉(zhuǎn)矩脈動的措施,1. 提高過載能力 (1)限制過載能力的因素: 無換向器電動機(jī)的過載能力主要受換相極限的限制。 (2)提高過載能力的措施 以上述分析可見,提高過載能力可以從增加0、減小、減小等方面入手。,2. 抑制轉(zhuǎn)矩脈動,(1)轉(zhuǎn)矩脈動的原因 由于在無換向器電動機(jī)中的電樞電流是方波,它所產(chǎn)生的電樞磁勢是跳躍前進(jìn)的。而轉(zhuǎn)子勵磁磁勢是等速旋轉(zhuǎn)的,二者有周期性的相對運動。它們相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩中除平均轉(zhuǎn)矩外,還有相當(dāng)大的脈動轉(zhuǎn)矩。,(2)抑制轉(zhuǎn)矩脈動的措施,1)換相超前角控制 在確保換相安全的條件下盡量減小換相超前角0,可明顯減小轉(zhuǎn)矩的脈動。 2)多相化 電動機(jī)采用六相30相帶繞組,用兩套三相橋式逆變器形成12脈波逆變電路供電。這樣可使合成轉(zhuǎn)矩中的脈動分量減少到三相電機(jī)的1/2。但此種方法所用晶閘管數(shù)量要增加,故只適用于大容量的場合。,,3)多重化 普通的三相電機(jī)由12脈波逆變器多重供電,可使流入電機(jī)繞組的電流接近正弦波,于是脈動轉(zhuǎn)矩降低。但此法在輸出頻率較高時控制較困難。故常常只在低頻范圍內(nèi)采用這種多重化工作方式,而在進(jìn)入高頻運行時變成兩套普通的三相逆變器并聯(lián)運行。,,,The end.,,,股票入門基礎(chǔ)知識 槷?dāng)槓?