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1、第六章 無換向器電動(dòng)機(jī)技術(shù),6.1 概述,1. 無換向器電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。 根據(jù)所采用的控制元件分：晶體管電動(dòng)機(jī)，晶閘管電動(dòng)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(dòng)機(jī)和交流無換向器電動(dòng)機(jī)。,2、無換向器電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和適用范圍,無換向器電動(dòng)機(jī)的特性和普遍直流電動(dòng)機(jī)十分相近，可在四個(gè)象限運(yùn)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(dòng)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(dòng)機(jī)的基本原理,圖6-1 無換向器電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)對比電路 a） 直流電動(dòng)機(jī)；b）無換向器電動(dòng)機(jī),,,圖6-2 從直流電動(dòng)機(jī)到無換向器電動(dòng)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(dòng)機(jī),,晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是120電角度，關(guān)斷時(shí)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(lì)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(dòng)機(jī)原理圖,6
3、.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩,半波接法時(shí)，各相繞組中電流只沿著一個(gè)方向輪流通電三分之一周期，電動(dòng)機(jī)繞組的利用率較差；而在橋式接法時(shí)，由于繞組中正反兩個(gè)方向均通電120電角度，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)較小；（2）橋式接法時(shí)0角增大到60時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線才過零點(diǎn)，而三相半波接法0=30時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線已過零點(diǎn)。,圖6-5 三相電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 a）半波接法時(shí)；b）橋式接法時(shí),,從電動(dòng)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(shí)轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動(dòng)最小。但在利用電動(dòng)機(jī)反電勢自然換相的無換向器電動(dòng)機(jī)中，0=0
4、時(shí)電動(dòng)機(jī)是不可能運(yùn)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(dòng)調(diào)節(jié)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般是比較大的。,6.2.3 無換向器電動(dòng)機(jī)的換相,各種無換向器電動(dòng)機(jī)的換相方式及其特點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，電流將根據(jù)所加的觸發(fā)信號(hào)流經(jīng)該導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)從一相換到另一相。,,圖6-9 直交系統(tǒng)無換向器電動(dòng)機(jī),圖6-10 交-直-交系統(tǒng)無換向器電動(dòng)機(jī),,當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用電流斷續(xù)換相法時(shí)，電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈
6、動(dòng)，一般取 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速階段；采用反電勢換相時(shí)，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(shí)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(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中少有采用。,6.3 無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),無換向器電動(dòng)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(dòng)機(jī)和位置檢測器三大部分。,,1. 變頻器: 用于無換向器電動(dòng)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(dòng)機(jī) 在無換向器電動(dòng)機(jī)中使用的同步電動(dòng)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(dòng)機(jī)；2）旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)；3）旋轉(zhuǎn)電樞式同步電動(dòng)機(jī)。,3. 位置檢測器,位置檢測器是用來檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并向逆變器發(fā)出控制信號(hào)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(hào)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，輸出電平高，適用大中型電動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。 電磁感應(yīng)式（差動(dòng)變壓器
8、式）: 它由隨電動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的帶缺口的導(dǎo)磁圓盤和固定不動(dòng)的三只差動(dòng)變壓器組成。轉(zhuǎn)盤體現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，差動(dòng)變壓器作為檢測元件檢測轉(zhuǎn)子位置信號(hào)并向逆變器的控制電路輸出控制信號(hào)。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(dòng)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(hào)。這種方法信號(hào)較弱，但體積較小，多用于中小型電動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能,6.4.1 無換向器電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性,圖6-14 無換向器電動(dòng)機(jī)主電路,（1）調(diào)速特性,
9、,,這表明無換向器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性和直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,（2）轉(zhuǎn)矩特性,,,它與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性T=CmI也很相似，但對于無換向器電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩的大小影響較大。,（3）機(jī)械特性,當(dāng)勵(lì)磁磁通和換相超前角0保持不變，調(diào)節(jié)即改變Ed時(shí)，無換向器電動(dòng)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(lì)直流電動(dòng)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(shí)的機(jī)械特性,6.4.2 無換向器電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行,,圖6-16 無換向器電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行
10、狀態(tài)圖,6.5 提高過載能力及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)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(dòng),（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因 由于在無換向器電動(dòng)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(lì)磁磁勢是等速旋轉(zhuǎn)的，二者有周期性的相對運(yùn)動(dòng)。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(dòng)轉(zhuǎn)矩。,（2）抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)。 2）多相化 電動(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩降低。但此法在輸出頻率較高時(shí)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(yùn)行時(shí)變成兩套普通的三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行。,,,The end.,,,股票入門基礎(chǔ)知識(shí) 槷?dāng)槓?
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