直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速電機(jī)簡(jiǎn)稱變頻電機(jī)，是變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)稱，優(yōu)點(diǎn)是具備有啟動(dòng)功能;采用電磁設(shè)計(jì)，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值;適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速;在一定程度上節(jié)能。目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級(jí)變速傳動(dòng)。

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。21世紀(jì)初期，使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。

1、具備有啟動(dòng)功能

2、采用電磁設(shè)計(jì)，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值

3、適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速

4、在一定程度上節(jié)能

變頻調(diào)速已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級(jí)變速傳動(dòng)。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機(jī)的身影。

當(dāng)年沒有變頻器的時(shí)候，基本上是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的天下，阿波羅登月時(shí)候也要用精確的調(diào)速系統(tǒng)，甚至需要進(jìn)行位置定位控制，當(dāng)時(shí)也是使用了直流伺服來完成的，如果上個(gè)世紀(jì)60年代以前，晶閘管都沒有誕生的時(shí)候，還是通過發(fā)電機(jī)來帶動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的，調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流就可以控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速系統(tǒng)可以在早期的《電機(jī)拖動(dòng)》教科書上見到，只是笨重點(diǎn)而已，但是調(diào)速范圍非常寬，扭矩大，而且穩(wěn)定可靠，另外直流調(diào)速的理論已經(jīng)非常成熟了，早期的電動(dòng)汽車上都用這種調(diào)速系統(tǒng)。

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

這里說到的直流電機(jī)，當(dāng)然說的是有刷直流電機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)的磁場(chǎng)和電樞線圈是分開獨(dú)立控制的，而且正交90°，并沒有耦合問題，當(dāng)勵(lì)磁電流保持恒定的時(shí)候，定子勵(lì)磁繞組磁鏈?zhǔn)遣蛔兊?，電機(jī)扭矩=勵(lì)磁繞組磁鏈*電樞電流。

所以只要調(diào)整電樞電流的大小，就可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩控制，能輕易滿足恒轉(zhuǎn)矩的控制要求，這也是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)低速扭矩非常良好的根本原因。

對(duì)于直流電機(jī)的調(diào)速，轉(zhuǎn)速n=(電樞電壓U-電樞電流I*電樞內(nèi)阻R)/常數(shù)Kφ，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的內(nèi)阻R非常小，所以轉(zhuǎn)速n≈電樞電壓U/常數(shù)。

電樞電壓U幾乎和轉(zhuǎn)速n成正比例關(guān)系，這也是直流電機(jī)調(diào)速通過發(fā)電機(jī)調(diào)壓都能滿足控制重要原因。

后來可控硅等器件發(fā)明出來了，通過全控橋或者半控橋，直接可以讓交流電變成可控的直流電，電壓大小可以任意快速可調(diào)，這樣用來控制控制直流電機(jī)的電樞電壓大小，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制理論發(fā)展起來后，還對(duì)直流電機(jī)使用了串級(jí)系統(tǒng)來調(diào)速，也就是速度環(huán)在外邊，速度偏差作為電流環(huán)的給定，電流環(huán)做為內(nèi)環(huán)，兩個(gè)環(huán)都使用PID調(diào)節(jié)器來完成控制，響應(yīng)快，精度高，扭力大，調(diào)速范圍寬。

除了恒扭矩調(diào)速外，還可以通過減少勵(lì)磁電流來降低勵(lì)磁磁通的方法來讓直流電機(jī)運(yùn)行在恒功率區(qū)域，這樣扭矩是隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少，功率不變，但是可以擴(kuò)寬調(diào)速范圍。

實(shí)際上，今天的變頻器調(diào)速的矢量控制模式，就是模仿直流電機(jī)的調(diào)速方法來進(jìn)行的，而且效果還沒有直流調(diào)速系統(tǒng)的理想。只是因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)碳刷磨損厲害，維護(hù)麻煩，而且電機(jī)制造成本貴等因素，才逐步讓有刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)退出了市場(chǎng)。即使這樣，很多小功率的電機(jī)依然使用直流調(diào)速系統(tǒng)，畢竟價(jià)格有優(yōu)勢(shì)，而且性能比較好。

變極調(diào)速

異步電機(jī)除了變頻調(diào)速外，實(shí)際還有一種調(diào)試方法，那就是通過改變極對(duì)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)變速，比如四極電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)1500轉(zhuǎn)，8極的就只有750轉(zhuǎn)了，這種調(diào)速方式有很大的極限性，一般稱之為雙速電機(jī)，往往只有兩個(gè)轉(zhuǎn)速段，但是扭力比較大，而且比較穩(wěn)定，在一些只需要兩段速的場(chǎng)合，使用這種調(diào)速方式是非常理想的，比如一些混料系統(tǒng)上，就有這樣的調(diào)速系統(tǒng)，低速運(yùn)行一段時(shí)間后，再切換到高速模式，這種控制系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，有點(diǎn)類似星三角那種切換，所以成本低廉，一直到今天，即使變頻非常普及了，但是還是很多場(chǎng)合使用這種調(diào)速方式。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f/p，除了改變頻率就可以改變轉(zhuǎn)速n外，調(diào)整極對(duì)數(shù)p也可以讓轉(zhuǎn)速得到改變。

滑差調(diào)速

這種調(diào)速，顧名思義，就是“打滑”來調(diào)速的意思，實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速啟動(dòng)以后是不變的，是通過電機(jī)和負(fù)載之間的“滑差頭”來打滑，讓負(fù)載這邊的速度變低而已，這個(gè)滑差頭，也可以理解成電磁離合器，這種離合器可以有多種形式，但都是利用了電磁效應(yīng)形成阻力，下邊簡(jiǎn)單以磁粉離合器的原理來說明一下。

比如在這個(gè)離合器里邊，裝有線圈還有很多磁粉，磁粉在通電情況下，會(huì)因?yàn)榫€圈磁場(chǎng)的作用，黏連在一起，電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁粉之間結(jié)合越緊密，達(dá)到一定程度，就可以變成一定剛性的東西，直接讓輸出和輸出軸連接到一起，保持一致的速度輸出，這樣可以讓負(fù)載和電機(jī)轉(zhuǎn)速一樣快。

當(dāng)完全沒有電流了，磁場(chǎng)消失，磁粉會(huì)變成一盤散沙，輸出和輸入軸之間完全沒有磁粉連接了，雖然電機(jī)還在轉(zhuǎn)，負(fù)載轉(zhuǎn)速可以變成零了。

如果磁場(chǎng)電流處于一定值，磁粉有一定的黏連，但是剛度不夠，就會(huì)在里邊打滑，這樣會(huì)讓輸入和輸出軸之間形成一定的速度差，控制磁場(chǎng)電流值大小，就可以控制速度差大小，這樣能讓負(fù)載的速度得到改變。

因?yàn)槭谴蚧?，所以肯定?huì)摩擦發(fā)熱，這樣一部分電能會(huì)白白浪費(fèi)，調(diào)速的效率低下。當(dāng)然也有它的優(yōu)點(diǎn)，它可以做成速度閉環(huán)控制，低速時(shí)候扭矩比變頻器調(diào)速還要理想。