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沒(méi)有變頻器之前,如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速?

放大字體??縮小字體 發(fā)布日期:2019-06-17??來(lái)源:中國(guó)機(jī)電產(chǎn)品交易網(wǎng)
核心提示:當(dāng)年沒(méi)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。
    當(dāng)年沒(méi)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(lái)完成的,如果上個(gè)世紀(jì)60年代以前,晶閘管都沒(méi)有誕生的時(shí)候,還是通過(guò)發(fā)電機(jī)來(lái)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(shū)上見(jiàn)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)。

    這里說(shuō)到的直流電機(jī),當(dāng)然說(shuō)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(kāi)獨(dú)立控制的,而且正交90°,并沒(méi)有耦合問(wèn)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)遣蛔兊模?/font>

    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(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)壓都能滿足控制重要原因。

    后來(lái)可控硅等器件發(fā)明出來(lái)了,通過(guò)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(lái)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(lái)后,還對(duì)直流電機(jī)使用了串級(jí)系統(tǒng)來(lái)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(lái)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(guò)減少勵(lì)磁電流來(lái)降低勵(lì)磁磁通的方法來(lái)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(lái)進(jìn)行的,而且效果還沒(méi)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。

   丨變極調(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(guò)改變極對(duì)數(shù)的方法來(lái)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。

    這種調(diào)速,顧名思義,就是“打滑”來(lái)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(guò)電機(jī)和負(fù)載之間的“滑差頭”來(lái)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(lái)說(shuō)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(méi)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(méi)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模钥隙〞?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。

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