(4)直流电动机除励磁外

 交流电机     |      2019-03-19 16:39

  本文主要阐述了正在使用和不断发展的直流调速和交流调速,并具体分析了调速方法。最后对直流调速系统与交流调速系统进行了简单比较。

  电机是人类生活中应用十分广泛的设备,大到航空航天,小到人们的日常生活,电机的影子可谓无处不在。对各种电机(交直流电机)的选择也充满了我们生活的时时刻刻。直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪,距今已有100多年的历史,并已成为动力机械的主要驱动装置。但是,由于技术上的原因,在很长一段时期内,占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机(包括异步电动机和同步电动机),而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的直流电动机。而对于交流电机和直流电机他们的调速方法又有着很大的不同,因此对电机调速方法的研究就显得十分重要。本文列举并对比了交直流电机的各种调速方法,为生活和生产中电机的选择提供了一些参考。

  (1)改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单;缺点是效率低。因此,该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。

  (2)改变电动机主磁通。该方法的优点是能够实现平滑调速;缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用,通常以非独立控制励磁的方式出现。

  (3)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定向下变速,属于恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。

  比较上面三种直流调速方法可看出自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。在调压调速系统中调节电动机的电枢供电电压需要专门的可控直流电源,可调的直流电源有旋转变流机组、静止式可控整流器、直流斩波器和脉宽调制变压器三种。其中直流斩波器和脉宽调制变压器方式是以恒定直流电源供电,用直流斩波器和脉宽调制变换器中的开关器件,将直流电源电压断续加到负载上,通过通断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源,亦称直流~直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。

  交流异步电动机的调速方式有多种,诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等,而变频调速优于上述任何一种调速方式是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用是自动化电力传动的发展方向。

  (1)降电压调速;调速过程中增加转差损耗,此损耗使转子发热,效率较低;调速范围比较小;要求采用高转差电机,比如特殊设计的力矩电机,所以特性较软,一段适用于55kW以下的异步电动机。

  (2)转差离合器调速;结构简单,控制装置容量小,价值便宜。运行可靠,维修容易。无谐波干扰。但速度损失大,因为电磁转差离合器本身转差较大,所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的80%~90%;并且调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗,效率低。

  (3)转子串电阻调速;无电磁谐波干扰。但是串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速,则维护、保养要求较高;调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗,效率低。调速范围不大。

  (4)绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速;可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。效率高;装置容量与调速范围成正比,适用于70%~95%的调速。但是功率因素较低,有谐波干扰,正常运行时无制动转矩,适用于单象限运行的负载。

  (5)变极对数调速;无附加转差损耗,效率高;控制电路简单,易维修,价格低;与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。是有级调速,不能实现无级平滑的调速。且由于受到交流电机结构和制造工艺的限制,通常只能实现2~3种极对数的有级调速,调速范围相当有限。

  (6)变压变频调速;无附加转差损耗,效率高,调速范围宽;对于低负载运行时间较长,或起停较频繁的场合,可以达到节电和保护电机的目的。

  在上述异步电动机的各种调速方式中,效率最高、性能最好、应用最广泛的是变压变频调速方式,它是一种转差率不变型调速,可以实现大范围平滑调速。变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变电动机同步转速,从而实现交流电动机调速的一种方法。变频装置工作是随着输出频率的变化,输出电压也要配合改变,因此,变频调速系统常被称为变压变频(VVVF)调速系统。目前,变频调速的主要方案有:交交变频调速,交直交变频调速,同步电动机自控式变频调速,正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速,矢量控制变频调速等。

  直流调速控制简单,调速性能好,变流装置(晶闸管整流装置)容量小,长期以来在调速传动中一直占统治地位,但也具有以下缺点:

  (1)直流电动机结构复杂,成本高、故障多、维护困难,经常因火花大而影响生产。

  (3)为改善换向能力,要求电枢漏感小,转子短粗,影响系统动态性能,在动态性能要求高的场合,不得不采用双电枢或者三电枢,带来造价高、占地面积大、易共振等一系列的问题。

  (4)直流电动机除励磁外,全部输入功率都通过换向器流入电枢,电机效率低,由于转子散热条件差,冷却费用高。

  交流调速的性能己达到直流传动的水平,装置成本降低到与直流传动相当或者略低的程度,由于维修费用及能耗大大降低,可靠性提高,因此出现了以交流传动代替直流传动的强烈趋势。采用交流传动能取得下述效果:

  (2)可以突破直流电动机的功率和速度极限,为设备提供更大的动力,从而提高产量。

  (5)由于交流电动机结构简单,因此有可能与机械合为一体,形成机电一体化产品,大大简化机械结构,减小体积和重量,提高可靠性。

  (6)成本方面,交流调速的功率装置(变频器与电网补偿装置)和控制装置比直流调速的功率装置和控制装置贵,但是它的电动机便宜。随着电动机功率的增加,交流调速总成本的增长比直流调速总成本的增加要慢,大于某一功率后,交流调速就比直流调速便宜。

  交流变频调速之所以比直流调速广泛运用是因为交流电机,不是变频调速原理具有优越性,变频调速只能应用于调速,而对力矩是无法做到精确控制的,原因很简单,直流调速的电枢和励磁不是耦合的,是分开的,这样对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制。而交流调速,电枢电流和励磁电流是耦合的,是无法做到精确控制的。由于交流电机的机构简单,维护工作量小,适用于更广泛的环境,更容易大功率化等优点,交流调速使用的越来越广泛,但同时由于直流调速具有更好的力矩控制特性,因此在一些力矩要求高的行业还是有很大的市场的,所以在未来很长的时间内应该是交流和直流调速同时存在和使用的,不存在交流代替直流的问题。