1樓:匿名使用者
改變電樞電壓調速是直流調速系統採用的主要方法,調節電樞供電電壓或者改變勵磁磁通,都需要有專門的可控直流電源,常用的可控直流電源有以下三種:
(1)旋轉變流機組。用交流電動機和直流發電機組成機組,以獲得可調的直流電壓。
(2)靜止可控整流器。用靜止的可控整流器,如汞弧整流器和閘流體整流裝置,產生可調的直流電壓。
(3)直流斬波器或脈寬調製變換器。用恆定直流電源或不可控整流電源供電,利用直流斬波或脈寬調製的方法產生可調的直流平均電壓。
下面分別對各種可控直流電源以及由它供電的直流調速系統作概括性介紹。
靜止可控整流器
從20世紀50年代開始,採用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉變流機組,形成所謂的離子拖動系統。離子拖動系統克服旋轉變流機組的許多缺點,而且縮短了響應時間,但是由於汞弧整流器造價較高,體積仍然很大,維護麻煩,尤其是水銀如果洩漏,將會汙染環境,嚴重危害身體健康。因此,應用時間不長,到了20世紀60年代又讓位給更為經濟可靠的閘流體整流器。
2023年,閘流體問世,它是一種大功率半導體可控整流元件,俗稱可控矽整流元件,簡稱「可控矽」,20世紀60年代起就已生產出成套的閘流體整流裝置。閘流體問世以後,變流技術出現了根本性的變革。目前,採用閘流體整流供電的直流電動機調速系統(即閘流體-電動機調速系統,簡稱v-m系統,又稱靜止ward-leonard系統)已經成為直流調速系統的主要形式。
圖8.1所示是v-m系統的原理框圖,圖中v是閘流體可控整流器,它可以是任意一種整流電路,通過調節觸發裝置gt的控制電壓來移動觸發脈衝的相位,從而改變整流輸出電壓平均值 ,實現電動機的平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流相比,閘流體整流不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高,而且在技術效能上顯示出很大的優越性。
閘流體可控整流器的功率放大倍數大約在 ,控制功率小,有利於微電子技術引入到強電領域;在控制作用的快速性上也大大提高,有利於改善系統的動態效能。但是,閘流體整流器也有它的缺點,主要表現在以下方面:
(1)閘流體一般是單向導電元件,閘流體整流器的電流是不允許反向的,這給電動機實現可逆執行造成困難。必須實現四象限可逆執行時,只好採用開關切換或正、反兩組全控型整流電路,構成v-m可逆調速系統,後者所用變流裝置要增多一倍。
(2)閘流體元件對於過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感,其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內元件損壞,因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件,而且在選擇元件時還應保留足夠的餘量,以保證閘流體裝置的可靠執行。
(3)閘流體的控制原理決定了只能滯後觸發,因此,閘流體可控制整流器對交流電源來說相當於一個感性負載,吸取滯後的無功電流,因此功率因素低,特別是在深調速狀態,即系統在較低速執行時,閘流體的導通角很小,使得系統的功率因素很低,併產生較大的高次諧波電流,引起電網電壓波形畸變,殃及附近的用電裝置。如果採用閘流體整流裝置的調速系統在電網中所佔容量比重較大,將造成所謂的「電力公害」。為此,應採取相應的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。
(4)閘流體整流裝置的輸出電壓是脈動的,而且脈波數總是有限的。如果主電路電感不是非常大,則輸出電流總存在連續和斷續兩種情況,因而機械特性也有連續和斷續兩段,連續段特性比較硬,基本上還是直線;斷續段特性則很軟,而且呈現出顯著的非線性。
圖8.1 閘流體-電動機調速系統原理框圖(v-m系統)
直流斬波器或脈寬調製變換器
直流斬波器又稱直流調壓器,是利用開關器件來實現通斷控制,將直流電源電壓斷續加到負載上,通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值,將固定電壓的直流電源變成平均值可調的直流電源,亦稱直流-直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優點,現廣泛應用於地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引裝置的變速拖動中。
圖8.2為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型,圖中vt代表開關器件。當開關vt接通時,電源電壓u。
加到電動機上;當vt斷開時,直流電源與電動機斷開,電動機電樞端電壓為零。如此反覆,得電樞端電壓波形如圖2.5(b)所示。
圖8.2 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型
(a)原理圖 (b)電壓波型
這樣,電動機電樞端電壓的平均值為:
(8.1)
式中,t-開關器件的通斷週期;
-開關器件的導通時間;
-佔空比;
-開關頻率。
由式(8.1)可知,直流斬波器的輸出電壓平均值 可以通過改變佔空比 ,即通過改變開關器件導通或關斷時間來調節,常用的改變輸出平均電壓的調製方法有以下三種:
(1)脈衝寬度調製(pulse width modulation,簡稱pwm)。開關器件的通斷週期t保持不變,只改變器件每次導通的時間 ,也就是脈衝週期不變,只改變脈衝的寬度,即定頻調寬。
(2)脈衝頻率調製(pulse frequency modulation,簡稱pfw)。開關器件每次導通的時間 不變,只改變通斷週期t或開關頻率 ,也就是隻改變開關的關斷時間,即定寬調頻,稱為調頻。
(3)兩點式控制。開關器件的通斷週期t和導通時間 均可變,即調寬調頻,亦可稱為混合調製。當負載電流或電壓低於某一最小值時,使開關器件導通;當電流或電壓高於某一最大值時,使開關器件關斷。
導通和關斷的時間以及通斷週期都是不確定的。
構成直流斬波器的開關器件過去用得較多的是普通閘流體和逆導閘流體,它們本身沒有自關斷的能力,必須有附加的關斷電路,增加了裝置的體積和複雜性,增加了損耗,而且由它們組成的斬波器開關頻率低,輸出電流脈動較大,調速範圍有限。自20世紀70年代以來,電力電子器件迅速發展,研製並生產了多種既能控制其導通又能控制其關斷的全控型器件,如門極可關斷閘流體(gto)、電力電子電晶體(gtr)、電力場效電晶體(p-mosfet)、絕緣柵雙極型電晶體(igbt)等,這些全控型器件效能優良,由它們構成的脈寬調製直流調速系統(簡稱pwm調速系統)近年來在中小功率直流傳動中得到了迅猛的發展,與v-m調速相比,pwm調速系統有以下優點:
(1)採用全控型器件的pwm調速系統,其脈寬調製電路的開關頻率高,一般在幾khz,因此係統的頻頻寬,響應速度快,動態抗擾能力強。
(2)由於開關頻率高,僅靠電動機電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流,電樞電流容易連續,系統的低速效能好,穩速精度高,調速範圍寬,同時電動機的損耗和發熱都較小。
(3)pwm系統中,主迴路的電力電子器件工作在開關狀態,損耗小,裝置效率高,而且對交流電網的影響小,沒有閘流體整流器對電網的「汙染」,功率因數高,效率高。
(4)主電路所需的功率元件少,線路簡單,控制方便。
目前,受到器件容量的限制,pwm直流調速系統只用於中、小功率的系統
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