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直流電動機中的箝位效應——兼論無刷直流電動機之實質

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3117


   摘要:尤刷直流電動機的出現,使得直流電動機與同步電動機的區別變得模糊了。直流電動機和同步電動機的關鍵,在于電樞磁動勢與直流勵磁的磁極之間存在著不同的特定關系。直流電動機中電樞磁動勢的軸線位置是由電刷位置決定的,電刷具有箝位的功能。發生在直流電動機內的自控變頻作用也是箝位效應的直接結果,直流電動機的優良控制性能與箝位效應的存在密切相關。同步電動機只有接至恒頻電源才能穩定運轉,同步電動機的特征是功角容易變動,在運行中經常出現轉子失步,這與它不存在箝位效應有關。無刷直流電動機中的位置傳感器代替了電刷的箝位功能,使得其電機本體內同樣存在著箝位效應,它完全沒有同步電動機的性能行為。

l混淆同步電動機和直流電動機的起因

   無刷直流電動機以及一度被稱為無換向器電動機系統,都是基于直流電動機而發展起來的新技術。實際上它們僅僅從結構卜把機械形式的換向器和電刷組件改造成用電子技術裝備的組件,而換向器、電刷的功能并末消失,尤其是電刷具有的箝位功能被完整地保存下來了,這些電機系統的工作原理、特性以及調速方式與直流電動機一樣。然而,又因為上述電機系統中的電機本體,其基本結構特征類似于同步電機,以至后來人們就把無換向器電動機納入了自控式變頻調速的同步電動機之列,并且以為同步電動機有時也可以呈現直流電動機的特征,這樣,有關同步電動機的概念和認識就被嚴重地混淆了。

   直流電動機和同步電動機的相同之處是都具有直流勵磁的磁極,前者比后者無非足多了一套換向器、電刷組件。同步電動機的電樞繞組多為三相交流繞組,可以直接與交流電源連接,而直流電動機的電樞繞組需要通過換向器、電刷跟直流電源連接。所以人們根據直流與交流電源的不同自然而然地將直流電動機和同步電動機分成兩種電機,甚至片面認為直流電動機上的換向器具有標志性的特色,有時還強調直流電動機亦可稱為直流換向器電動機。自從無換向器電動機出現后,由于電機本體可以不經由電刷通導直流而直接接至變頻電源運行,于是便以為其電機本體就和同步電動機都屬于同步電動機了。

   其實,無論是直流電動機還是同步電動機,它們的電樞磁動勢都是由交變電流所激勵的旋轉磁動勢,穩定運行時,電樞磁動勢對直流勵磁的磁極總是保持相對靜止的。這兩種電動機的運行分析都涉及電樞反應問題,亦即須討論由不同的勵磁源所產生的磁場之間存在的特定關系。直流電動機和同步電動機形成兩類電機的關鍵,正在于電機穩定運行時電樞磁動勢與磁極磁場之間雖然都是保持相對靜止的,卻仍存在著不同的特定關系。

2比較同步電動機與直流電動機的電樞反應

  圖1外轉子永磁同步電動機  

以一臺外轉子永磁同步電動機舉例說明,如圖l所示。定子(在內部)上有△接的電樞三相繞組,ia、ib、ic為正弦對稱三相電流,井假設t=0時ia取最大值Im。電樞磁動勢空間矢量Fabc由三個單相脈振磁動勢所合成,后者用分別位于A、B、C相軸上的三個相軸矢量來描述。令定子復數坐標的實軸與A相軸重合,則 式中:N為每相繞組有效串聯匝數。上式表明,電樞磁動勢空間矢量Fabc在定子復數坐標中是以電流的角頻率ω連續勻速轉動的。

   電樞反應可以借助坐標變換的方法來分析。選取置于轉子上隨轉子以角速度ω轉動的d、q坐標系,由于ia+ib+ic=0,變換到d、q坐標系的兩軸電流id和iq為: (2)式中:θ是d軸對A相軸的交角,θ=ωt+γ;γ為初瞬交角,由于t=0時刻Fabc到達A相軸上,γ可以反映Fa對d軸的初瞬交角。將正弦對稱三相電流ia、ib、ic代人式(2)得: (3)

   電樞磁動勢空間矢量在d、q坐標系中表示為Fdq它對d軸的交角以λ表示: (4)式中:λ=γ=定值,表明電樞磁動勢相對于永磁磁極并不轉動,但λ值取決于初瞬交角γ的大小。實際運行中的同步電動機,其初瞬交角γ的大小與功角δ及功率因數角φ有關,這表明同步電動機的電樞反應與負載情況相關,同步電動機在不同的負載下有不同的電樞反應。

   圖2繪出一臺電樞為三相繞組的永磁直流電動

 圖3  階梯矩形波三相交變電流

   圖2電樞三相繞組的直流電動機機。由于電樞繞組經過電刷與直流電源連接,迫使各相繞組中只能出現如圖3所示的階梯矩形波交變電流,其表達式如下: (5)式中:Im是流經電刷的直流電流之 。參變量k與時間t有關,即:   及ω分別是階梯波電流交變的周期和角頻率。圖2中的電樞繞組結構與與圖l中的相同。不管電流波形怎樣,各相脈振磁動勢仍分別為Nia、Nib、Nic,電樞磁動勢空間矢量Fabc與三個相軸矢量的關系仍與式(1)的關系一樣:  (6)須指出,由于電樞在轉子上,故上式是對應轉子復數坐標系寫出的。式(6)表明,Fabc在轉子復數坐標系中雖不是連續旋轉的卻也是隨時間有所變動的空間矢量,它的變動方式是跳躍式地步進移動。Fabc在每周期T內步進六次,而在每 時間間隔內靜止不動。

   圖2中的電樞是以轉速n沿順時針方向轉動的。選取置于定子永磁磁極上的d、q坐標系,它相對于電樞則沿逆時針方向轉動,角速度為ω= 。從圖2中還可以看出,t=0時d軸比A相軸超前60°電角度(與式(5)中ia的初相位角有關),故式(2)變換矩陣中的θ=ωt+60°,經坐標變換后的兩軸電流id和iq分別為: (7)電樞磁動勢空間矢量在定子d、q坐標系的表示為: (8)式中:λ= 。它表明,無論在哪個時間間隔段內,λ都被限制在一60°~一120°之間(負號表示電樞磁動勢空間矢量滯后于d軸),這說明在各個時間間隔段內,電樞磁動勢空間矢量都有60°范圍的擺動,但其平均狀態則反映出Fdq落在q軸的反方向上,乃屬于交軸電樞反應。關鍵在于λ不再與負載情況相關,所以在不同負載情況下電樞反應的性質是相同的。

3直流電動機中電刷的箝位功能

   直流電動機中A受到上述限制表明:電樞磁動勢空問矢量受到了d軸的約束,也就是電樞磁動勢的軸線位置受到了永磁磁極軸線位置的牽制。盡管在上例中Fdq尚有60°范圍的擺動,但隨著△接法的閉合電樞繞組內相數增加(即增加閉合繞組的抽頭數一換向片數),Fdq擺動范圍就會縮小,倘若相數相當多,Fdq就會被箝制在dq軸上幾乎不呈現擺動,這就是說,電樞磁動勢的軸線受到直流勵磁磁極軸線對它的箝制。這種箝制效應是由于電樞繞組通過電刷導電造成的,在直流電動機中,電刷通常位于幾何中性線上,即電刷軸線通常也在dq軸上且與直流勵磁的磁極軸線保持正交,所以電刷能夠反映并指示磁極軸線所在的位置。我們可以說坐落在dq軸上的電樞磁動勢軸線的位置是由電刷位置決定的,也可說成它受到了電刷的箝制,可見直流電動機中的電刷還具有箝位的功能。電刷的箝位效應對直流電動機來說具有極為重要的意義,直流電動機的優良控制性能與電刷的箝位效應密切相關。

   在一般情況下,交流電機的電磁轉矩總是與不同勵磁源所產生磁場的軸線之間的空間夾角即轉矩角的正弦函數成正比的。對直流電動機來說,由于電刷的箝位效應,使得電樞磁動勢軸線與直流勵磁的磁極軸線之間的空間夾角成為定值而不受負載改變的影響,轉矩角的正弦函數便取定值。于是,直流電動機的電磁轉矩便只是磁極的每極磁通量及電樞電流大小兩個變量的函數。如果磁極的每極磁通量不變,那么電磁轉矩便是單一自變量即電樞電流大小的函數,他勵直流電動機的優點之一,就是控制電樞電流容易調節電磁轉矩。

   圖2中的電刷位置決定著電樞電流發生換向的地點,從式(5)和圖3也可以看出,電刷位置實際上還決定著各相電樞電流的相位情況,說明電刷對于電樞電流的相位情況同樣起著箝位作用。另一方面,電樞繞組內的運動反電動勢相位情況則是由直流勵磁磁極軸線位置決定的,這樣一來,電樞電流與反電動勢之間的相位差也受到了電刷的箝制而保持不變,當電刷置于幾何中性線上時,電樞電流就與反電動勢相位一致。如果外施直流電壓維持不變,增大電樞電流只能引起反電動勢的量值稍微減少,從而導致轉速略微下降,這就是他勵直流電動機的機械特性為負斜率直線的道理,他勵直流電動機的另一優點就是控制外施電壓,容易調速。

4無箝位措施的電動機之運行條件及行為特征

   圖1的同步電動機不存在箝位效應,唯有以恒頻電源饋電才能穩定地運轉。哪怕把它置于轉速開環控制的變頻調速系統內,同步電動機的穩定運轉狀態也只能在恒頻饋電時出現,變頻調速過程只不過是系統的暫態。頻率一旦調變,同步電動機的轉子因具有機械慣性總是先發生失步,然后經過振蕩,轉子轉速才能達到與新的電樞磁動勢轉速一致。所以同步電動機理應屬于恒頻恒速的電動機,它以具有恒速的機械特性作為標志。

   同步電動機的電磁轉矩是功角δ的函數,負載增減必然會引起功角的變化,從而影響式(4)中初瞬交角γ的取值。在恒頻饋電條件下,電機內氣隙合成磁場的轉速總是恒定不變的,增減功角必須先經過轉子失步,然后發生轉速振蕩,振蕩衰減后才恢復穩態??梢娡诫妱訖C與電源頻率恒定、轉子經常發生失步以及功角容易變動等特征密切相關。

   電刷的箝位作用還使直流電動機中電樞磁動勢的轉速恒等于轉子轉速(在實際直流電動機中,兩者轉向相反。倘若將磁極置于轉子上,那么電刷必須也達到轉子轉速),即電樞電流的頻率受到本電機的轉子轉速所支配,這種現象就是自控變頻,而自控變頻作用乃是箝位效應的直接結果。電動機運行在自控變頻條件下不會出現振蕩,因為轉子轉速若有變更,電樞磁動勢的轉速也緊跟著改變,所以轉子不會失步,當然也不會發生振蕩。說明轉子的機械慣性在這里不起造成轉子失步與振蕩的作用。

5取消電刷但仍保留箝位措施的電動機

   無刷直流電動機是借助位置傳感器代替原直流電動機中的電刷繼續執行箝位任務的。這種電機常將永磁磁極安置在轉子上,所以位置傳感器也須置于轉子上才能反映永磁磁極軸線的位置。位置傳感器的任務是控制電樞電流的相位。這里電樞繞組大多做成三相繞組,利用位置傳感器的輸出信號控制逆變橋內電子開關元件的通斷,使得電樞繞組中的電流在一周期內按六拍方式輪流導通,逆變器便輸出矩形交變電流.電樞磁動勢呈跳躍式步進移動,電磁轉矩的波動比較大。如欲獲得平穩的電磁轉矩,就應使電樞磁動勢的軸線相對于永磁磁極的軸線箝制在固定位置上,增加電樞繞組的相數固然可以實現此目標,但在實踐中有許多困難,一種行之有效的辦法就是通過自控變頻的正弦波脈寬調制交直交電壓型變頻器對電樞繞組饋電(相當于圖l中令γ取不隨負載改變的固定值)。在這種情況下,是將

位置傳感器的輸出信號送至驅動控制器以產生一組三相對稱的正弦控制波,正弦控制波的調制周期和相位則是由位置傳感器輸出信號來決定的,即:它的調制周期取決于電動機的轉子轉速,它的相位能反映任意時刻永磁磁極軸線對電樞三相繞組軸線的交角。在驅動控制器中,各相正弦控制波與三角形載波比較之后,輸出三相脈沖信號來控制逆變橋上電力晶體管的通斷。這樣控制正弦波電樞電流相位就能夠箝住電樞磁動勢的軸線位置,還使能電樞電流的頻率受到電動機的轉子轉速支配,達到自控變頻的目標。由于位置傳感器的箝制作用,使得電樞磁動勢軸線與永磁磁極軸線之間的夾角保持不變,電動機就表現出直流電動機的特征和優良的控制性能。位置傳感器的存在使變頻器實現自控變頻,轉子就不會發生失步,電機中沒有易變的功角,運行時就不會振蕩,所以它并不存在同步電動機的特征。

6無刷直流電動機是交流箝位電動機

   無刷直流電動機是由變頻器饋電且須配置位置傳感器的一種永磁交流電動機系統。電樞繞組既然直接接至變頻器,當然它已不足直流電動機了,又由于系統中有位置傳感器,說明它僅僅是形式上的無刷而非功能方面的(即非實質性的)無刷,可見即使是指系統,“無刷直流電動機”的稱呼也很不合理。還有一種說法,把具有梯形波反電動勢的電動機稱作無刷直流電動機,而把具有正弦波反電動勢的電動機稱作永磁同步電動機,也是值得商榷的。直流電動機實質上是箝位電機,而同步電動機是無箝位電機,所以在電機本體內同樣存在著箝位效應的無刷直流電動機系統實質上應是交流箝位電動機。

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