【《直流电动机与调速理论基础概述》3500字】

直流电动机与调速理论基础概述1.1直流电动机基本知识1.1.1无刷直流电机的发展历程无刷直流电机自投入运行以来，在许多领域得到了广泛的应用。在此之前，发动机一直使用机械刷。这种皮带有机械刷由于其体积大，效率低，浪费了大量的能源成本很高，特别是在操作过程中。有许多新的电子设备，占有重要地位的晶体管是由整流电路,这个电路的出现,机械毛刷,可以让汽车不需要直流发动机的各方面性能都有了明显的改善，自第一次出现问题以来就无人过问直流电刷发动机，是在很短的时间内推广的。。由于这种电机它能做到体积小，效率高，使得它在轻工业领域中有许多应用，如纺织厂的纺织机械、制砂机、食品厂的搅拌机、造纸厂的轧辊机等等。到目前为止，人们的日常出行方式中都有无刷直流电机的身影，如大城市的地铁，越来越多的电动汽车以及一些城市公交车都是使用无刷直流电机供电。无刷直流电动机的发展过程是非常快的，有刷直流电动机从发明到推广使用近二十年，而无刷直流电动机的推广只花了短短的十年时间。到目前为止，无刷直流电机已经在许多尖端技术中得到了应用，特别是在航天领域，如发射卫星进入太空，太空卫星的太阳能电池板的打开是由无刷直流电机驱动，月球探测车到月球。在当今人们的日常生活中，无刷直流电机越来越有用，人们在高层不同楼层之间穿梭的电梯;过去，当人们旅行时，无人机可以拍摄风景的航拍照片;家用自动展开和折叠的衣架，全部使用无刷直流电机。随着科学技术的不断发展，无刷直流电动机将被应用于载人飞机、电动船、人形机器人等领域，无刷直流电动机将越来越有用。1.1.2无刷直流电机的结构特点无刷直流电动机它不同于有刷电动机，它的设计结构非常的巧妙，它的出现解决了很多工业生产和发电变电方面的问题。之所以说它结构巧妙，是因为它使用了永磁体转子，在无刷直流电机出现前，普通有刷直流电机使用的是定子励磁。无刷直流电机的最核心的部分，也是最具有创新的地方要属它用电子换向器取代机械换向器和电刷。如下图1.1为无刷直流电机的原理图。无刷直流电动机中三相绕组要优于多相绕组，同时采用三相绕组，其绕组利用率也越高，电阻压阵减小，工作效率增大。因此，一般使用具有三相绕组的无刷直流电机居多[8]。图1.1无刷直流电动机结构原理图1.1.3无刷直流电机的展望无刷直流电动机有很多优点，无刷直流电动机体积轻，使用寿命长，工作效率非常高，而且没有噪音小，主要性能非常稳定，使用非常安全，以其良好的性能，首先应用于无刷直流电动机(BLDCM)和一些小家电的消声，从小型相机和手机到大型汽车和空调。虽然我国刚开始使用无刷直流电动机，但是无刷直流电动机很快就被应用到工业生产的许多领域，并形成了一条产业链。另外，近年来随着科学技术的不断更新和发展，无刷直流电动机的研发速度加快，其成本开始降低。产量的增加导致成本的降低，因此被大量应用于模型领域，如电动遥控车、电动模型飞船等。高效节能电机是当前市场的主流，也是社会的需要，所以无刷直流电动机的未来发展前景是很好的。随着电力作为未来的能源设备将越来越多，随着国家对环保重视程度的加深，无刷直流电机作为电厂设备将逐渐取代内燃机作为电厂设备，就像现在，电动汽车越来越普及，电动公交车在公交车数量中所占比例越来越大。无刷直流电动机对国家和社会的未来发展至关重要。1.2直流电动机的调速方法直流电机的转动速度n的表达式为公式（1.1）；（1.1）下面为对直流电动机转速控制的三个方法：恒转矩调速：通过改变电枢电压Ua而造成转速发生变化[10]。恒功率调速：减弱磁通造成主磁通的改变来实现。电枢外串联电阻调速：电枢电路电阻Ra阻值变化从而实现有级调速，但是这种调速方式效率很低。在稳速方面：系统在有干扰的情况下运行，其运行精度不变且转速稳定不会有所改变，不会在运行过程中出现大波动而影响整个系统。在加、减速方面：系统频繁启动或关闭，需要通过加速或者减速来完成，这样能提高一定的工作效率。想要了解调速系统就需要了解系统的性能指标，只有了解系统的性能指标才能更好的运用系统进行调速。(一)调速范围D（1.2）(二)静差率S静差率的表达式为：（1.3）由上述表达式可推断调速范围和静差率对系统的调速都有影响，要同时升高两个性能指标才有意义，静差率用来判断负载变化时转速是否恒定。最低速静差率：（1.4）（1.5）而调速范围为：（1.6）将上式（1.5）中代入式(1.6)得（1.7）由式(1.7)可见，如果调速系统对于系统的稳态平稳性要求较高，则静差率会很小，系统允许的调速范围也会随之变少，这样可以保证整个调速系统的稳定运行。1.3双闭环直流调速系统工作原理在双闭环直流调速系统中，因为控制系统包含了两个闭环，所以被称为双闭环系统，在整个调速系统中，它是由两个闭环组成，这两个闭环控制效果不同，内环为电流环，外环为转速环。其原理如图1.2所示。图1.2转速、电流双闭环调速系统ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速计，GT—晶闸管触发器，V—整流装置。下面对调速系统的特性去具体分析，对于特性的分析，可以选择从稳态结构图出发来研究它的特点，只有从稳态结构图来进行分析，才能具体的对整个系统的每一个部分进行详细的了解，去研究系统的每一个部分所起到的功能，以及系统的运行过程。如图1.3所示。图1.3双闭环调速系统稳态结构图对于电流环来说在系统处于稳定状态时，它的输入偏差电压可以用下列关系来表达：===0，即。其中为电流反馈系数。当一定，为使整流装的输出电流保持在的恒定数值，当时，其系统的调节过程为：在系统调节完毕后电流保持稳定。当电流下降时，调节过程的原理与上面所述内容类似。（2）以转速调节器ASR为核心的转速环它的主要功能就是先检测电动机转速，然后根据当前转速和设定的转速差值反馈给控制器，进行调整对电动机的控制，实现转速稳定在设定值。转速调节器采用PI调节器，当双闭环直流调速系统达到稳态时，即。当一定时，转速n将恒定在。当时，双闭环直流调速系统的自动调节过程为：负载双闭环直流调速系统最终保持转速稳定。当转速上升时，调节过程跟上述过程原理相似。系统有两种状态：当系统的输出达到限副值，双闭环调速系统达到饱状态，相当于开环；（2）如果在系统输出的值还没有达到系统的限定幅值时，系统会进行改变转速调节器数值大小的操作，并且这一操作会持续到输入偏差电压在稳态时的数值大小为零。如图1.4为双闭环调速系统稳态特性。图1.4双闭环调速系统稳态特性系统在稳态时，它的参数的计算过程如下：如果在两个调节器都是在不饱和的状态下这种情况时，但是对于整个系统而言，系统是处于稳定状态时，整个系统它的内部各个变量的关系表达式为：（1.8）（1.9）（1.10）转速反馈系数（1.11）电流反馈系数（1.12）其中，和分别是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。下图1.5为双闭环调速系统的动态结构图，对于系统的动态特性，可以用下列数学模型来表示：对于PI调节器来说，它的传递函数就是转速调节器和电流调节器的传递函数，其传递函数分别为：（1.13）（1.14）图1.5双闭环调速系统的动态结构图1.4理论计算根据上面几节对于双闭环调速系统的理论分析和研究，进行理论计算。假设直流电机的具体参数为：W=8.5KW，Ua=220V，Ia=38A，，L=100mH，T=2s，a=1.5，n=1450r/min，Ks=40。对直流电机控制效果的数值要求：（1）电流超调量小于5%（2）调量小于等于30%（3）调速范围D=20（4）静差率小于等于0.031.4.1电流调节器设计（1）确定时间常数①对于整流装置来说，它是有滞后时间的，在这里将滞后时间立项化为一个常数表达为。按表3-1，三相桥式电路它是有失控时间的，这与它的物理机械特性有关，在这里理想化平均失控时间为=0.0017s。②电磁时间常数。由公式=L/R=0.1/0.3=0.33s。③电流滤波时间常数。应有，。④电流环最小时间常数之和，表3-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.671.33三相桥式1.331.67（2）从设计的要求出发，下面为选择的电流调节器结构在这里因为考虑到设计的要求≤5%，所以从前面的理论分析可以知道，选用PI型电流调节器比较合适，其传递函数为（1.15）（3）计算电流调节器参数==0.5s（1.16）（1.17）电流环开环增益计算公式：因为根据设计要求σi≤5%,在从表3-1查询可以知道，应取=0.5,（1.18）（1.19）（4）校验近似条件（1.20）满足满足满足（5）计算调节器和电容121KΩ12.5μF0.2μF设计原理图如图1.6图1.6电流调节器原理图该电流环的动态跟随性能指标：=4.1%<5%(见表3-2)满足要求表3-2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系1.4.2转速调节器设计（1）确定时间常数=（1.21）（2）选择转速调节结构在这里因为考虑到设计的要求，所以从前面的理论分析可以知道，选用PI型电流调节器比较合适。（1.22）（3）计算转速调节器参数Σi=5×0.0174s=0.087s（1.23）（1.24）Ce=（1.25）（1.26）（1.27）（4）检验近似条件