直流电动机和异步电动机的调速原理及特性分析

[直流电动机和异步电动机

的调速原理及特性分析]

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院系：11级机械系三班

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一．直流电动机的调速原理及特性分析

直流电动机具有良好的起动制动性能，宜于在较大范围内平滑调速"长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位"与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠.

流伺服电动机是满足伺服系统要求的直流电动机，分为有刷DC伺服和无刷DC伺服。在传统有刷DC伺服中，整流子和电刷一起起着回转开关的作用，随着功率半导体器件技术的发展，霍尔元件和大功率晶体管代替了整流子和碳刷的作用，就产生了无刷DC伺服。与普通电动机相比，DC伺服具有工作精度高，调速性能好，带负载能力强，响应速度快，稳定可靠等特点。虽然其工作原理与普通直流电动机基本相同，但为了减小体积和提高散热，DC伺服电动机通常采用永久磁铁励磁。

直流伺服电动机主要有如下基本特点：

U保持不变时，电动机的转速n随电磁转矩M变1、机械特性：在输入的电枢电压α

化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示；

U——电枢电压

式中：α

R——电枢电阻

α

φ——磁通

M—电动机输出的电磁转矩

机械特性曲线如图1-1所示。

M称为堵转转矩。斜率K表示电磁转矩变化引起图中，0n为理想空载转速，d

转速变化的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。

图1-1直流伺服电机机械特性曲线 在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K 与电枢电阻αR 成正比，电枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。

2、调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M （或负载转矩）下，电机的稳定转速n 随电枢的控制电压

α

U 变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性

的关系可用下式表示：

)()(102ααα

αααφ

φφφU U K C MR U C M C C R C U n m e m e e -=-=-=

（1.2）

式中：αU ——电枢电压

αR ——电枢电阻

e C ——电势系数，

α

60NP

C e =

（

电枢绕组支路数磁极对数

电枢绕组系数⨯⨯=

60e C ）

φ——磁通 m C ——力矩系数，

πα

2NP C e =

M —电动机输出的电磁转矩 调节特性曲线如图1-2所示。

图中，0αU 为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压。

0αU 与电磁转矩(负载转矩)成正比。M 越大，0αU 越大。电动机启动时，在0～0

αU 范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K 表示转速n 随电枢的控制电压

α

U 变化而变化的快慢程度。其值与负载无关，仅决定于电动机本身的结构

与参数。

图1-2直流伺服电机调节特性曲线 3、动态特性

用电枢电压控制方式控制电动机时，控制电压突然变化而引起转速变化，但由于电磁惯性和机械惯性，使电动机转速只能渐渐变化，从原来的稳定状态到新的稳定状态存在一个过渡过程即电动机的动态特性。电动机的动态特性与系统惯性大小、电枢回路电阻、机械特性的硬度有关。 4、直流伺服电动机控制

从直流伺服电动机的原理，可知直流伺服电动机电磁转矩和速度控制方法有两种，—种是改变电枢电压即改变电枢电流的方法。另一种是改变励磁电流即改变磁通的方法。在大多数情况下，直流伺服电动机的速度控制采用调节电枢电压的方法，即保持励磁电流不变，则电磁转矩为：

ααφKI I C M m ==

παφφ2NP C K m =

=

M 是电枢电流的一元函数，不仅控制方便，而且响应速度快，输出转矩大，线性较好。

目前较好的调速方法是脉宽调制(PWM)，通过改变周期性脉冲信号的占空比来改变加在电动机上的平均电压，从而达到调速目的。

PWM 调速的原理如图1-3所示：设将开关周期性的闭合、断开，开和关的周期是T 。在一个周期内，闭合的时间是τ，断开的周期是T-τ。如果外加的电源电压U 为常数，则电源加到电动机电枢上的波形为方波列。其高度为U ，宽度为τ，如图示，其平均值是

⎰

==

=T

U

U Udt T

U 0

T

1ατ

α

T τ

α=

称为导通率，当T 不变时，只要连续改变τ（0～T ）就可以使电枢电压的平

均值αU 连续地从0变到U ，从而连续地改变电动机的转速。实际的PWM 调速电路用功率晶体管代替开关。可逆式PWM 用四个功率晶体管组成电桥，实现双向调速。开关频率达30KHz 。图中的二极管式续流二极管，当开关断开时由于电枢电感的作用，电动机的电枢电流可以继续形成回路。

(a)电气原理

（b）波形

图1-3 PWM调速原理

二．异步电动机频率调速原理及特性分析

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场

当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流电动机相媲美。

1．变频器与逆变器、斩波器

变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异