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1、 第六章 无换向器电动机技术6.1 概述1. 无换向器电动机的定义及分类是一种用半导体开关器件控制的变频调速同 步电动机；也可认为是一种用半导体电子开 关线路代替换向器和电刷作用的直流电动机 。 根据所采用的控制元件分：晶体管电动机， 晶闸管电动机 。根据所采用的控制方式不同可以分为直流无 换向器电动机和交流无换向器电动机。 2、无换向器电动机的特点和适用范围无换向器电动机的特性和普遍直流电动机十 分相近，可在四个象限运行，效率和技术经 济指标也相近。但它没有电刷和换向器，因 而比直流电动机结构简单，维护方便，容易 做到低转速大容量、高转速大容量，调速方 便，不失步，因而适用范围广泛。在易燃、
2、 易爆、高气压等环境比较恶劣的场合，如水 泥厂、化工厂、矿山、油田及潜艇上都能适 应；也适于安装在人不可及的装备上，如原 子能设备、高空飞行器及偏僻海岛等地方。6.2 无换向器电动机的基本原理图6-1 无换向器电动机与直流电动机对比电路 a） 直流电动机；b）无换向器电动机图6-2 从直流电动机到无换向器电动机的转化 a）电枢旋转；b）磁极旋转；c）无换向器电动机晶闸管的导通时间是120电角度，关断时 间是60电角度，而每转过60电角度就有 一只晶闸管换相。为此要求随转子的旋转 ，周期性触发或关断相应的晶闸管，使得 电枢磁场和励磁磁场保持同步。此任务由 位置检测器来完成。 图6-3 无换向器电
3、动机原理图6.2.2 电磁转矩半波接法时，各相绕组中电流只沿着一个方向轮流通 电三分之一周期，电动机绕组的利用率较差；而在桥 式接法时，由于绕组中正反两个方向均通电120电角 度，电动机的利用率较高，产生的转矩也较大。图6-4 无换向器电动机接法 a）桥式接法；b）半波接法（1）桥式接法转矩较大，脉动较小；（2）桥式 接法时0角增大到60时转矩曲线才过零点，而三 相半波接法0=30时转矩曲线已过零点。 图6-5 三相电流产生的转矩 a）半波接法时；b）桥式接法时从电动机转矩的角度来看，以采用三相桥 式接法，0=0比较有利，这时转矩平均值 最大，脉动最小。但在利用电动机反电势 自然换相的无换向器
4、电动机中，0=0时电 动机是不可能运行的。通常0必须有一定 的超前角度。目前最常选用的是0=60， 或者0按负载自动调节。此时，电动机的 转矩脉动一般是比较大的。6.2.3 无换向器电动机的换相各种无换向器电动机的换相方式及其特点示 于表6-3中。采用各种全控型器件可以制成各种容量的无 换向器电动机，由于器件本身具有自关断能 力，利用器件换相可使逆变器结构简单且控 制灵活。采用晶闸管制成的无换向器电动机，由于普 通晶闸管不具备自关断能力，必须借助外部 条件或设置专门的换相电路才能完成换相。 （1）反电势换相 即利用电动机本身产生的反电势进行自然 换相。 图6-6 反电势换相原理图 图6-7 反
5、电势换相晶闸管上电压电流波形电动机在起动或低速运行时反电势很小，甚至没有反电势，不可能利用反电势进行 自然换相。此时需利用下述方法进行换相 ：断续换相法或者电网换相法。图6-8 、随负载电流变化关系 （2）断续换相 当晶闸管需要换相时，先设法使逆变器的 输入电流下降到零，使逆变器的所有晶闸 管均暂时关断；然后再给换相后应该导通 的晶闸管加上触发脉冲，则在断流后重新 通电时，电流将根据所加的触发信号流经 该导通的晶闸管，从而实现从一相换到另 一相。图6-9 直交系统无换向器电动机 图6-10 交-直-交系统无换向器电动机 当电动机采用电流断续换相法时，电动机侧逆变器 的触发相位 对换相不起作用。
6、为了增大起动转矩 ，减小转矩脉动，一般取 。当电动机进入高 速阶段；采用反电势换相时，则 改为 或随 负载变化进行控制。（3）电网换相 图6-11 电网换相原理图（4）强迫换相 即采用专门的换相电路实现换相，已有多 种方案，但由于电路复杂，元件数量多， 经济性差而在无换向器电动机实际运行中 少有采用。6.3 无换向器电动机调速系统的结构无换向器电动机是典型的机电一体化的新 型调速系统，见图6-12。除门极触发电路 外，还有变频器、同步电动机和位置检测 器三大部分。1. 变频器: 用于无换向器电动机的变频器 有交-直-交变频器和交-交变频器两种。 2. 同步电动机在无换向器电动机中使用的同步电动
7、机， 目前应用较普遍的有以下三种：1）爪极 式同步电动机；2）旋转磁极式同步电动 机；3）旋转电枢式同步电动机。3. 位置检测器位置检测器是用来检测电动机转子位置，并向 逆变器发出控制信号的装置。它由直接式和间 接式两类。(1)直接式位置检测器，由于其检测精度和可靠 性高而被广泛采用。典型的直接式位置检测器 有下列几种： 接近开关式: 利用磁性旋转圆盘的远近来改变固 定部分的电感，而利用振荡条件的变化建立通 断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适 用大中型电动机。光电方式: 它是由发光二极管和光敏晶体管等光 电元件组成的电路，利用有槽口的旋转圆盘的位 置进行通断变化。这种方法检测分辨率高，适
8、用 于高速运转的电动机。电磁感应式（差动变压器式）: 它由随电动转子 转动的带缺口的导磁圆盘和固定不动的三只差动 变压器组成。转盘体现转子位置信号，差动变压 器作为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的 控制电路输出控制信号。这种方法结构简单、检 测可靠，国内常用。霍尔元件式（磁敏式）: 它的转子是永磁 结构，其极数与同步电动机的一样，而定 子用霍尔元件等磁敏元件来感受转子磁极 位置，发出相应信号。这种方法信号较弱 ，但体积较小，多用于中小型电动机。(2)间接式位置检测器间接式位置检测器是利用电枢绕组的感应 电势间接检测转子位置。 6.4 无换向器电动机的运行性能6.4.1 无换向器电动机的运行
9、特性图6-14 无换向器电动机主电路（1）调速特性 这表明无换向器电动机的调速特性和直流电动机基本相同 ，可以：1）改变 角即改变直流电势 调速；2）改变 每极磁通调速；此外3）改变 角也可以改变电动机 的转速。 （2）转矩特性 它与直流电动机的转矩特性T=CmI也很相似，但对 于无换向器电动机平均转矩的大小影响较大。（3）机械特性 当励磁磁通和换相超前角0 保持不变， 调节即改变Ed时，无换向器电动机的机 械特性为一组相互平行的曲线，见图6-15 。由图可见，它和他励直流电动机的机械 特性曲线十分相似，机械特性较硬，有较 宽的调速范围。图6-15 调节Ed时的机械特性 6.4.2 无换向器电
10、动机的四象限运行图6-16 无换向器电动机四象限运行状态图6.5 提高过载能力及抑制转矩脉动的措施1. 提高过载能力 （1）限制过载能力的因素： 无换向器电动 机的过载能力主要受换相极限的限制。（2）提高过载能力的措施 以上述分析可 见，提高过载能力可以从增加0、减小、 减小等方面入手。 2. 抑制转矩脉动 （1）转矩脉动的原因 由于在无换向器电动机中的电枢电流是方 波，它所产生的电枢磁势是跳跃前进的。 而转子励磁磁势是等速旋转的，二者有周 期性的相对运动。它们相互作用所产生的 转矩中除平均转矩外，还有相当大的脉动 转矩。（2）抑制转矩脉动的措施1）换相超前角控制 在确保换相安全的条 件下尽量减小换相超前角0，可明显减小 转矩的脉动。2）多相化 电动机采用六相30相带绕组， 用两套三相桥式逆变器形成12脉波逆变电 路供电。这样可使合成转矩中的脉动分量 减少到三相电机的1/2。但此种方法所用晶 闸管数量要增加，故只适用于大容量的场 合。3）多重化 普通的三相电机由12脉波逆变 器多重供电，可使流入电机绕组的电流接 近正弦波，于是脉动转矩降低。但此法在 输出频率较高时控制较困难。故常常只在 低频范围内采用这种多重化工作方式，而 在进入高频运行时变成两套普通的三相逆 变器并联运行。
