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自动化专业外文翻译--直流电机速度控制.doc
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中文译文
直流电机速度控制
Bruce Trump
1 调节系统
调节系统是一类通常能提供稳定输出功率的系统。
例如,电机速度调节器要能在负载转矩变化时仍能保持电机速度为恒定值。即使
负载转矩为零,电机也必须提供足够的转矩来克服轴承的粘滞摩擦影响。其它类型的
调节器也提供输出功率,温度调节器必须保持炉内的温度恒定,也就是说,即使炉内
的热量散失也必须保持炉温不变。一个电压调节器必须也保持负载电流值变化时输出
电压恒定。对于任何一个提供一个输出,例如速度、温度、电压等的系统,在稳态下
必定存在一个误差信号。
2 电气制动
在许多速度控制系统中,例如轧钢机,矿坑卷扬机等这些负载要求频繁地停顿和
反向运动的系统。随着减速要求,速度减小的比率取决于存储的能量和所使用的制动
系统。一个小型速度控制系统(例如所知的伺服积分器)可以采取机械制动,但这对
大型速度控制器并不可行,因为散热很难并且很昂贵。
可行的各种电气制动方法有:
(1)回馈制动。
(2)涡流制动。
(3)能耗制动。
(4)反向(接)制动。
回馈制动虽然并不一定是最经济的方式,但却是做好的方式。负载中存储的能量
通过工作电机(暂时以发电机模式运行)被转化成电能并被返回到电源系统中。这样
电源就充当了一个收容不想要的能量的角色。假如电源系统具有足够的容量,在短时
回馈过程中最终引起的端电压升高会很少。在直流电机速度控制沃特-勒奥那多法中,
回馈制动是固有的,但可控硅传动装置必须被排布的可以反馈。如果轴转速快于旋转
磁场的速度,感应电机传动装置可以反馈。有晶闸管换流器而来的廉价变频电源的出
现在变速装置感应电机应用中引起了巨大的变化。
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涡流制动可用于任何机器,只要在轴上安装一个铜条或铝盘并在磁场中旋转它即
可。在大型系统中,散热问题很重要的,因为如果长时间制动,轴、轴承和电机的温
度就会升高。
在能耗制动中,存储的能量消耗在回路电阻器上。用在小型直流电机上时,电枢
供电被断开,接入一个电阻器(通常是一个继电器、接触器或晶闸管)。保持磁场电
压,施加制动降到最低速。感应电机要求稍微复杂一点的排布,定子绕组被从交流电
源上断开,接到直流电源上。产生的电能继而消耗在转子回路中。能耗制动应用在许
多大型交流升降系统中,制动的职责是反向和延长。
任何电机都可以通过突然反接电源以提供反向的旋转方向(反接制动)来停机。
在可控情况下,这种制动方法对所有传统装置都是适用的。它主要的缺点就是当制动
等于负载存储的能量时,电能被机器消耗了。这在大型装置中就大大增加了运行成本。
3 等脉宽 PWM 法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用 PAM(Pulse
Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波
电压而不能调压。等脉宽 PWM 法正是为了克服 PAM 法的这个缺点发展而来的,是
PWM 法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波,
通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制
方法即可使电压与频率协调变化。相对于 PAM 法,该方法的优点是简化了电路结构,
提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分
量。
4 随机 PWM
在上世纪 70 年代开始至上世纪 80 年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极
性达林顿三极管,载波频率一般不超过 5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振
动引起了人们的关注。为求得改善,随机 PWM 方法应运而生。其原理是随机改变开
关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是
均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大
削弱。正因为如此,即使在 IGBT 已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较
低频率的场合,随机 PWM 仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁
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噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机 PWM 技术正是提供了一个分析、解
决这种问题的全新思路。
5 空间电压矢量控制 PWM
空间电压矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。它以三相波形整
体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用逆变器不同
的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开
关,形成 PWM 波形。此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,以
内切多边形逼近圆的方式进行控制,使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。
具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零
矢量合成一个等效的电压矢量,若采样时间足够小,可合成任意电压矢量。此法输出
电压比正弦波调制时提高 15%,谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁
通反馈,控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决
定产生下一个电压矢量,形成 PWM 波形。这种方法克服了磁通开环法的不足,解决
了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音。但由于未引入转
矩的调节,系统性能没有得到根本性的改善。
6 矢量控制 PWM
矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电
流 Ia,Ib 及 Ic,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1 及
Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1 及
相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直
流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流
电动机,分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定
子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。但是,由于
转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,使得实际控制效果往往难以达到理
论分析的效果,这是矢量控制技术在实践上的不足。此外.它必须直接或间接地得到
转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配
置转子位置或速度传感器,这显然给许多应用场合带来不便。
无刷直流电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机,它利用电子换相代替机械
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