没有变频器的时候,基本上是DC电机调速系统的天下。阿波罗登月时,必须使用精确的速度控制系统,甚至需要位置控制。当时,DC伺服也被用来完成它。
在20世纪60年代之前,当晶闸管还没有诞生时,DC电动机由发电机驱动进行调速。通过调节发电机的励磁电流,可以控制发电机的输出电压,从而控制DC电机的速度。
这个调速系统在早期的教材《电机拖动》中可以看到,但这只是一个比较蠢的点。但调速范围广,扭矩大,稳定可靠。此外,DC速度控制的理论已经非常成熟,早期的电动汽车都采用这种速度控制系统。
直流电机调速系统
这里说的DC电机,当然是有刷DC电机。因为电机的磁场和电枢线圈是分开独立控制的,相互之间90正交,所以不存在耦合问题。当励磁电流保持恒定时,定子励磁绕组的磁链也是恒定的。
电机扭矩=励磁绕组磁链*电枢电流
因此,只要调节电枢电流,就可以直接实现电机的精确转矩控制,很容易满足恒转矩的控制要求,这也是DC电机调速系统低速转矩非常好的根本原因。
对于DC电机的调速,转速n=(电枢电压U-电枢电流I*电枢内阻R)/常数K,
因为DC电机的内阻R很小,所以转速n电枢电压U/常数
电枢电压u几乎与转速n成正比,这也是DC电机调速能通过发电机调压满足控制要求的重要原因。
后来又发明了晶闸管等器件。通过全控桥或半控桥直接将交流电变为可控的DC,电压可以任意快速调节,用来控制DC电机的电枢电压,从而改变电机的转速。
控制理论发展后,采用串级系统调节DC电机的速度,即速度环在外,速度偏差给定为电流环,电流环为内环。两个回路均采用PID调节器控制,响应快、精度高、转矩大、调速范围宽。
除了恒定转矩速度调节之外,通过减小励磁电流以降低励磁通量,DC电机可以在恒定功率区域运行。这样,转矩随着转速的升高而降低,功率不变,但可以拓宽调速范围。
实际上,今天的变频调速矢量控制方式是模仿DC电机的调速方式,效果还不如DC调速系统。
只是因为有刷DC电机的碳刷磨损严重,维修麻烦,电机制造成本昂贵,有刷DC电机的调速系统才逐渐退出市场。尽管如此,许多小功率电机仍然使用DC调速系统。毕竟价格优越,性能更好。
丨变极调速
异步电机除了变频调速,其实还有一种调试方法,就是改变极数来实现变速。例如,当四极电机的转速为1500转时,八极电机的转速仅为750转。
这种调速方式局限性很大,一般称为双速电机,往往只有两个速度段,但转矩比较大,比较稳定。在一些只需要两个速度段的场合,采用这种调速方式是非常理想的。
比如在一些搅拌系统上,有这样的调速系统,低速运行一段时间后,切换到高速模式。这种控制系统非常简单,有点类似于星三角切换,所以成本低。直到今天,即使变频很普及,这种调速方式仍然在很多场合使用。
异步电机转速n=60f/p,除了改变频率可以改变转速n,调整极对p也可以改变转速。
丨滑差调速
这种调速,顾名思义就是“溜”来调节速度。实际电机转速在启动后没有变化,但它通过电机和负载之间的“滑动头”滑动,因此t
这个滑动头也可以理解为电磁离合器。这种离合器可以采取多种形式,但都是利用电磁效应形成阻力。这里就简单说明一下磁粉离合器的原理。
比如这个离合器,线圈里装了很多磁粉。当线圈通电时,由于线圈的磁场,磁粉会粘在一起。电流越大,磁场越强,磁粉结合到一定程度就越紧密,可以变成刚性的东西。输出轴和输出轴可以直接连接,保持同速输出,使负载和电机转速一样快。
当完全没有电流时,磁场消失,磁粉就会变成一盘散沙。输出轴和输入轴之间没有磁粉连接。虽然电机仍在运行,但负载速度可能会变为零。
如果磁场电流在一定值,磁粉有一定的附着力,但刚性不够,就会往里滑,在输入输出轴之间形成一定的速差。通过控制磁场电流的值,可以控制速度差,从而改变负载的速度。
因为是打滑,肯定会摩擦发热,这样会浪费一部分电能,调速效率低。当然也有它的好处。它可用于速度闭环控制。低速时,转矩比变频器更理想。