电气自动化专业英语14、15章翻译

14章直流电机速度控制

14.1 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。

14.2 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。

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。

14.3直流电机速度控制

所有直流电机速度控制的基本关系都可以由下式得出：

E ∝Φω

U=E+IaRa

各项就是它们通常所指的含义。如果IaRa 很小，等式近似为U ∝Φω或ω∝U/Φ。这样，控制电枢电压和磁通就可以影响电机的转速。要将转速降为零，或者U=0或者Φ=∞。后者是不可能的，因此只可通过电枢电压的变化来减低转速。要将转速增加到较高值，可以增大或者减小Φ。后者是最可行的方法，就是我们通常所知的弱磁场。在要求速度调解范围宽的场合可综合使用这两种方法。

14.4使用晶闸管的单向速度控制系统

一个单相晶闸管逆变器系统如图14.1所示。读者应该先忽略整流器BR2和它的相关电路（包括交流回路中的电阻器R ），因为这部分只有在具有保护功能时才需要，将在下一节介绍。

图14.1 单向晶闸管逆变器系统

因为该电路是一个单向转换器，只能在一个旋转方向控制电机轴（系统的输出）的速度。而且，回馈制动不能用于电机；在这种系统类型中，电机电枢可以通过电气制动静止（例如，当晶闸管门极脉冲反向时，电阻可通过一个继电器或其他装置连接到电枢上）。

整流器BR1给并联励磁绕组提供一个稳定电压，产生稳定的磁通。电枢电流由一个晶闸管控制，该晶闸管又由加在它们极上的脉冲控制。脉冲正向时（减小起动延时角）电枢转速增加，门极脉冲反相时电枢转速减小。

速度参考信号可从人工操作的电位器（如图1右侧所示）上获得，反馈信号或输出转速信号可从连接在电枢上的电阻器链21R R 上获得。（严格的讲，图1系统中反馈信号只有当电枢电组的压降a a R I 很小时，才与轴转速成正比的电枢电压成正比。用于补偿IaRa 压降的方法将在阅读材料中讨论。）因为电枢电压是从一个晶闸管上获得的，该电压包括一系列由电容器C 滤波的脉冲。速度参考信号与电

枢电压信号极性相反，以确保施加的都是负反馈。

直流电机装置的一个特征就是需要供电的负载时电阻、电导的混合，并且在图14.1中反电动势二极管D确保当晶闸管阳极电势低于前面叙述的电枢连接方式的上限时，晶闸管电流应换向为零。在所示拖动系统中，当晶闸管处于断开状态时，其阳极电势等于电机反电动势。只有在瞬时电源电压大于反向电势的间隔时它才会导通。图14.2所示的检测表明电机运行时晶闸管上峰值反向电压大于峰值正向电压。如图所示，在晶闸管上串联一个二级管，电路的反向关断能力就会增强，所以允许使用低压晶闸管。

图14.2晶闸管对电机反电动势的影响

图14.3电枢电压波形

图14.2所示的波形是理想的波形，因为忽略了电枢电感、换向器纹波等因素的影响。典型的电枢电压波形如图14.3所示。在该波形中，晶闸管在A点触发，一直到B点电源电压低于电枢反电动势时导通。电枢电感的作用使晶闸管保持到C点飞轮二极管使电枢电压反向之前导通。当电感能量消失（D点），电枢电流为零，电压恢复到它的正常水平，这个暂态过程最后稳定在E点。点E、F之前的纹波是由换向器引起的纹波。

BR2的原因和它的关联电路在14.5节具体介绍。

15 交流电机的频率控制

15.1调频的概念

让我们先来复习一下线换流和强迫换流的概念，因为它们用于获得应用在交流鼠笼型感应电动机的可调频率。图15.1明了控制器需要做的工作：从固定线电压和固定线频率中产生一个可调电压和可调频率。让我们首先确定把什么放入框图中。这个使用6 个晶闸管的电路并不能工作。它可以给电机产生一个可调电压，但是线频率会直接通过。因此，我们需要一种方法像产生一个可调电压一样产生一个可调频率。最简单的方法就是通过“直流环”。该直流环又由好几个元件控制来产生可调频率。在有些情况下，直流环也由可调电压控制。为了构成直流环，进线的交流电压必须先通过某种方式整流之后再逆变给交流电机供电。

图15.1可调频率控制器在交流电机中的应用

图15.2广义可调频率控制器直流环节

图 15.2所示为一个具有直流环的常用的频率控制器。输入端使用6个半导体元件，提供直流电，输出端使用 6 个半导体元件提供可调频率。在每个框中应选用那种类型的半导体呢？因为交流进线总是连接到第一个框中，故输入装置可以是线换向，因此可以使用二极管、晶闸管、门电路可关断晶闸管、三极管或双向晶闸管。门电路可关断晶闸管很昂贵，三极管和双向晶闸管的电流和电压容量又有限。因此，输入功率元件应是二极管或晶闸管或它们的组合。

另外，图15.2 中的输出框装置必须使用强迫换向，因为自然换向或线换向装置不能关断功率半导体。这就意味着必须使用晶闸管、三极管或门电路可关断晶闸管。也可使用双向晶闸管，但容量受到限制。

让我们从输入框中的二极管入手。使用二极管，就不能产生可调直流环电压。因此，可调频率和可调电压必须在输出级产生。实际当中也就是这样做的。最后得到的系统称作脉宽调节器(PWM)。

如果输入框采用晶闸管而不是二极管，就可以通过控制晶闸管来提供可变的直流环节电压了。输出级就只需输出从直流环中产生可调频率并且把可调电压连同可调频率一起传送给交流电机。输出级因此比脉宽调节系统的简单些，但输入级必定更复杂。然而，这种方法的两种排布也普遍应用于频率控制器。一种是所

谓的电压型逆变器(AVI)，另一种就是所谓的电流型逆变器(CSI)。

15.2术语

让我们先来复习一些用来描述固态频率控制器的术语。它们像常用术语一样有严格的专业定义。这些专业定义由诸如国际电气公司、全国电气制造商协会和电气与电子工程师协会这样一些组织来规定：

(1) 转换器：一种包括一个或多个阀门装置(例如功率半导体)的用于电能转换的工作元件。

(2) 自整流转换器：一种换向电压由转换器内部元件提供的转换器。

(3) 整流器：一种将交流转换成直流的转换器。

(4) 逆变器：一种将直流转换成交流的转换器。

(5) 间接交流转换器：一种包括一个整流器和一个逆变器直流环的转换器。

如果我们看图15.2，将上面所有的定义应用在固态频率控制器的一种或另一种形式中，那么定义5 就包含了完整的系统。然而，在美国通常称图15.2 所示的结构为“逆变器”：脉宽调节逆变器、可调电压型逆变器或电流型逆变器(也称作可调电流型逆变器(ACI))。

在本章后面我们使用“可调频率控制器”和可交(互)换的“逆变器”这两个术语。当然，在任何没有正确使用专业术语时我们可以不加区分。

15.3 脉宽调节器、电压型逆变器和电流型逆变器

如图 15..2 所示，这3种最常用的调频控制器都包括3个基本部分。输入部分将输入的交流电转化成直流，中间部分或直流环部分将直流电压滤波，输出部分将直流电压转换成所需频率的交流电。

这三种类型控制器的不同之处在于(a)获取可调电压的方法和(b)用于产生可调频率的技术。

15.3.1(PWM) 脉宽调节器

脉宽调节器在输入级使用二极管来提供一个具有恒定电压的直流母线。输出或逆变级产生一系列恒定脉冲，它的脉宽和脉冲数量随着需要的输出频率和电压而变。输出级提供并控制可调频率和可调电压这两个参数。

15.3.2(AVI)电压型逆变器

可调电压型逆变器在输入级使用晶闸管，在直流环中获取可调电压。输出级用晶闸管、三极管或门电路可关断晶闸管控制直流电压来获取宽度和时序与所需频率成正比的方波电压。第一级获得电压控制，第二级获得频率控制。

15.3.3(CSI)电流型逆变器

电流型逆变器与电压型逆变器相似，区别只在于通过它的控制可提供一系列电流输出方波。

15.3.4. 比较脉宽调节器、电压型逆变器和电流型逆变器

图 15.3 所示为这 3 种类型的调频控制器电路以及最终的理论输出电压和电流波形。这 3 种基本系统有许多不同之处，例如用脉宽调节器调节正弦波、交流变换技术和提供一种负载换向的输出电路。这些超出了本书的讨论范围，可在参考书中查阅。

图15.3