子领域一 直流电动机的启动调速技术

§1.5 直流电动机的调速中的常用电力电子元件

§1.6 直流电动机的调速概念

§1.7 直流电动动机的调速

§1.8 直流电动机调速的常用控制电路

学习情境 1.2 直流电动机的调速技术

§1.5 直流电动机的调速中常用的电力电子元件

一、 功率二极管二、 晶闸管

一、功率二极管

典型的正向导通压降是 1.0V 。 该压降会引起导通损耗 , 故必须用适当的散热片对器件进行冷却以限制结温。如果反向电压超过一个阀值 , 器件就会发生雪崩式的击穿 , 这时反向电流变大 , 二极管由于结内的大量功率损耗而过热毁坏 , 这个阙值称为击穿电压。

图 1.14 a) 功率二极管符号 b) 伏安特性 c) 理想特性

1 、伏安特性

开关特性• 反映通态和断态之间的转换过程

（ 1 ）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

（ 2）在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

2 、 动 态 特性

因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。

开通过程

（ 1 ）电力二极管的正向压降先出现一个过冲 UFP ，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V ）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间 tfr 。

（ 2 ）电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。

（ 3 ）正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大， UFP 越高 。

3 、功率二极管的参数

（ 1 ） 正向平均电流 IF(AV)

额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用 TC 表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使

用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略

当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小

（ 2 ） 正向压降 UF

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降

有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降

（ 3 ） 反向重复峰值电压 URRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压 UB 的 2/3

使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定

（ 4 ） 最高工作结温 TJM

结温是指管芯 PN 结的平均温度，用 TJ 表示。最高工作结温是指在 PN 结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM 通常在 125~175C 范围之内。

（ 5 ） 反向恢复时间 trr

trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。

（ 6 ） 浪涌电流 IFSM

指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

二、晶闸管晶闸管的常见封装外形有螺栓型和平板型两种封装：引出阳极 A 、阴极 K和门极（控制端） G三个联接端；对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

AA

G

G K K

b) c)a)

A

G

K

KG

A

P 1

N 1

P 2

N 2

J 1

J 2

J 3

图 1.15 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

Ic1=1 IA + ICBO1

Ic2=2 IK + ICBO2

IK=IA+IG

IA=Ic1+Ic2

)(1 21

CBO2CBO1G2

A

IIII

外加反向电压（ UA < UK ）时 J1 、 J3 反偏，晶闸管反向阻断，只有很小的反向漏电流。

外加正向电压（ UA > UK ）

1 、晶闸管的工作原理

图 1.16

晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。

外加正向电压（ UA > UK）门极未加电压，IG=0， 1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管正向阻断状态。

)(1 21

CBO2CBO1G2

A

IIII

开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。

图 1.17

2 、晶闸管的基本特性

正向导通

雪崩击穿

O +U A- U A

- IA

IA

IH

IG2 IG1 IG =0

U bo

U DSM

U DRM

U RRMU RSM

第 I 象限的是正向特性第 III 象限的是反向特性

（ 1 ） 晶闸管的伏安特性

图 1.18

（ 2 ） 门极伏安特性：

门极电流 IG 与门极和阴

极之间电压 UGK的关系。

晶闸管的门极和阴极之 间是 PN 结 J3 ，其伏安特

性称为门极伏安特性。 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施 加触发电压而产生的

图 1.19

调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产 机械在工作过程中都需要调速。

电力拖动系统的调速可以采用： 机械调速：改变传动机构速比。 电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电 动机的机械特性。

注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节， 而称为速度变化。

§1.6 直流电动机的调速概念

§1.7 直流电动机的调速

一、 调速的指标二、 调速的方法三、 调速的方式与负载类型的配合

一、评价调速的指标

调速指标：为了评价各种调速方法的优缺点，对调速 方法提出的一定的技术经济指标。

1、调速范围

2、静差率

min

max

n

nD

%100%100%0

0

0

n

nn

n

n NN

)1()1()1(

maxmax

'0

'0

max'0

max

min

max

NNNN n

nnn

n

nn

n

nn

n

n

nD

4 、调速的经济指标 ,经济指标包含三个方面：a 、调速设备初投资的大小，b、运行过程中能量损耗的多少，c 、维护费用的高低，三者总和较小者经济指标均较好。

1

i

i

n

n

可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机允 许的调速范围 D越大。

3、平滑性

二、调速方法（一）电枢回路串电阻调速

0

aR

n

0n

Nn

LT emT

A

1Sa RR 1nA

B

特点：只能将转速往下调，且静差率明显增大，所以调速范围 D较小，平滑性差，损 耗大，设备简单，投资少，属恒转矩调速。

适用于：容量不大，低速运行时间不长，对调速性能要求不高的场合。

图 1.20

（二）降低电源电压调速

zT

T

0nn

NU

TL

NnA

1U

01n A’

B1n

特点：特性平行下移， δ 变化不明显，调速范围 D 较大，平滑性好，损耗小，需可调 直流电源，初投资大。

适用于：对调速性能要求较高的中大容量拖动系统，例如重型机床 ( 龙门刨 )、精密机床和轧钢机等。

图 1.21

（三）弱磁调速

。

01n

1Φ

1nB A

NΦ

n

0n

ANn

emT

LT

特点：只能向上调，受换向和机械强度限制，调速范围不大，但静差率小，平滑性 好，设备简单，损耗小，属恒功率调速。

常与调压调速联合使用 ,以扩大调速范围。

图 1.22

三、调速方式与负载类型的配合

正确的使用电机：

既满足负载的要求又要使其得到充分的利用。（电枢电流达到额定值）

当电动机调速时，能否得到充分利用，与调速方式和负载类型的配合有关。

调速方式：恒转矩调速 :负载转矩不随转速变化而保持恒定。 包括：电枢串电阻调速、降压调速 恒功率调速：调速过程中负载功率不变。 包括：弱磁调速

调速方式与负载类型的配合：

恒转距性质的调速方法应用于恒转距负载； 恒功率的负载应采用恒功率的调速方法； 风机类负载三种调速方法都不适合，但采用电枢串电 阻调速、降压调速比弱磁调速适合一些。

亦即调速方法的性质必须与负载性质相匹配。如果不匹配，就会造成投资或运费用的浪费。

§1.8 直流电动机调速的常用控制电路

一、 改变电枢回路电阻调速

图 1.23 （ a）改变电枢电阻调速电路 (b) 改变电枢电阻调速时的机械特性

二、 改变电枢电压调速

图 1.24（ a）发电机 -电动机调速电路 (b)发电机 -电动机组调速时的机械特性

三、 采用晶闸管变流器供电的调速方法

　　图 1.25 (a) 晶闸管供电的调速电路 (b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性