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电磁调速电机


可控硅/晶闸管的应用:滑差电机

电磁调速异步电动机又称滑差电机,它是一种恒转矩交流无级变速电动机。由于它具有调速范围广、速度调 节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈的自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点,因此在印刷机 及骑马订书机、无线装订高频烘干联动机中都得到广泛应用。如 801 型对开立式停回转凸版印刷机、JS2101 型 对开双面胶印机

,J2105 型对开单色胶印机、J2108 型对开单色胶印机、PZ4880-01A 型对开四色胶印机等印 刷机械采用这种电动机就更能符合印刷工艺要求。烘版机采用这种电动机调速后,能有效地控制胶膜厚度,操作十 分方便。骑马订书机采用这种电动机调速,能够根据书刊的要求相应地调节转速而提高书刊装订质量。 带有速度负反馈的电磁调速异步电动机的主要缺点是:在空载或轻载(小于 10%额定转矩)时,由于反馈不 足,会造成失控现象;在调速时,随着转速降低,离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降。所以此电机适用 于长期高速运转和短时间低速运转。为适应印刷机低速运转的需要,在采用电磁调速异步电动机作主驱动的印刷机 中往往再配装一台三相异步电动机作为低速电机使用。 现将该电动机工作情况作简要介绍 一、电磁调速异步电动机结构与工作原理 电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、 电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。 异步电机 作为原动机使用,当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转,电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装 置。这里主要介绍电磁滑差离合器,图 2-19 是其结构示意图。它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸 钢制成的圆筒形结构,它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接,俗称主动部分;磁极做成爪形结构,装在负载轴上, 俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场,爪形结构便形成很多 对磁极。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转,那么它便切割磁场相互作用,产生转矩,于是从动部分的磁极 便跟着主动部分电枢一起旋转,前者的转速低于后者,因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时,电枢才能切割磁 力线。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别,所不同的 是:异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生,而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流 产生,并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。

图 2-19 电磁滑差离合器基本结构示意图

1-原动机 2-工作气隙 3-主轴 4-输出轴 5-磁极 6-电枢 电磁滑差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示: n=n0-KT2/I4f

式中:n0-离合器主动部分(鼠笼电动机)的转速; n-离合器从动部分(磁极)的转速; If-励磁电流; K-与离合器结构有关的系数; T-离合器的电磁转矩。 当稳定运行时,负载转矩与离合器的电磁转矩相等。由上述公式可知: (1)当负载一定时,励磁电流 If 的大小决定从动部分转速的高低,励磁电流愈大,转速愈高;反之,励磁电 流愈小,转速就愈低。根据这一特性,可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速。 (2)当励磁电流一定时,从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低,并且这种下降在弱励磁电流的情况 下更加严重,如图 2-20a 所示,它具有较软的机械特性,这种软的机械特性在许多情况下,不能满足生产机械的 要求。为了获得范围较广,平滑而稳定的的调速特性,通常采用速度负反馈的措施,使电磁滑差离合器具有如图 2-20b 所示的硬机械特性。

图 2-20 电磁调速异步电动机机械特性曲线 图 2-21 为带有速度负反馈的电磁调速异步电动机原理框图。它是利用测速发电机把离合器的输出速度 n 换 成交流电压 U-,再经整流器变成直流电压 U-。将 U-送入比较元件,与给定直流励磁电压 Uf 进行比较。得电 压差△Uf-U-。所以输入离合器的励磁电流 If 不是正比于励磁电压 Uf,而是正比于电压△U。由于 U~(U-)的 大小与转速 n 有关,n 增大,U~(U-)变大。n 减小,U~(U-)变小。因此,在给定直流励磁电压 Uf 有变 情况下,输入的励磁电流 If 的大小与转速 n 有关,即随着 n 的下降或上升,励磁电流 If 将自动增加或减小,由于 负反馈的作用,提高了电磁离合器机械特性的硬度,这时调速的参数不再是电流 If 将自动增加或减小,由于负反馈 的作用,提高了电磁离合器机械特性的硬度,这时调速的参数不再是电流 If 而是电压 Uf。显然,给定励磁电压 Uf 愈高,则转速 n 愈高;反之则转速愈低,如图 2-20b 所示。

图 2-21 带有速度负反馈的电磁调速异步电动机框图 从图中可以看出:在空载或轻载(小于 10%额定转矩)时,由于反馈量不足,会造成失控现象,此外,在调 速时,随着转速降低,离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降。 二、电磁调速异步电动机的起动与调速 1.电磁调速异步电动机的起动。该电动机与转运惯量较大的工作机械之间装有滑差离合器,起动时可以逐渐 增加电流,能很平滑地起动。 在阻力较大的拖动系统中,例如 J2203 胶印机,电动机往往不能带负载直接起动,这时可在起动前先断开离 合器的励磁电源,使鼠笼电动机先空载起动,然后再接上励磁电源就可起动了。 2.电磁调速异步电动机的调速。由电磁调速异步电动机的工作原理知,电磁调速异步电动机的速度调节,可 通过调节滑差离合器的励磁电流来实现。下面介绍两种调节滑差离合器励磁电流的电路。 (1) 用调压器调速。 在图 2-22 中, 是用调压变压器来改变励磁电流的整流器电源电压, 以达到调速的目的。 在此系统中,没有速度负反馈,电机的机械特性较软,一般可用于要求不高的调速差系统中。例如,制铜锌版使用 的无粉腐蚀机,胶印制版的烘版机等。

图 2-22 用调压变压器控制的调速电路 由于这种控制线路结构简单,便于维护,所以在印刷机构中仍有实用意义。在图 2-22 中,TC 是单机调压变 压器,初级电压 220V,次级电压为 0-250V。整流元件是 2CZ 型硅二极管,型号的选择应根据离合励磁线圈的 功率或电流来确定。从电路图可看出,只要改变调压变压器的次级电压,就能改变整流输出直流电压,即改变滑差 离合器励磁电流,这样就能调节电机的转速。 (2)速度负反馈电磁调速异步电动机控制电路。现在广泛采用具有速度负反馈的滑差离合器的控制装置,来 实现宽范围无级调速,它比起其它调速电动机来说,具有以下主要优点: ①交流无级调速,机械特性硬度较高; ②结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉; ③调速范围大,用在像印刷机这样的恒转矩负载时,一般可达 10:1,有特殊要求(如轮转机)时亦可达 50: 1; ④可调节转矩。在现代化的联合轮转机中,都应用了自动化的纸张拉紧机械,它可以达到随着卷筒纸直径的变 化,调节离合器的转矩经保持拉力不变。 下面以 ZLK-10 型调速装置为例,说明电磁调速异步电动机的调速线路的组成及其工作原理。 图 2-23 为 ZLK-10 自动调速系统的方框图,由图可知,它由给定电压、速度负反馈、放大器、触发电路、 可控硅(晶闸管)整流等环节组成,图 2-24 是其原理图。下面对它的基本环节进行分析。

图 2-23 ZLK-10 自动调速系统的基本组成 ①给定电压环节。给定电压环节起始于变压器 TC 副边 5 端、6 端间的绕组。24V 的交流电压经 VD2、整流 并经 C2、R2、C3 滤波和 VZ 稳压,得到 16V 的直流电压。最后由 R5 和 RP4“定速”档的转速。“运转”、“定速” 由中间继电器 KA3 控制。 ②转速反馈环节。ZLK-10 自动调速系统是采用三相交流测速发电机 BR 对转速进行采样。所得交流经 VD8 -VD13 整流和 C8、R13、RP2、RP3 滤液后,得到反馈电压,经过 R8 传至放大器的输入端。由于不同测速发 电机灵敏度之间存在差异,所以采用 RP2 对反馈电压进行调节。转速表 PV 的刻度值依靠 RP3 调节。电容器 C7 用于减轻反馈电压的脉动,有利于调速系统动态稳定性的提高。 ③放大器。放大器是以晶体管 V2 为核心组成。二极管 VD4、VD5、VD6 用作双向限幅保护,以避免 V2 的 发射结承受过高的电压。给定电压与转速反馈电压通过电阻 R6、R7 和 R8 进行组合,形成输入信号,其值正比于 上述两个电压之差。这个差值经 V2 放大后可影响 V2 的集电极电位,对单结晶体管触发脉冲形成电路进行控制。 ④触发电路。单结晶体管触发电路的电源是由 V1、VD3、R4 与变压器 TC 的 6、7 绕组组成。TC 的 6、7 端 输出 3V 交流电压,当为负半周期时,V1 截止,V1 集射极间电压为 16V,如图 2-25b 所示;当 7.6 端输出为 正半周期时, 经 VD3 整流后加到 V1 的集射极上使 V1 饱和导通, Vcel=0, 放大器与触发电路不能工作, 如图 2-25b 所示。 由 V3 和 R11 组成的恒流源, 再加上电容器 C6, 能产生锯齿波用作移相, 如图 2-25c 所示。 其原理是这样的: 设 V3 和 R11 恒流源的恒定电源是 I0,恒定电流向 C6 充电,Uc6=1/C6∫t0Iodt,使 C6 上的电压上升,当上升 到单结管 VU 的峰值时单结管导通 C6 放电。放电到 VU 的谷值时又重新充电。而恒定电流 I0 的大小又受放大器 V2 输出电压的控制。如当 V2 的输入电压增大,V3 的基极电压就降低,V3 更加导通,V3 集电极电流 I0 增大, 这样充放电速度加快,可控硅触发提前,如图 2-25d 所示,导通角增大,导致励磁电压增大,如图 2-25e 所示; 同理 V2 的输入电压减小时,I0 减小,导致导通角减小,励磁电压减小。可见输入电压的大小可以控制可控硅的触 发时刻。 触发器最终在 VU 的第一基极通过脉冲变压器 TV 输给晶闸管的控制极。 二极管 VD7 用以短路负脉冲, 防止可 控硅因控制极出现负脉冲而击穿。 ⑤可控硅整流电路。该系统采用可控硅单相半波整流电路,波形如图 2-25e 所示。整流电路的输出控制转差 离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影响电机的转速。图中 R1、C1 和热敏电阻 RV 均对可控硅有过压保护作 用。VD1 为续流二极管,其作用是,正半周时由于可控硅导通而使离合器工作;负半周时可控硅不导通,励磁线 圈产生的反向电动势可经过 VD1 形成放电回路,使线圈中的电流连续,从而使离合器工作稳定。

图 2-24 ZLK-10 型调速系统的电路

图 2-25 ZLK-10 型调速系统电路工作波形图 综合上述,当 ZLK-10 自动调速系统处于“运转”状态,也就是调速状态时,通过调节电位器 RP4 改变电压给 定环节的电压,来改变电动机的转速。例如调节 RP4 使给定电压 Uf 增大,这时转速负反馈系统给出的电压 U-保 持不变,输入到 V2 的电压△U 增加,由 V3 和 11 出增大,滑差离合器的励磁电流增大,最终电动机转速变快。调 速过程如下: Uf↑→△U↑→Uc 充电加快→Ug 触发提前→If↑→n↑

当 ZLK-10 调速系统置于“定速”状态,也就是稳速状态时,通过调速系统可以稳定由于负载 RL 变化而引的 转速变化。例如当负载变小时,电机转速将变快,转速负反馈电路给出的电压 U-将增大,经过 R6、R7、R8 给 出的比较电压△U 将减小, 这样 C6 充电速度变慢, 单机转速变慢。 经过这样的所馈过程将使电机的转速基本不变。 稳速过程如下: RL→n↑→U-△U↓→Uc 充电变慢→Ug 触发滞后→If↓→n↓


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