可控硅/晶閘管的應(yīng)用:滑差電機(jī)

　　帶有速度負(fù)反饋的電磁調(diào)速異步電動機(jī)的主要缺點(diǎn)是：在空載或輕載（小于10％額定轉(zhuǎn)矩）時，由于反饋不足，會造成失控現(xiàn)象；在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速降低，離合器的輸出功率和效率也相應(yīng)地按比例下降。所以此電機(jī)適用于長期高速運(yùn)轉(zhuǎn)和短時間低速運(yùn)轉(zhuǎn)。為適應(yīng)印刷機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，在采用電磁調(diào)速異步電動機(jī)作主驅(qū)動的印刷機(jī)中往往再配裝一臺三相異步電動機(jī)作為低速電機(jī)使用。

　　現(xiàn)將該電動機(jī)工作情況作簡要介紹

一、電磁調(diào)速異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　電磁調(diào)速異步電動機(jī)是由普通鼠籠式異步電動機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機(jī)作為原動機(jī)使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時帶動離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。這里主要介紹電磁滑差離合器，圖2－19是其結(jié)構(gòu)示意圖。它包括電樞、磁極和勵磁線圈三部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，它與鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，俗稱主動部分；磁極做成爪形結(jié)構(gòu)，裝在負(fù)載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分在機(jī)械上無任何聯(lián)系。當(dāng)勵磁線圈通過電流時產(chǎn)生磁場，爪形結(jié)構(gòu)便形成很多對磁極。此時若電樞被鼠籠式異步電動機(jī)拖著旋轉(zhuǎn)，那么它便切割磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，于是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉(zhuǎn)，前者的轉(zhuǎn)速低于后者，因?yàn)橹挥挟?dāng)電樞與磁場存在著相對運(yùn)動時，電樞才能切割磁力線。磁極隨電樞旋轉(zhuǎn)的原理與普通異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子跟著定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動的原理沒有本質(zhì)區(qū)別，所不同的是：異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電產(chǎn)生，而電磁滑差離合器的磁場則由勵磁線圈中的直流電流產(chǎn)生，并由于電樞旋轉(zhuǎn)才起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用。

圖2－19 電磁滑差離合器基本結(jié)構(gòu)示意圖

1-原動機(jī) 2-工作氣隙 3-主軸 4-輸出軸 5-磁極 6-電樞

　　電磁滑差離合器的機(jī)械特性可近似地用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：

　　n=n0-KT2/I4f

　　式中：n0－離合器主動部分（鼠籠電動機(jī)）的轉(zhuǎn)速；

　　n－離合器從動部分（磁極）的轉(zhuǎn)速；

　　If－勵磁電流；

　　K－與離合器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；

　　T－離合器的電磁轉(zhuǎn)矩。

　　當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與離合器的電磁轉(zhuǎn)矩相等。由上述公式可知：

　?。?）當(dāng)負(fù)載一定時，勵磁電流If的大小決定從動部分轉(zhuǎn)速的高低，勵磁電流愈大，轉(zhuǎn)速愈高；反之，勵磁電流愈小，轉(zhuǎn)速就愈低。根據(jù)這一特性，可以利用電氣控制電路非常方便地調(diào)節(jié)從動部分的轉(zhuǎn)速。

　　（2）當(dāng)勵磁電流一定時，從動部分轉(zhuǎn)速將隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而急劇降低，并且這種下降在弱勵磁電流的情況下更加嚴(yán)重，如圖2-20a所示，它具有較軟的機(jī)械特性，這種軟的機(jī)械特性在許多情況下，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。為了獲得范圍較廣，平滑而穩(wěn)定的的調(diào)速特性，通常采用速度負(fù)反饋的措施，使電磁滑差離合器具有如圖2-20b所示的硬機(jī)械特性。

圖2－20 電磁調(diào)速異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線

　　圖2－21為帶有速度負(fù)反饋的電磁調(diào)速異步電動機(jī)原理框圖。它是利用測速發(fā)電機(jī)把離合器的輸出速度n換成交流電壓U－，再經(jīng)整流器變成直流電壓U－。將U－送入比較元件，與給定直流勵磁電壓Uf進(jìn)行比較。得電壓差△Uf－U－。所以輸入離合器的勵磁電流If不是正比于勵磁電壓Uf，而是正比于電壓△U。由于U～（U－）的大小與轉(zhuǎn)速n有關(guān)，n增大，U～（U－）變大。n減小，U～（U－）變小。因此，在給定直流勵磁電壓Uf有變情況下，輸入的勵磁電流If的大小與轉(zhuǎn)速n有關(guān)，即隨著n的下降或上升，勵磁電流If將自動增加或減小，由于負(fù)反饋的作用，提高了電磁離合器機(jī)械特性的硬度，這時調(diào)速的參數(shù)不再是電流If將自動增加或減小，由于負(fù)反饋的作用，提高了電磁離合器機(jī)械特性的硬度，這時調(diào)速的參數(shù)不再是電流If而是電壓Uf。顯然，給定勵磁電壓Uf愈高，則轉(zhuǎn)速n愈高；反之則轉(zhuǎn)速愈低，如圖2-20b所示。

圖2－21 帶有速度負(fù)反饋的電磁調(diào)速異步電動機(jī)框圖

　　從圖中可以看出：在空載或輕載（小于10％額定轉(zhuǎn)矩）時，由于反饋量不足，會造成失控現(xiàn)象，此外，在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速降低，離合器的輸出功率和效率也相應(yīng)地按比例下降。

二、電磁調(diào)速異步電動機(jī)的起動與調(diào)速

　　1．電磁調(diào)速異步電動機(jī)的起動。該電動機(jī)與轉(zhuǎn)運(yùn)慣量較大的工作機(jī)械之間裝有滑差離合器，起動時可以逐漸增加電流，能很平滑地起動。

　　在阻力較大的拖動系統(tǒng)中，例如J2203膠印機(jī)，電動機(jī)往往不能帶負(fù)載直接起動，這時可在起動前先斷開離合器的勵磁電源，使鼠籠電動機(jī)先空載起動，然后再接上勵磁電源就可起動了。

　　2．電磁調(diào)速異步電動機(jī)的調(diào)速。由電磁調(diào)速異步電動機(jī)的工作原理知，電磁調(diào)速異步電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)滑差離合器的勵磁電流來實(shí)現(xiàn)。下面介紹兩種調(diào)節(jié)滑差離合器勵磁電流的電路。

　　（1）用調(diào)壓器調(diào)速。在圖2－22中，是用調(diào)壓變壓器來改變勵磁電流的整流器電源電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。在此系統(tǒng)中，沒有速度負(fù)反饋，電機(jī)的機(jī)械特性較軟，一般可用于要求不高的調(diào)速差系統(tǒng)中。例如，制銅鋅版使用的無粉腐蝕機(jī)，膠印制版的烘版機(jī)等。

圖2－22 用調(diào)壓變壓器控制的調(diào)速電路

　　由于這種控制線路結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，所以在印刷機(jī)構(gòu)中仍有實(shí)用意義。在圖2－22中，TC是單機(jī)調(diào)壓變壓器，初級電壓220V，次級電壓為0－250V。整流元件是2CZ型硅二極管，型號的選擇應(yīng)根據(jù)離合勵磁線圈的功率或電流來確定。從電路圖可看出，只要改變調(diào)壓變壓器的次級電壓，就能改變整流輸出直流電壓，即改變滑差離合器勵磁電流，這樣就能調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　?。?）速度負(fù)反饋電磁調(diào)速異步電動機(jī)控制電路。現(xiàn)在廣泛采用具有速度負(fù)反饋的滑差離合器的控制裝置，來實(shí)現(xiàn)寬范圍無級調(diào)速，它比起其它調(diào)速電動機(jī)來說，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

　　①交流無級調(diào)速，機(jī)械特性硬度較高；

　?、诮Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護(hù)方便、價格低廉；

　　③調(diào)速范圍大，用在像印刷機(jī)這樣的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，一般可達(dá)10：1，有特殊要求（如輪轉(zhuǎn)機(jī)）時亦可達(dá)50：1；

　?、芸烧{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。在現(xiàn)代化的聯(lián)合輪轉(zhuǎn)機(jī)中，都應(yīng)用了自動化的紙張拉緊機(jī)械，它可以達(dá)到隨著卷筒紙直徑的變化，調(diào)節(jié)離合器的轉(zhuǎn)矩經(jīng)保持拉力不變。

　　下面以ZLK－10型調(diào)速裝置為例，說明電磁調(diào)速異步電動機(jī)的調(diào)速線路的組成及其工作原理。

　　圖2－23為ZLK－10自動調(diào)速系統(tǒng)的方框圖，由圖可知，它由給定電壓、速度負(fù)反饋、放大器、觸發(fā)電路、可控硅(晶閘管）整流等環(huán)節(jié)組成，圖2－24是其原理圖。下面對它的基本環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

圖2－23 ZLK－10自動調(diào)速系統(tǒng)的基本組成

　?、俳o定電壓環(huán)節(jié)。給定電壓環(huán)節(jié)起始于變壓器TC副邊5端、6端間的繞組。24V的交流電壓經(jīng)VD2、整流并經(jīng)C2、R2、C3濾波和VZ穩(wěn)壓，得到16V的直流電壓。最后由R5和RP4“定速”檔的轉(zhuǎn)速?！斑\(yùn)轉(zhuǎn)”、“定速”由中間繼電器KA3控制。

　?、谵D(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)。ZLK－10自動調(diào)速系統(tǒng)是采用三相交流測速發(fā)電機(jī)BR對轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣。所得交流經(jīng)VD8－VD13整流和C8、R13、RP2、RP3濾液后，得到反饋電壓，經(jīng)過R8傳至放大器的輸入端。由于不同測速發(fā)電機(jī)靈敏度之間存在差異，所以采用RP2對反饋電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速表PV的刻度值依靠RP3調(diào)節(jié)。電容器C7用于減輕反饋電壓的脈動，有利于調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的提高。

　?、鄯糯笃鳌７糯笃魇且?a target="_blank">晶體管V2為核心組成。二極管VD4、VD5、VD6用作雙向限幅保護(hù)，以避免V2的發(fā)射結(jié)承受過高的電壓。給定電壓與轉(zhuǎn)速反饋電壓通過電阻R6、R7和R8進(jìn)行組合，形成輸入信號，其值正比于上述兩個電壓之差。這個差值經(jīng)V2放大后可影響V2的集電極電位，對單結(jié)晶體管觸發(fā)脈沖形成電路進(jìn)行控制。

　　④觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的電源是由V1、VD3、R4與變壓器TC的6、7繞組組成。TC的6、7端輸出3V交流電壓，當(dāng)為負(fù)半周期時，V1截止，V1集射極間電壓為16V，如圖2-25b所示；當(dāng)7．6端輸出為正半周期時，經(jīng)VD3整流后加到V1的集射極上使V1飽和導(dǎo)通，Vcel=0，放大器與觸發(fā)電路不能工作，如圖2-25b所示。

　　由V3和R11組成的恒流源，再加上電容器C6，能產(chǎn)生鋸齒波用作移相，如圖2-25c所示。其原理是這樣的：設(shè)V3和R11恒流源的恒定電源是I0，恒定電流向C6充電，Uc6=1/C6∫t0Iodt，使C6上的電壓上升，當(dāng)上升到單結(jié)管VU的峰值時單結(jié)管導(dǎo)通C6放電。放電到VU的谷值時又重新充電。而恒定電流I0的大小又受放大器V2輸出電壓的控制。如當(dāng)V2的輸入電壓增大，V3的基極電壓就降低，V3更加導(dǎo)通，V3集電極電流I0增大，這樣充放電速度加快，可控硅觸發(fā)提前，如圖2-25d所示，導(dǎo)通角增大，導(dǎo)致勵磁電壓增大，如圖2-25e所示；同理V2的輸入電壓減小時，I0減小，導(dǎo)致導(dǎo)通角減小，勵磁電壓減小?？梢娸斎腚妷旱拇笮】梢钥刂瓶煽毓璧挠|發(fā)時刻。

　　觸發(fā)器最終在VU的第一基極通過脈沖變壓器TV輸給晶閘管的控制極。二極管VD7用以短路負(fù)脈沖，防止可控硅因控制極出現(xiàn)負(fù)脈沖而擊穿。

　?、菘煽毓枵麟娐贰Ｔ撓到y(tǒng)采用可控硅單相半波整流電路，波形如圖2－25e所示。整流電路的輸出控制轉(zhuǎn)差離合器的勵磁線圈來產(chǎn)生勵磁電流并最終影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖中R1、C1和熱敏電阻RV均對可控硅有過壓保護(hù)作用。VD1為續(xù)流二極管，其作用是，正半周時由于可控硅導(dǎo)通而使離合器工作；負(fù)半周時可控硅不導(dǎo)通，勵磁線圈產(chǎn)生的反向電動勢可經(jīng)過VD1形成放電回路，使線圈中的電流連續(xù)，從而使離合器工作穩(wěn)定。

圖2－24 ZLK－10型調(diào)速系統(tǒng)的電路

圖2－25 ZLK－10型調(diào)速系統(tǒng)電路工作波形圖

　　綜合上述，當(dāng)ZLK－10自動調(diào)速系統(tǒng)處于“運(yùn)轉(zhuǎn)”狀態(tài)，也就是調(diào)速狀態(tài)時，通過調(diào)節(jié)電位器RP4改變電壓給定環(huán)節(jié)的電壓，來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。例如調(diào)節(jié)RP4使給定電壓Uf增大，這時轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)給出的電壓U－保持不變，輸入到V2的電壓△U增加，由V3和11出增大，滑差離合器的勵磁電流增大，最終電動機(jī)轉(zhuǎn)速變快。調(diào)速過程如下：

　　Uf↑→△U↑→Uc充電加快→Ug觸發(fā)提前→If↑→n↑

　　當(dāng)ZLK－10調(diào)速系統(tǒng)置于“定速”狀態(tài)，也就是穩(wěn)速狀態(tài)時，通過調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定由于負(fù)載RL變化而引的轉(zhuǎn)速變化。例如當(dāng)負(fù)載變小時，電機(jī)轉(zhuǎn)速將變快，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電路給出的電壓U－將增大，經(jīng)過R6、R7、R8給出的比較電壓△U將減小，這樣C6充電速度變慢，單機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。經(jīng)過這樣的所饋過程將使電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速過程如下：