【文章內(nèi)容簡介】 用場合也不同。 他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性 他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性是指電機(jī)加上一定的電壓 U和一定的勵(lì)磁電流 If時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 Te 與轉(zhuǎn)速 n 之間的關(guān)系，即 n=f(Te)，為了推導(dǎo)機(jī)械特性的一般公式，在電樞回路中串入一個(gè)電阻 R?？梢酝茖?dǎo)得到 0()a a a eeE E E TU I R R U R Rn T n TC C C C? ? ?? ? ? ? ? βΦ Φ Φ (21) 式中，0 EUn C? Φ 稱為理想空載轉(zhuǎn)速， aETRRCC??β Φ 是機(jī)械特性的斜率， Ia 為電樞電流， CE 是電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢系數(shù)， Ra是直流電機(jī)的電樞電阻，Φ是磁通量的幅值， CT是電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， Te是電磁轉(zhuǎn)矩，式 (21)為他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式，由式 (21)可知， 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性是一條斜直線，跨三個(gè)象限，特性較硬。機(jī)械特性只表征電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，是電動(dòng)機(jī)本身的能力。 他勵(lì)直流電機(jī)的運(yùn)行特性 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)： 直 流電動(dòng)機(jī)接到電源后，轉(zhuǎn)速從零達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。對電機(jī)起動(dòng)的基本要求是：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；啟動(dòng)電流要??；起動(dòng)設(shè)備要簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠。 若 對靜止的 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)加額定電壓 UN、電樞回路不串電阻即直接起動(dòng) 。 此時(shí) n=0，Ea=0，起動(dòng)電流 /st art N a NI U R I? ??， 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 st a rt T N st a rt NT C I T? ? ??。 (1) 電樞回路串電阻起動(dòng) 在額定電源電壓下，電樞回路串入分級起動(dòng)電阻 Rst，在起動(dòng)過程中將起動(dòng)電阻逐步切除。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 210 電樞回路串電阻起動(dòng) 起動(dòng)時(shí)在電 樞回路內(nèi)串入電阻，用來限制起動(dòng)電流 ,等電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電樞電動(dòng)勢Ea 升高，再逐步切除外串電阻，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，如圖 210 所示。電磁轉(zhuǎn)矩TaT C I? Φ ， T 與 Ia成正比，所以在圖 22 的橫坐標(biāo)上可以將 T 與 Ia標(biāo)注在一起，只是它們在橫坐標(biāo)上的比例系數(shù)不同而已；當(dāng)然也可以將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst 和起動(dòng)電流 Ist 標(biāo)注在一起 。TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩， T=TL時(shí)的電樞電流也稱為負(fù)載電流 IL，也把 TL與 IL標(biāo)注在一起。 (2) 降電壓起動(dòng) 起動(dòng)時(shí)，將電源電壓降低為 U，使 Ist = (2~） IN，即 (2 ~ 2 .5 )st NaUIIR?? (22) 待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高 .電樞電動(dòng)勢 Ea 上升，電流降低，這時(shí)再逐步升高電源電壓，始終保證在起動(dòng)的全過程中 Ist 不超過允許值。有時(shí)為了保證起動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大及電樞電流一直較小， 可以逐漸升高電壓 U，直至最后升到 UN。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速： (1) 電樞串入電阻調(diào)速 他勵(lì)直流電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，保持電源電壓及磁通為額定值不變，在電樞回路中串入不同的電阻時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速。此方法有以下特點(diǎn)： ① 機(jī)械特性較軟，電阻愈大則特性愈 軟，穩(wěn)定度愈低； ② 在空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍不大； ③ 實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速困難； ④ 在調(diào)速電阻上消耗大量電能等。 正因?yàn)槿秉c(diǎn)不少，目前已很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。 (2) 降低電源電壓調(diào)速 保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，降低電樞的電源電壓為不同大小時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速上。此方法有以下特點(diǎn)： ① 當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無級調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)； ② 調(diào)速特性與固有特性互相平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大； ③ 調(diào)速時(shí)，因電樞電流與電壓 U 無關(guān)，若電樞電流不變，則電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 T 不變，我們把調(diào)速過程中，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速特性稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 (3) 弱磁調(diào)速 保持電樞電壓為額定電壓，電樞回路不串電阻，在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載不是很大的情況下，人為降低電動(dòng)機(jī)的磁通，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 ①可以平滑無級調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速 nN 以上調(diào)節(jié)； 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 ②調(diào)速特性較軟，且受電動(dòng)機(jī)換向條件等的限制，普通他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過（ ～ 2） nN 倍，所以，調(diào)速范圍不大，若使用特殊制造的“調(diào)速電動(dòng)機(jī)”，調(diào)速范圍可以增加到（ 3～ 4） nN 倍的額定轉(zhuǎn)速； ③調(diào)速時(shí)維持電樞電壓 U和電樞電流 Ia 不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率 P = UIa 不變，我們把在調(diào)速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調(diào)速。 基于弱磁調(diào)速范圍不大，它往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，即在額定轉(zhuǎn)速以下，用調(diào)壓調(diào)速，而在額定轉(zhuǎn)速以上，則用弱磁調(diào)速。 電磁干擾基本概念 電磁兼容性（ Electromagic Compatibility，簡稱 EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC 包括兩個(gè)方面 的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。 電磁干擾 (Electromagic Interference，簡稱 EMI)是 導(dǎo)致設(shè)備、傳輸信道和系統(tǒng)性能劣化的電磁騷擾 ，會(huì)干擾信號并降低信號完好性的電子噪音， EMI 通常由電磁輻射發(fā)生源如電機(jī)和機(jī)器產(chǎn)生的。電磁干擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它的主要要素有自然和人為的干擾源、通過公共地線阻抗 /內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導(dǎo)的電磁干擾和輻射干擾等。電子系統(tǒng)受干擾路經(jīng)為經(jīng)過電源，經(jīng)過信號線或控制電纜，場滲透，經(jīng)過天線直接進(jìn)入：并且有電纜耦合，從其他設(shè)備來的傳導(dǎo)干擾，電子系統(tǒng)內(nèi)部場耦合，其它設(shè)備的輻射干擾，電子設(shè)備外部耦合到內(nèi)部場，寬帶發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)，外部環(huán)境場等等。 電磁干擾源分類，有多種分類方法：自然界干擾源和人為干擾源；有意干擾和無意干擾；傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾等。 電磁干擾的形成必須同時(shí)具備三項(xiàng)因素： 干擾源； 干擾途徑 —— 傳導(dǎo)型干擾（路）、輻射型干擾（場）； 對電磁干擾敏感性較高的接收電路。 消除或減弱電磁干擾，可針對這三項(xiàng)因 素采取措施： 消除或抑制干擾源； 切斷干擾途徑； 削弱接受回路對干擾的敏感性。 電磁干擾的途徑有： 傳導(dǎo)型（通過路的干擾）： (1)供電干擾（電源干擾）：來自電源本身或由于電源異常抖動(dòng)引起的干擾； (2)強(qiáng)電干擾（信號通道干擾）：來自信號通道內(nèi)部的各種干擾； (3)接地干擾：由于接地不當(dāng)引起的干擾； 輻射型（通過場的干擾）： 輻射干擾：來自空間的電磁干擾。 電磁干擾有 共模和差模兩種方式。共模 干 擾存在于電源任何 一 相對 大 地、或 電 線對 大地間。 共模干 擾有時(shí)也稱縱模 干 擾、不對稱 干 擾或接地 干 擾，這 是 載流導(dǎo)體與大地之間的干 擾。 差模干擾存 在于電源 相線與 電 線及相線與相線之間。差模干擾也稱常 說的常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這 是 載流導(dǎo)體之間的干擾。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 第 3 章 他勵(lì)直流電機(jī)繞組模型的建立和仿真 電機(jī)側(cè)共模傳導(dǎo) EMI分析 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁場干擾，主要來自于其繞組中突變的磁場，和換向器與電刷之間的電弧。有刷電機(jī)在換向過程中，電刷從一片換向器向另一片過渡的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生急劇變化的接觸電阻，這樣導(dǎo)致電流突變，產(chǎn)生電弧，從而便形成陡峭的脈沖電場波，這些脈沖干擾會(huì)經(jīng)常在供電線上，產(chǎn)生高頻瞬變電壓，再利用導(dǎo)線，以傳導(dǎo) 干擾的形式侵入到其它各種設(shè)備中，影響其它敏感設(shè)備的正常運(yùn)行，特別是當(dāng)其傳導(dǎo)干擾的頻率足夠高時(shí)，還會(huì)通過導(dǎo)線的天線效應(yīng)產(chǎn)生輻射，惡化整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的電磁環(huán)境。這些干擾的電磁波頻率約為 10Hz～ 1000MHz，因而其干擾的頻帶很寬。 當(dāng)電機(jī)的勵(lì)磁繞組電流突然被切斷時(shí)，線圈產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場，突然消失，于是在線圈中就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百伏，甚至上千伏的瞬變過電壓，這種高電壓與一階電路的指數(shù)衰減曲線形態(tài)非常相似，于是，該脈沖電壓產(chǎn)生極大的能量泄放，竄入控制電路產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊。當(dāng)電機(jī)處于額定負(fù)載下工作時(shí)，若突然切斷電樞繞組 供電電流，此時(shí)，電樞仍在高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)定子勵(lì)磁作用下，轉(zhuǎn)子的電樞繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與原電樞繞組電動(dòng)勢同向疊加，也會(huì)形成過電壓，其瞬態(tài)的峰值可以達(dá)到額定電壓的 6～ 8 倍，并按指數(shù)規(guī)律衰減到電樞停止轉(zhuǎn)動(dòng) [7]。 圖 31 直流電機(jī)端電壓波形 電機(jī)的干擾脈沖峰值的大小，與電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、正常工作時(shí)的負(fù)載、繞組絕緣層的老化以及換向器與電刷之間的間隙等因素，都有直接關(guān)系。為了準(zhǔn)確建立電機(jī)傳導(dǎo)電磁干擾的仿真模型，需要深入分析電機(jī)傳導(dǎo)干擾的產(chǎn)生的機(jī)理，然后進(jìn)行電機(jī)繞組的高頻建模，才能建立出電機(jī)傳導(dǎo)電磁干擾的仿真模型 。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 32 電機(jī)端電壓頻譜 圖 31 所示，用示波器顯示的直流電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)端電壓的波形，從圖可以看出，電機(jī)的電壓不僅出現(xiàn)周期性脈動(dòng)，同時(shí)還出現(xiàn)了尖峰脈沖。圖 32 所示是直流電機(jī)端電壓頻譜圖，該頻譜是利用示波器得到的電壓數(shù)據(jù)作傅里葉變換后得到的頻譜結(jié)果，由此圖可以看出，直流電機(jī)端電壓含有豐富的高頻分量，而且在高頻段仍有一定強(qiáng)度。 他勵(lì)直流電機(jī)繞組模型的建立 在該直流電機(jī)建模過程中，除了需要根據(jù)電機(jī)特性建立物理模型外，還有重要的一步就是如何確定物理模型中各個(gè)元件的參數(shù)，本文采用仿真分析來選擇模 型中各個(gè)元件的參數(shù)。 目前，已知文獻(xiàn) [46]中所提到的幾種電機(jī)共模等效電路，多數(shù)是為了分析和預(yù)測共模電壓在電機(jī)端產(chǎn)生的過電壓、軸電壓或電流等負(fù)面效應(yīng)而提出的，即使是用于分析漏電流的共模等效電路，適用的頻段也只是 1MHz 以下，很難滿足整個(gè)傳導(dǎo)干擾頻段（ 150K~30MHz） EMI 問題研究的要求。 本文所建立的他勵(lì)直流電機(jī)的高頻共模等效電路，與文獻(xiàn)中所提到的等效電路的主要不同之處，是該等效電路可用于分析和預(yù)測他勵(lì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)傳導(dǎo)干擾頻段共模的發(fā)射強(qiáng)度和電機(jī)側(cè)共模電流。 他勵(lì)直流電機(jī)共模電流 耦合路徑 他勵(lì)直流電機(jī)內(nèi)部，定子和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，沿圓周對稱分布，同時(shí)電機(jī)內(nèi)部還存在著磁場和電場，這就使得電機(jī)內(nèi)部，存在著大量電磁耦合的關(guān)系，這就為高頻電磁干擾噪聲的傳播提供了豐富的路徑。盡管他勵(lì)直流電機(jī)中寄生參數(shù)有很多，但考慮到電機(jī)中勵(lì)磁和電樞繞組分開供電，電樞繞組通過 PWM 控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，所以電樞繞組是系統(tǒng)產(chǎn)生高頻共模電磁干擾的主要部件，所以研究其寄生電容參數(shù)，就重點(diǎn)分析電樞繞組，主要有三種寄生電容，勵(lì)磁繞組對定子鐵心的寄生電容（ Csg），電樞繞組對轉(zhuǎn)子鐵心的寄生電容（ Csa），電樞繞 組對定子鐵心的寄生電容（ Csf）。 根據(jù)他勵(lì)直流電機(jī)內(nèi)部寄生參數(shù)的分布情況，得到電機(jī)的共模電流耦合路徑如圖 33所示。 Za 和 Zf分別表示電樞繞組和勵(lì)磁繞組單位長度阻抗； Rb 為軸承電阻； Pa 和 Na， Pf哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 和 Nf分別表示電樞繞組和勵(lì)磁繞組供電電源的正負(fù)端，其中電樞繞組的供電電源是通過功率變換器提供的。 icm為流入的大地的共模電流， iacmk， ifcmk， igcmk（其中 k=1， 2，?， n）分別為流過每個(gè)單位長度繞組所對應(yīng)的寄生電容的共模電流。由圖 33 所示的他勵(lì)電機(jī)內(nèi)部寄生參數(shù)分布情況和電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析可知，電樞繞 組是受高頻干擾影響最嚴(yán)重的部件，而勵(lì)磁繞組在高性能供電電源下工作時(shí)所受到的高頻干擾很小，所以在分析共模電流路徑時(shí)，可以忽略勵(lì)磁繞組本身對共模電流的影響，只需考慮寄生電容的影響。 電 樞 鐵 心8 V 勵(lì) 磁 電 源PfPaNaN fZaZfCs aCs fCs gia c m 1if c m 1 ig c m 1 ia c m 2if c m 2 ig c m 2 ia c m 3if c m 3 ig c m 3 ia c m 4if c m 4 ig c m 4 ia c m nif c m n ig c m n ZaZaZaZaZfZfZfZfic mic m功 率 變 換 器軸 承 圖 33 他勵(lì)直流電機(jī)內(nèi)部共模電流耦合路徑 他勵(lì)直流電機(jī)繞組模型建立 研究電機(jī)繞組高頻特性最有效的方法就是采用多導(dǎo)體、多單元的傳輸線模型。對給定直流電機(jī)而言，電樞鐵心為各向同性的均勻介質(zhì)，且各轉(zhuǎn)子槽的結(jié)構(gòu)相同，槽內(nèi)的繞組匝數(shù)和線徑均為定值，所以可認(rèn)為電機(jī)電樞繞組是 均勻傳輸線。在分析和預(yù)測直流電機(jī)側(cè)高頻共模電流時(shí)，可采用更為簡化的集總參數(shù)模型 [8]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在分析他勵(lì)直流電機(jī)的基礎(chǔ)上建立了直流電機(jī)繞組的 EMC 模型，如圖 34 所示。 LaRaCaLrCrRrXYGCf 圖 34 他勵(lì)直流電機(jī)高頻共模等效電路 La表示電樞繞