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各種電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

時(shí)間:2018-11-28 11:46:33來源:網(wǎng)絡(luò)

導(dǎo)語:?電動(dòng)機(jī)(英文:Electricmachinery,俗稱“馬達(dá)”)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置,在電路中用字母M(舊標(biāo)準(zhǔn)用D)表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。

電動(dòng)機(jī)(英文:Electricmachinery,俗稱“馬達(dá)”)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置,在電路中用字母M(舊標(biāo)準(zhǔn)用D)表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。

1  電動(dòng)機(jī)的使用

工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域的控制電動(dòng)機(jī)主要有伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)等。

各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動(dòng)機(jī)(又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī))。它使用方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)牢固,但功率因數(shù)較低,調(diào)速也較困難。大容量低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力機(jī)常用同步電動(dòng)機(jī),因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)不但功率因數(shù)高,而且其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān),只決定于電網(wǎng)頻率,工作較穩(wěn)定。在要求寬范圍調(diào)速的場合多用直流電動(dòng)機(jī),但它有換向器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,維護(hù)困難,不適于惡劣環(huán)境。

20世紀(jì)70年代以后,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟,設(shè)備價(jià)格日益降低,已開始得到應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)在規(guī)定工作制式(連續(xù)式、短時(shí)運(yùn)行制、斷續(xù)周期運(yùn)行制)下所能承擔(dān)而不至引起電機(jī)過熱的最大輸出機(jī)械功率稱為它的額定功率,使用時(shí)需注意銘牌上的規(guī)定。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需注意使其負(fù)載的特性與電機(jī)的特性相匹配,避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多,能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械速度變化的要求。一般電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看,調(diào)速大致可分兩種:一是保持輸入功率不變,通過改變調(diào)速裝置的能量消耗,調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;二是控制電動(dòng)機(jī)輸入功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2  電動(dòng)機(jī)的發(fā)展

就目前電動(dòng)機(jī)的發(fā)展情況來看,節(jié)能是發(fā)展目的,控制智能化是發(fā)展趨勢(shì),無刷直流電機(jī)是發(fā)展熱點(diǎn)。

節(jié)能是發(fā)展之重

伴隨全球能源危機(jī)的日益凸顯,各國政府和企業(yè)都在努力尋求能源可持續(xù)發(fā)展的途徑,開源節(jié)流是目前通用的方法。在當(dāng)前我國也面臨能源制約方面的諸多問題,平衡好能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系顯得尤為迫切。

從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā),高效率電動(dòng)機(jī)是目前國際發(fā)展趨勢(shì),歐洲根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,制定的CEMEP標(biāo)準(zhǔn)將效率分為eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三個(gè)等級(jí),于2003-2006年間分步實(shí)施。IEC60034-30標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)效率分為IE1(對(duì)應(yīng)eff2)、IE2(對(duì)應(yīng)eff1)、IE3、IE4(最高)四個(gè)等級(jí)。我國承諾從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標(biāo)準(zhǔn)。國際要求和國內(nèi)能源短缺形勢(shì)都需要將電機(jī)的節(jié)能發(fā)展作為首要任務(wù)。

控制智能化是趨勢(shì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,智能控制也成為電機(jī)領(lǐng)域的熱門話題,我們生活中使用的全自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)窗簾等這些都傳遞了智能的信號(hào),電機(jī)控制也趨向簡單化和智能化,PLC、FPGA、DSP這些技術(shù)也越來越多的融合到了電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中。

智能化電機(jī)控制的功能要比傳統(tǒng)電機(jī)控制功能多得多,智能化電機(jī)實(shí)現(xiàn)了低碳運(yùn)行,并且故障概率和停機(jī)時(shí)間也大大降低了,它成為電機(jī)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。例如,可以采用智能功率模塊,利用微控制器或DSP與電機(jī)之間形成功率接口,能夠減小電機(jī)體積并簡化設(shè)計(jì)。

這種模塊較之于以前的分立式解決方案的優(yōu)勢(shì)在于寄生電感更小、可靠性更高,因?yàn)槟K內(nèi)的所有功率器件都采用了同批次芯片,具有一致的測試性能。這種智能功率模塊可與微控制器低電壓TTL或CMOS輸出直接接口,并帶有保護(hù)電路。

模塊內(nèi)置有監(jiān)視結(jié)溫的熱敏電阻器、防止上下橋臂直通的邏輯保護(hù)電路、死區(qū)時(shí)間控制,以及用于最大限度減少EMI等的驅(qū)動(dòng)波形整形電路。在模塊中,每個(gè)驅(qū)動(dòng)IC均可進(jìn)行優(yōu)化,使其以最小的EMI和驅(qū)動(dòng)損耗來完成功率器件的開關(guān)動(dòng)作。對(duì)節(jié)能來說是一個(gè)很大的促進(jìn)作用。

無刷直流電機(jī)是熱點(diǎn)

電機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展應(yīng)用,目前業(yè)內(nèi)將目光聚焦到無刷直流電機(jī)身上,尤其成為當(dāng)前微特電機(jī)的發(fā)展熱點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向,用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷,從而具有高可靠性、無換向火花、機(jī)械噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造,采用新工藝和新材料改善能耗,通過降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗來提高電機(jī)的效率。目前在家用電器行業(yè)廣泛宣傳的直流變頻就是一個(gè)節(jié)能設(shè)計(jì)的典范。有專家稱,如果只把每年新增的電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)更換成高效節(jié)能電機(jī),每年就可節(jié)電超過1000億千瓦時(shí),這將超過三峽電站全年的發(fā)電總量,同時(shí)還可減少二氧化碳排放近億噸?!皞€(gè)體節(jié)約一小步,集體節(jié)約一大步”,推廣高效節(jié)能電機(jī)總體節(jié)能效果還是非常樂觀的。

雖然國家在積極推動(dòng),但是目前電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能依然存在五大難題:技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)性工作有待加強(qiáng);高效通用和專用設(shè)備有待開發(fā);電機(jī)系統(tǒng)合理匹配及運(yùn)行效率有待提高;第三方節(jié)能服務(wù)隊(duì)伍建設(shè)有待加強(qiáng);激勵(lì)政策及體制機(jī)制也有待完善。

3  各種電機(jī)詳解伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中,能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量,拖動(dòng)被控制元件,從而達(dá)到控制目的.

伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分;最早的伺服電動(dòng)機(jī)是一般的直流電動(dòng)機(jī),在控制精度不高的情況下,才采用一般的直流電機(jī)做伺服電動(dòng)機(jī)。目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講,就是小功率的直流電動(dòng)機(jī),其勵(lì)磁多采用電樞控制和磁場控制,但通常采用電樞控制。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類,直流伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)械特性上能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的要求,但是由于換向器的存在,存在許多的不足:換向器與電刷之間易產(chǎn)生火花,干擾驅(qū)動(dòng)器工作,不能應(yīng)用在有可燃?xì)怏w的場合;電刷和換向器存在摩擦,會(huì)產(chǎn)生較大的死區(qū);結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維護(hù)比較困難。

交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī),其控制方法主要有三種:幅值控制、相位控制和幅相控制。

一般地,伺服電動(dòng)機(jī)要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號(hào)的控制;轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號(hào)的變化而連續(xù)變化;電動(dòng)機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

所謂步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。更通俗一點(diǎn)講:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。

我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量,從而達(dá)到精確定位的目的;同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

目前,比較常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式,正是這個(gè)特點(diǎn),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī);所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場合。

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點(diǎn),所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域;尤其是在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域,由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換,能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移,所以一直被認(rèn)為是最理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。

除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用,步進(jìn)電機(jī)也可以用在其他的機(jī)械上,比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá),作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá),也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。

此外,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也存在許多缺陷;由于步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率,所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度時(shí)就無法啟動(dòng),并伴有尖銳的嘯叫聲;不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大,細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制;并且,步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲。

力矩電動(dòng)機(jī)

所謂的力矩電動(dòng)機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電動(dòng)機(jī)。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù),以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。力矩電動(dòng)機(jī)有直流力矩電動(dòng)機(jī)和交流力矩電動(dòng)機(jī)兩種。

其中,直流力矩電動(dòng)機(jī)的自感電抗很小,所以響應(yīng)性很好;其輸出力矩與輸入電流成正比,與轉(zhuǎn)子的速度和位置無關(guān);它可以在接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接和負(fù)載連接低速運(yùn)行而不用齒輪減速,所以在負(fù)載的軸上能產(chǎn)生很高的力矩對(duì)慣性比,并能消除由于使用減速齒輪而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

交流力矩電動(dòng)機(jī)又可以分為同步和異步兩種,目前常用的是鼠籠型異步力矩電動(dòng)機(jī),它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點(diǎn)。一般地,在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動(dòng)機(jī),其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動(dòng)機(jī)的相同,但是由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的電阻較大,所以其機(jī)械特性較軟。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)極其簡單且堅(jiān)固,成本低,調(diào)速性能優(yōu)異。

無刷直流電動(dòng)機(jī)

無刷直流電機(jī)(BLDCM)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流;無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷力矩電機(jī)。一般地,無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種,一種是梯形波(一般是“方波”),另一種是正弦波。

有時(shí)候把前一種叫直流無刷電機(jī),后一種叫交流伺服電機(jī),確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通常采用“細(xì)長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多,相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題,致使無刷直流電機(jī)一般的容量都在100kW以下。

這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好,調(diào)速范圍廣,壽命長,維護(hù)方便噪聲小,不存在因電刷而引起的一系列問題,所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。

變頻電機(jī)變頻電機(jī)的構(gòu)造原理

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與控制,是工農(nóng)業(yè)各類機(jī)械及辦公、民生電器設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展,采用“專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+變頻器”的交流調(diào)速方式,正在以其卓越的性能和經(jīng)濟(jì)性,在調(diào)速領(lǐng)域,引導(dǎo)了一場取代傳統(tǒng)調(diào)速方式的更新?lián)Q代的變革。

它給各行各業(yè)帶來的福音在于:使機(jī)械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、電源系統(tǒng)容量相應(yīng)提高、設(shè)備小型化、增加舒適性,目前正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速和直流調(diào)速方案。

由于變頻電源的特殊性,以及系統(tǒng)對(duì)高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求,對(duì)作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機(jī),提出了苛刻的要求,給電動(dòng)機(jī)帶來了在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面新的課題。

變頻電機(jī)的應(yīng)用

變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案,可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級(jí)變速傳動(dòng)。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用,變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來,可以這樣說由于變頻電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性,凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機(jī)的身影。

直線電機(jī)

用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)由于交流同步電機(jī)(簡稱同步電機(jī))在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢(shì),對(duì)于大容量電機(jī),世界各國已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

近幾年來,直線電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視,并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起"直線電機(jī)熱"。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)(拖板)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié),

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