…… 读 磊 c …………………………………………………………… . 饭持电棚 2o13年第41卷第10期 一 一。:’_'一一 ::..二 :二 …一 :….. 微特电机试验电源问题 张文海’,梁功勋 (1.成都精密电机厂,四川成都610500;2.成都微精电机公司,四川成都610052) 摘要:针对直流伺服电动机电源、两相交流伺服电动机电源、信号电动机电源、50 Hz调频电源,简单分析了 微特电机试验中的电源问题,为微特电机测试提供参考。 关键词:微特电机;试验;电源;直流伺服电动机;两相交流伺服电动机;信号电动机;交流变频发电机组 中图分类号:TM33;TM34 文献标识码:E 文章编号:1004-7018(2013)10-0076-03 Problems of Small and Special Motor Test Supply ZHANG Wen-hai ,LIANG Gong-xun (1.Chengdu Precision Motor Factory,Chengdu 610500,China; 2.Chengdu Electric MFG Co.,Ltd.,Chengdu 610052,China) Abstract:The supply problems in the small and special electrical machine test were analyzed,especillay for the supply of DC servomotor,two phase AC servo motor,signal motor and 50 Hz frequenc—modulayion.The results gives a reference for the test. Key words:small and special electrical machine;test;supply;DC servomotor;two phase AC servo motor;signal motor; AC frequency generator set 0引 言 微特电机通常是为了输出信号或实现伺服驱动 稳压线性电源电压稳定度高、纹波电压小,能平滑大 范围调节输出电压,电磁兼容性好。当今开关直流 稳压电源性能也很优越。开关直流稳压电源虽然效 率高、电压稳定度也高,但纹波电压和电磁兼容性没 有线性电源好,所以不宜选用开关直流稳压电源作 直流力矩电动机的试验电源。 使用中,稳压电源(也包括试验室用两相音频 的控制电机,大都具有精度高、阻抗高的特点,为了 满足测试要求,这就对试验室电机测量电源提出较 高要求。本文就有关方面,谈谈微特电机试验中电 源的一些问题。 l直流伺服电动机电源 直流力矩电动机是一种低转速、太力矩、用于伺 服驱动的直流电动机。因为转速低,所以对转矩波 动系数要求高,通常要求应小于10%(机座号越大 的电机,其转矩波动系数越小)。这就要求电机测 量用直流电源的电压稳定度、纹波系数应高于上述 要求一个数量级。如《永磁式直流力矩电动机通用 稳压电源、信号发生器电源等)因要满足电磁兼容 性和电网电压小于(220±10%)V波动的要求,注意 不能直接用工业电网供电,也不能用50 Hz自发电 电网供电,必须要用变压器隔离专线供电,同时因高 压大功率直流稳压电源多采用了“负端”接地保护 措施。由于“负端”接地,当采用示波器观察输出电 压波形和电流波形时,就应特别注意安全。 示波器的输入阻抗一般很高,无论测试电源的 电压波形或电流波形时,都不会将稳压电源烧毁。 但当示波器采用三脚单相电源插头时,信号输入接 技术条件》规定:在电网220 V±10%波动的范围内, 稳压电源的输出纹波电压,满载时应小于0.5%;电 压稳定度也应小于0.5%。电压稳定度、纹波系数 这两项指标都会影响转矩波动系数的准确测试。 为此,直流力矩电动机的试验电源多选用高精 度直流稳压线性电源。随着一些大机座号永磁直流 “地”端子(这也是电子示波器常用的一种防干扰措 施)以及可导电的外壳,通过电源插头与接地系统 电源的保护接地线接通。而对于常见的TN—S供电 系统,单相电源的零(N)线和保护接地线(PE)在电 源中点相连而接地。一些大功率直流稳压电源 “负”端又采用接地措施。因此用示波器无论观察 力矩电动机的出现,电机峰值堵转电流达200 A以 上,峰值堵转电压达300 V以上,用于力矩电动机测 试的高压大功率直流稳压线性电源应运而生,直流 76 收稿日期:2叭3—05—19 这些电源的电压波形或电流波形,都可能因短路而 烧毁电源,其示意图如图1所示。 ……堕壁 . ……20…13一 兰. 董 ……………………………………一…………………. 负载 …: 串联式直流稳压电源和恒流源,实际上原理是 相似的,作为线性闭环稳定电源,都是通过改变串联 调整管内阻的大小来实现稳压或稳流。所不同的 (a) (b) 是,将输出电压取样作负反馈,即为稳压电源;将输 图1示波器观察电源波形引起电源烧毁 图1(a)用示波器观察电压波形时,当示波器地 ・出电流取样作负反馈,即为稳流电源。稳压电源的 取样电阻和负载并联,电压波动时,取样电阻上的压 线与电源“+”接通,就会引起电源输出直接短路,由 此烧毁电源。图1(b)中,当电流取样电阻接在电源 “+”端时,示波器地线无论怎样接,都会使电源输出 短路,烧毁电源。正确的方法是,直流稳压电源“一” 端不管是否接地,示波器的地线必须与电源“一”端 相连,不能与“+”端相连;电流取样电阻也只能串人 电源“一”端,不能串人电源“+”端。另外,示波器插 头采用两脚单相插头,但会带来不安全因素,示波器 最好采用隔离电源供电或改用专用差分探头测试。 当高压大功率直流稳压电源电网停电选用50 Hz自发电电网供电时也极易出事故。原因是自发 电电网容量小,当其它大型设备起动时,易引起电网 电压瞬间跌落,此时如果电机正处在做大电流峰值 堵转试验时,电网电压跌落引起稳压电源输出电压 瞬间跌落,电机上百安电流瞬变产生的自感电势与 电源电压叠加,瞬间便可将电机绕坏,应特别注意。 不过,因电机空载运行,空载电流不大,瞬变产生的 自感电动势不大,用于电机空载运行还是可以的。 有的直流稳压电源,设有内、外取样开关,何种 情况下使用外取样和内取样? 一般的直流稳压电源,只能保证电源输出端的 电压稳定,并不一定能保证负载端的电压稳定。如 用直流稳压电源测试直流电动机的空载和负载数据 时,负载端和电源端之间,必须要串接一只电流表, 而电流表有内阻压降,负载端的电压便随电流的大 小而波动。此时,尽管稳压电源的输出电压稳定,但 负载端的电压并不稳定,由此给电机数据准确测试 带来困难。为了克服这一缺陷,有的直流稳压电源 将电压取样电路接成非固定型,可内接,称内取样; 也可外接,称外取样。内取样的取样电路接在电源 输出端,能保证电源输出端电压稳定。外取样的取 样电路接在负载输入端,即电流表之后,能保证负载 端的电压稳定。一般来说,小负载电流应使用内取 样,小电流在电流表上引起的压降小,对负载端的电 压稳定影响小;大负载电流应使用外取样,大电流在电 流表上引起的压降大,对负载端的电压稳定影响大, 虽然此时取样电路的分流加大了电流读数,但因分 流电流相对较小,对大电流测试误差影响不会很大。 许多串联式直流稳压电源都设有恒流档,为什 么稳压电源可以作恒流源?怎样应用? 降会发生变化,通过负反馈电路的作用,电压高时, 使调整管内阻增大,压降增大;电压低时,使调整管 内阻减小,压降减小,从而实现稳压。恒流电源取样 电阻和负载串联,电流波动时,取样电阻上压降也会 发生变化,通过负反馈电路的作用,电流大时,调整 管内阻增大,使电流减小;电流小时,调整管内阻减 小,使电流增大,从而实现稳流。从外特性看,稳压 源内阻为无限小,稳流源内阻为无限大,但内部变 化,都是由调整管内阻改变来实现的。 设有恒流档的直流稳压电源(其实应称为直流 稳定电源),给直流电动机试验提供了很大方便,如 直流力矩电动机温升试验须恒电流堵转,则应选用 恒流档调电流,这样不怕温升电阻变化,电流一直稳 定。直流电动机寿命试验,也应选用恒流档,这样不 怕电机失控堵转。但选用恒流档时,电压档应先调 在高于正常负载电压,才能实现恒流。因调整管调 整的空间太小,电压调得太高,调整管发热历害,易 损坏调整管;电压调得太低,初时恒流,负载发热后 则不恒流,电压比正常值调高多少?应根据实际负 载情况来定。如某力矩电动机作3 A堵转温升试 验,电机电枢电阻11 ,发热后电枢电阻14 Q左 右,由比算出堵转电压必须调在33 V以上,恒流档 才可输出3 A稳恒电流,但电机发热后以14 Q计 算,电压档必须要有42 V才能得到3 A电流。因此 在做这项试验时,应将电压档先调在比42 V多2 V 左右的44 V,再将恒流旋钮由0调至3 A堵转,则整 个2 h以上的堵转温升试验,都可保证3 A稳恒电 流 张 文 2两相交流伺服电动机电源 海 ’ 等 两相交流伺服电动机电源大多为400 Hz电源, 微 对频率稳定度、波形失真度、谐波含量均有较高要;罱 求,为此,交流伺服电动机多选用50 W两相音频电 源作试验电源。两相音频电源频率稳定度高,波形 婺 失真度小,相位、频率、电压调节方便,移动方便,还 源 具有无功补偿功能,是理想的两相交流伺服电动机 试验电源。使用中应注意的是90。相位调节和测量 问题,它将直接影响电机的空载转速和堵转转矩的; 准确测量。 相位调节:两相音频电源是由信号源、两路独立! 77 ……L// 夕鞠.2磊 读声 一一………一………一……………………………………… .: 一 一: 二.._._-:二二,一二! : 一曼 …. :….. 触持电棚 2o13年第41卷第lO期 功率放大器和电阻移相电路组合而成。所谓相位 差,则是指两个同频率正弦波信号进行比较的初相 角大小。要比较,就必须要有公共参考点,因此测量 和使用两相音频电源时,一定要将两路电源的“地” 端接通作为参考点,调节移相电阻,便可得到两相 90。相位差,否则相位差无从谈起,电机运转不稳定。 90。相位测量除了专用相位计、示波器李萨如图形方 法测量外,也可用下述方法测90。相位差。 功率表法:电动系功率表的示值与功率因数 (电流与电压之间的相位差)有关,故用功率表测 90。相位差可得到较准确的结果,方法如图2所示。 图2用功率表测9O。相位差 功率表的电压线圈接A相,电流线圈接口相,0 端为两相公共参考点,R为 相无感负载电阻(可 用十进电阻箱得到),它为功率表提供一个与B相 电压同相位的电流,以便与A相进行相位比较。测 试时,两相电压调到相等并固定,再调节音频电源的 移相电阻,功率表示值会发生较大变化,当功率表示 值由大到小,直到读数为零时,即表示两相有90。相 位差。此法也可用于任意角度相位差测试,只要读 出有功功率和视在功率即可计算任意角度相位差。 空载转速法:两相交流伺服电动机有正交9O。 的对称绕组,当它的空间旋转磁场为圆形时,其转矩 最大,空载转速最高,因此可直接用两相交流伺服电 动机的最高空载转速方法校验电源90。相位差。方 法是:一台绕组对称性好的两相交流伺服电动机接 在两相音频电源上,两相电压相等,调节电源移相电 阻,使伺服电动机的空载转速达到最高,电源则有 90。相位差。 另外,音频电源因容量有限,电源内配有多种电 容值的电容器,供无功补偿以使电源功率有效输出。 当伺服电动机励磁电压选用电源,相应的输出档电 压升不上去时,调节不同的电容值,接人电源对无功 电流进行补偿,电源的无功损耗减少了,电压便可上 升。再则,因电源常工作于400 Hz的中频段,机壳 导电部分常会产生上百伏的感应电压,故应注意电 源机壳接地,否则手触导电把手时易遭电击。伺服 电动机的工作频率越高,励磁电压越高,机壳导电部 分产生的感应电压也越高。 3信号电机电源 ;78 旋转变压器、自整角机多用400 Hz,500 Hz电 源,感应移相器则用到上千赫兹以上电源。由于信 号电机电气精度高、阻抗高、工作电压低,故试验电 源多选用信号发生器功率档作电源。信号发生器频 率范围宽、稳定度高,波形失真小,5 w功率档完全 能满足信号电机测试要求,面板上配有阻抗匹配档 供使用选择,非常方便。 使用时应注意的是被试电机机壳和电源“地” 端应一点接地,否则干扰易窜入,相敏指零仪指针会 出现抖动,影响测试准确性。在满足电机电压幅值 前提下,信号发生器应尽量选择低阻抗输出档。因 为电源阻抗越低,输出电压越稳定。因信号发生器 频率范围很宽,故也常用于几十千赫兹感应移相器 的试验电源。另外,现代线性程控电源具有频率、幅 值非常稳定及调节方便的优点,适用于旋转变压器 精度检测时供电。但这种电源的容量较小,具有较 灵敏的过流及过压保护功能,旋转变压器在测精度 时,会频繁切换输出绕组接线,在切换断开绕组瞬间 就可能产生反电势过压并回馈至电源,从而造成程 控电源进入过电压保护状态而停止输出。有效的处 置方法是在电源的输出端并联适当的阻容串联吸收 回路,降低反电势造成的过冲电压,即可维持电源正 常工作 4 50 Hz调频电源 用直流电动机驱动的交流变频发电机组,可否 改用异步电动机驱动? 试验室中供电机试验用的交流变频发电机组, 传统多采用直流电动机驱动。主要是直流电动机具 有调速方便的特点,便于达到机组输出电源频率可 调的要求。例如一台频率为45~65 Hz可调频的4 极交流变频发电机,驱动时直流电动机的转速能在 1 350~1 950r/min范围内调速,即可满足调频要 求。但大功率直流电动机的起动电路复杂,系统维 护保养困难,且需要直流电源供电。若改用异步电 动机驱动,必须采用变频器供电。只要调速范围宽, 且相应容量能满足要求,就会使整个系统变得简捷。 它还可通过变频器的输入控制端子,引入速度负反 馈信号,构成异步电动机的自动稳速系统,就能达到 交流变频发电机某一设定频率的稳频输出。 电机试验室的交流变频发电机组,为什么不宜 用SPWM变频器代替? 供电机试验用的交流电源,有严格的技术指标 要求,不仅要求在一定的范围内分别调频调压,而且 对电源的波形畸变、谐波成分都有相应的规范。目 前用于驱动交流电动机的变频器,往往伴有较多的 (下转第79页) 触持电棚 2013 fl ̄41卷第10期 … . …………一 上海申克宝山新工厂落成 2013年9月28日,上海申克机械有限公司位于上海市 供服务支持,同时,也进一步确立上海申克在亚太地区研发 与技术中心的地位,并更加坚定杜尔集团开拓中国及亚太市 场的信心。 宝山区的新工厂落成并举办开幕庆典。这一现代工业综合 体将涵盖面积达22 000 m 的生产区域和7 400 nl 的办公 区域。Schenck RoTec隶属于杜尔集团,每年在中国为汽车 和通用工业的客户生产约1 000台平衡试验机并出口约 可调节距线性驱动器 美国Amacoil公司研制的RG型线性驱动器有10:1的 节距控制,可调整驱动器的线性节距。目前有17种规格,每 一30%的产品。宝山新工厂将上海申克机械有限公司四个事 业单元“平衡与测试系统、工业清洗系统、加注技术及测试和 总装产品”全部整合到一起。新厂的建立将进一步加强物 流、生产、工程和管理各方面的协同能力,更有效地为用户提 种规格均有一特殊的最大线性节距(驱动器转轴每旋转 次就向前移动的距离)。用户可以0.01的增量进行100 一种节距控制设定。可调节距的特点是允许变速驱动系统使 驱动电动机保持转速转动,且无需实施改造或调整。一旦确 定,节距将保持不变,与驱动电动机转速无关。 当要求一特别的线性节距范围时,可将转轴经皮带或皮 带轮连至驱动轴,通过二皮带轮的比来估算线性节距范围。 驱动器的滚全轴承可调整线性节距,并利用调整节距控制轴 承与轴之间的夹角。调整节距控制改变轴承角能进一步改 变驱动器节距,使驱动器转轴每转动一次变得更快或更慢, 有效地改变驱动器的线性速度不受电动机的转速限制。 以上1则由杜宗潆提供 图1上海申克新厂内部图 (上接第75页) [3]Acarnley P P,Hill R J,Hooper C W.Detection of rotor position in stepping and switched motors by monitoring of current waveforms [12]屈莉莉,杨兆华.基于电流解耦控制的三相电压型PWM整流 系统分析与设计[J].电工技术学报,2007(22):52—57. [13] 田亚菲,何继爱.电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法仿真 实现及分析[J].电力系统及其自动化学报,2004(8):68-71. [14] 马小珍,徐金榜.一种改进的PWM整流器空间矢量控制算法 [J].华中科技大学学报(自然科学版),2005(2):50—53. [J].IEEE Trans Ind Eletron,1985,32(3):215-222. [4] 李毓洲,赵克刚.开关磁阻电机扩展卡尔曼滤波无位置传感 器控制的研究[J].微电机,2010(8):62—65. 『5] Salmasi F R.Sensorless control of the switched reluctance motor drive based on back EMF estimation『M].Texas A&M Universi. ty,2002. [15] 杨贵杰,孙力.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机 工程学报,2001(5):79—83. [16]Divandari M,Koochaki A,Maghsoodloo A,et a1.High perform— ance SRM drive with hybrid observer and fuzzy logic torque rip— [6] 苏兰欣.基于FPGA的开关磁阻开关磁阻电机间接位置检测 算法研究与实现[D].天津工业大学,2008. [7] Ehsani M,Husain I,Kulkarni A B.Elimination of discrete position sensor and current sensor in switched reluctance motor drives[J]. IEEE Trans.Ind.App1.,1992,28(1):128—135. ple minimization[J].IEEE International Symposium on Industry Electronics,2007:1230~1235. [17] 万文斌,陈鹏程,苏振东.基于MARS的永磁同步电机无速度 传感器滑膜控制研究[J].电气自动化,2011,3(2):7—10. [1 8] Mese E,Torrey D A.An approach for sensorless position estima— tion for switched reluctance motors using artiifcal neural networks [8] 王旭东,孙奕黄.无位置传感器开关磁阻电动机位置的检测与 预报[J].中国电机工程学报,2002(7):5—8. [9] 罗建武,詹琼华.基于检测绕组的开关磁阻电动机磁链实时测 量[J].微特电机,2005,33(2):38—41. 10 1 Urbanski K.Zawirski K.Rotor position observer for sensorless con— [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17:66—75. [19]夏长亮,王明超,史婷娜,等.基于神经网络的开关磁阻电机 无位置传感器控制[J].中国电机工程学报,2005,25(13): 123—128. trol of SRM[C]//XIX Symposium Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits.Maribor,Slovenia.2006:161—162. [2O]何伟挺.无位置传感器的开关磁阻电动机[D].杭州:浙江大 学,2006. [11]Ye Y,Kazerani M,Quintana V H.A novel modeling and control method for three—phase PWM converters[C]//2001 IEEE 32th Annual PESC.2001:102—107. [21] 范维栋.基于基准磁链法德开关磁阻电动机无位置传感器位 置角检测[D],淄博:山东理工大学,2010. (上接第78页) 高次谐波成分,且波形中夹杂的尖峰脉冲毛剌更是 难以滤除。而交流变频发电机组所输出的交流电 器不宜代替试验室的交流变频发电机组。 参考文献 [1]张文海,梁功勋.微特电机实用技术问答[M].北京:电子工业 出版社,2011. 压,不仅无上述弊端,而且能承受电机试验中的过电 流、过电压冲击。因此,电机电参数的测试中,交频 79