直流電機的基礎(chǔ)知識-第三部分

1、直流電機的基礎(chǔ)知識/第三部分直流調(diào)速的主電路形式和整機電路構(gòu)成 直流電機需要直流電源的供給，這要求一個能將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷碾娫囱b置。另外，直流電機的起/停、保護、調(diào)速等控制電路，也常常與直流電源集成于一體，稱為直流調(diào)速裝置或直流調(diào)速器。早期對直流電機的調(diào)速控制，用直流發(fā)電機作直流電機的直流電源，用接觸器配合變阻箱實現(xiàn)直流電機的啟/?？刂坪驼{(diào)速，系統(tǒng)繁雜、造價高。后期由于晶閘管等電力電子器件的成熟應(yīng)用，出現(xiàn)了靜止式直流調(diào)速裝置，系統(tǒng)配置變得精簡，而控制性能大幅度提升。國內(nèi)外，有一些專業(yè)廠家，專門生產(chǎn)了專用于直流電機調(diào)速的系列產(chǎn)品，進口產(chǎn)品如英國歐陸傳動系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的590+直流數(shù)字式調(diào)速

2、器、ABB（瑞典阿西亞公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成）集團公司生產(chǎn)的DCS400晶閘管變流器直流傳動系統(tǒng)等，國內(nèi)生產(chǎn)廠家更是林林總總，不下百家。其產(chǎn)品范圍囊括了大、中、小功率，他勵、自勵直流電機的調(diào)速控制。1、小功率直流電機調(diào)速器的主電路形式：圖1 小功率電機調(diào)速器的主電路形式小功率直流電機，串、并勵結(jié)構(gòu)都有，上圖（a）、（b）為串勵直流電機所用的調(diào)壓電路，電樞和勵磁采用同一電源供電。（a）電路，當電源L端為電壓極性為正時，形成SCR1電機繞組回路D2，回到電源N端；L端為電壓極性為負時，形成SCR2電機繞組回路D1電源N端的電流通路。從分析得出，SCR1與D2相串聯(lián)，故控制SCR1的導通

3、角，即可實現(xiàn)可控整流。這種由二極管和晶閘管構(gòu)成的整流橋電路，又稱半控橋調(diào)壓電路。假定兩只晶閘管處于最大導通角，電路形同一個橋式整流器，輸入AC220V，輸出整流電壓為220V0.9=198V，故調(diào)壓范圍約為0198V；（b）電路，兩只可控硅位于整流橋的上橋臂，仍呈現(xiàn)SCR1、D2和SCR2、D1的串聯(lián)整流模式，故控制兩只晶閘管的移相角，來實現(xiàn)0198V的調(diào)壓，實施對串勵直流電機的調(diào)速控制。部分電路中還加有續(xù)流二極管D3，以使負載（繞組）中的電流連續(xù)，運行平穩(wěn)及保持較高的力矩輸出?？煽卣麟妷弘妷旱膹?起調(diào)，因最小導通角受限，換言之，即最大移相角的受限，是從0V突跳至一定電壓值（如20V），故實

4、際可調(diào)范圍為20198V，但調(diào)至20V后，能“跳”至0V，也能使晶閘管關(guān)斷。橋式整流電路的4個元件，每只元件承受最大正向電壓為220V1.41=310V，承受反向電壓峰值為220V1.57=345V，每只元件的流通電流，為整流（負載）電流的0.5倍。晶閘管最大導通角180。元件選用規(guī)則：耐壓值選700V以上，電流值為正向電流值3。早期調(diào)速器產(chǎn)品的主電路，多采用分立元件構(gòu)成，后期的小功率調(diào)速器的主電路，多采用晶閘管模塊，圖1主電路的（a）、（b）電路，為單只晶閘管模塊所取代，而且模塊也內(nèi)含續(xù)流二極管。（c）電路，適用于他勵直流電機，電樞供電是由晶閘管橋式可控整流電路構(gòu)成，勵磁電源多為由四只二極管

5、（或整流模塊）構(gòu)成的橋式整流電路，勵磁電壓為固定整流電壓，為基速以下的降速調(diào)節(jié)運行。稱為基速以下滿勵運行；極少數(shù)電機，勵磁電源也為晶閘管調(diào)壓（與電樞電源結(jié)構(gòu)一樣），可對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，故可實現(xiàn)基速以上弱磁運行。2、中、大功率他勵直流電機調(diào)速器的主電路形式：圖2 大功率他勵直流電機調(diào)速器的主電路及勵磁電路的典型結(jié)構(gòu)中、大功率他勵直流電機，采用三相動力電源作為輸入電源，電樞供電電源由六只單向晶閘管（三只雙晶閘管模塊）構(gòu)成，稱為“全控橋”可控整流電路，當固定輸出最大勵磁電流時，通過調(diào)節(jié)電樞繞組的供電電壓，來實現(xiàn)基速下的降速調(diào)節(jié)（恒轉(zhuǎn)矩運行）；勵磁電源多為半控橋可控整流電路結(jié)構(gòu)，當電樞施以最高電壓時

6、，進行弱磁調(diào)節(jié)（恒功率運行），又可實現(xiàn)基速以上的升速調(diào)節(jié)。圖2為典型主電路結(jié)構(gòu)，如歐陸590、ABB DCS400等系統(tǒng)列數(shù)字調(diào)速器，都是采用這種電路結(jié)構(gòu)。易于與另一組反向的主電路進行并聯(lián)連接，實現(xiàn)所控制電機的四象限運行（見下圖5）。三相橋式全控整流電路原理圖如圖2（a）所示。它由三相半波共陰極接法(SCR1、SCR3、SCR5)和三相半波共陽極接法(SCR2、SCR4、SCR6)的晶閘管串聯(lián)組合。其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構(gòu)成電流通路（如SCR1、SCR6同時被觸發(fā)開通，形成電源A相正半波電流通路），因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導通，必須對不同組別應(yīng)到導通

7、的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以對觸發(fā)脈沖的寬度有要求（60），圖中6個晶閘管的組合導通順序是SCR1-SCR6-SCR3-SCR2-SCR5-SCR4，輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，故該電路又可稱為6脈動整流電路，直流脈沖動頻率為300Hz。圖（a）電路輸入為三相380V AC電源，晶閘管處于最大導通角時，等同于三相橋式整流電路，輸出電壓值為380V1.35=513V，為適應(yīng)直流電機的供電要求，實際輸出可調(diào)電壓范圍多為0450V左右。每只晶閘管承受最大正向電壓值為380V1.41=535V，承受反向峰值電壓為380V1.05=399V，每只管子的流通電流為整流直流電流（Iz）的0.3

8、33倍。元件選用與代換規(guī)則：耐壓值為380V31140V，實際選用1200V或1600V的元件或模塊；電流值為正向電流值3，按負載（整流電流Iz值）選用即可。圖中（b）電路，為半控橋式整流電路，可根據(jù)工作現(xiàn)場（負載）對轉(zhuǎn)速范圍的要求，切換引入AC220V或AC380V單相電源。3、直流電機調(diào)速器非典型的主電路形式：圖3 直流電機調(diào)速器的非典型主電路結(jié)構(gòu)圖3的電路結(jié)構(gòu)雖然不夠典型，但在實際的調(diào)速器設(shè)備中，應(yīng)用也較為常見。（a）電路是先將輸入AC220V整流成198V的脈動直流電壓，再由一只晶閘管SCR1受控整流成0198V的可調(diào)直流電壓輸出。由于整流電壓為100Hz的脈動直流，也具有自然電壓過零

9、點，因而可以直接從整流電壓端取出過零點（同步）信號，用于移相電路生成移相脈沖信號。圖（b）電路，則是先用雙向晶閘管對輸入電源進行交流調(diào)壓，再由橋式整流器整流輸出的。應(yīng)該說，雙向晶閘管在直流調(diào)壓（速）電路中的出現(xiàn)是較為罕見的，直流調(diào)壓，顧名思義，是將交流電轉(zhuǎn)化單向直流電流的，按說雙向晶閘管是派不上用場的呀。圖（b）應(yīng)用，也算是較為“另類”的直流調(diào)壓電路了。上圖兩種單相整流調(diào)壓電路與圖1的（a）、（b）電路相比，雖然元件數(shù)量上有所增多（多了一只器件），但總的電路成本卻有所降低（晶閘管數(shù)量少，而二極管的價格遠比晶閘管低）。與此同時，同步采樣電路和觸發(fā)電路，也相應(yīng)簡化，只需一路同步采樣電路和觸發(fā)電路即

10、可以了。圖（c）電路，將下三臂晶閘管器件，換成了三只二極管（當然也可以將上三臂換為二極管）器件，從而使整體造價大為下降，同步采樣和觸發(fā)電路當然也同步簡化。與圖2的（a）電路相比，省去了三路同步采樣和觸發(fā)電路。但缺點是半控橋輸出電壓脈動大，因采用二極管作為主電路整流元件，不能反向并聯(lián)連接使電機實現(xiàn)四象限運行，僅適用于單方向無級調(diào)速及一般電阻負載的可控整流設(shè)備中。4、直流調(diào)速器的四象限運行主電路結(jié)構(gòu)：1）單相整流調(diào)壓四象限運行主電路。圖4 單相整流調(diào)壓的四象限運行主電路有的工作場所要求直流電機能實現(xiàn)四象限運行，即可以運行于“正向運轉(zhuǎn)、正向制動和反向運轉(zhuǎn)、反向制動”四個工作模式中。如果正、反轉(zhuǎn)運行不

11、是很頻繁，主電路直流輸出端外接兩只接觸器，像控制交流電動機正、反轉(zhuǎn)一樣，利用切換電樞供電電壓的極性來實施正、反轉(zhuǎn)控制，應(yīng)該也是可行的。但接觸器切換控制不適應(yīng)頻繁切換、易燒熔觸點、使命壽命短、維修工作量大等缺點，因而實際應(yīng)用電路是利用兩套整流調(diào)壓電路來切換輸出電壓極性，采用晶閘管的好處，是實現(xiàn)了無觸點切換，無切換火花，且易于實現(xiàn)“弱電”的智能化控制。圖4左側(cè)電路，是利用兩組全控橋式晶閘管調(diào)壓電路，實施正反轉(zhuǎn)控制的，每組須用四只晶閘管器件，控制SCR1SCR4，可以使直流電機正轉(zhuǎn)調(diào)速運行；關(guān)斷SCR1SCR4，使SCR5SCR8受控開通，則可控制直流電機反轉(zhuǎn)運行。觸發(fā)電路需要8路。圖4右側(cè)電路，對

12、輸入交流電源橋式整流后，用SCR0單只晶閘管進行調(diào)壓后，再由SCR1SCR4四只晶閘管實現(xiàn)輸出電壓極性的“調(diào)向”，當SCR1和SCR4開通時，輸出電壓極性上正下負，直流電機正轉(zhuǎn)調(diào)速運行；當SCR2、SCR3開通時，輸出電壓極性變?yōu)樯县撓抡绷麟姍C反轉(zhuǎn)調(diào)速運行。電路省去了一組晶閘管全控整流橋，但增加了SCR0的調(diào)壓電路。在這里，輸出電壓高低的調(diào)整是由SCR0實現(xiàn)的，SCR1SCR4只工作于“開通”和“關(guān)斷”的兩個相對狀態(tài)下，相當四只開關(guān)器件，單純完成對輸出電壓極性切換的功能。調(diào)壓觸發(fā)需1路，晶閘管通斷控制發(fā)需4路。觸發(fā)、控制電路比左側(cè)電路簡化許多。2）三相整流調(diào)壓的四象限運行主電路結(jié)構(gòu)。圖5

13、三相整流調(diào)壓的四象限運行主電路結(jié)構(gòu)上圖每只晶閘管模塊內(nèi)含兩只單向晶閘管，可對輸入電源的正、負半波分別進行可控整流。當SCR7SCR12關(guān)斷，而SCR1SCR6被可控開通時，直流輸出端上正下負，電機正轉(zhuǎn)調(diào)速運行；當SCR7SCR12處于可控開通狀態(tài)，而SCR1SCR6處于關(guān)斷狀態(tài)時，直流輸出端上負下正，電機反轉(zhuǎn)調(diào)速運行。兩組電路都為三相全控橋接法，只是晶閘管極性相反而已。相應(yīng)的觸發(fā)電路也是兩套每套是相互獨立的6路觸發(fā)電路，如歐陸590、ABB DCS400等系統(tǒng)列數(shù)字調(diào)速器，除供應(yīng)普通兩象限運行的調(diào)速器外，也根據(jù)用戶要求提供采用圖5電路結(jié)構(gòu)的可供電機四象限運行的直流調(diào)速器，兩象限運行的調(diào)速器的線

14、路板，其實往往也預(yù)留了另一組觸發(fā)電路和主電路的安裝位置。5、直流電機調(diào)速器的整機構(gòu)成：直流電機調(diào)速器，無論簡單與復(fù)雜與否，低檔與高檔與否，國產(chǎn)和進口與否，其電路構(gòu)成都如圖6所示，大致包含了電樞調(diào)壓主電路、勵磁調(diào)壓主電路和同步信號采樣電路、整機控制電路的電源電路，控制信號輸入/輸出電路、輸出電流和電壓檢測（保護）電路，移相觸發(fā)信號形成電路和觸發(fā)功放電路等幾個部分。圖6 直流電機調(diào)速器的整機電路結(jié)構(gòu)晶閘管調(diào)壓主電路、控制電源、同步信號采樣電路、移相信號形成電路、觸發(fā)（功放）電路等可稱之調(diào)速器的基本電路，這是任何直流調(diào)速器都必備的幾個環(huán)節(jié)；輸出電壓檢測、輸出電流檢測電路，有時還包括輸入電壓（缺相）檢測、晶閘管模塊溫度檢測電路，可統(tǒng)稱為晶閘管的保護電路，此為輔助電路之一；各種輸入、輸出信號控制信號處理電路，是提升了設(shè)備的可操作控制功能，完成對直流電機的起停、調(diào)速、反饋信號處理、調(diào)速器工作狀態(tài)的指示等，此為輔助電路之二。高、低檔機型的區(qū)別和差異，更多地從輔助電路的設(shè)計上可看得出來。其中，主電路結(jié)構(gòu)無論何種機型，都是相同的；同步信號采樣電路與觸發(fā)電路，都是大同小異的。移相、保護信號形成電路和控制信號形成電路，則具機型不同，而呈現(xiàn)較大的差異，如對控制信號、保護信號和移相信