直流电机的基础知识-第三部分

1直流电机的基础知识/第三部分——直流调速的主电路形式和整机电路构成直流电机需要直流电源的供给，这要求一个能将交流电转变为直流电的电源装置。另外，直流电机的起/停、保护、调速等控制电路，也常常与直流电源集成于一体，称为直流调速装置或直流调速器。早期对直流电机的调速控制，用直流发电机作直流电机的直流电源，用接触器配合变阻箱实现直流电机的启/停控制和调速，系统繁杂、造价高。后期由于晶闸管等电力电子器件的成熟应用，出现了静止式直流调速装置，系统配置变得精简，而控制性能大幅度提升。国内外，有一些专业厂家，专门生产了专用于直流电机调速的系列产品，进口产品如英国欧陆传动系统有限公司生产的《590+直流数字式调速器》、ABB（瑞典阿西亚公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成）集团公司生产的《DCS400晶闸管变流器直流传动系统》等，国内生产厂家更是林林总总，不下百家。其产品范围囊括了大、中、小功率，他励、自励直流电机的调速控制。1、小功率直流电机调速器的主电路形式：D1AC220VDC+(A1)SCR2SCR1D2DC-(A2)AC220VD1AC220VDC+(A1)SCR2SCR1D2DC-(A2)DC+(F1)DC-(F2)（a）主电路形式1（b）主电路形式2（c）主电路形式3D3D4D5D6SCR2DC+(A1)SCR1D1D2DC-(A2)LNLND3图1小功率电机调速器的主电路形式小功率直流电机，串、并励结构都有，上图（a）、（b）为串励直流电机所用的调压电路，电枢和励磁采用同一电源供电。（a）电路，当电源L端为电压极性为正时，形成SCR1→电机绕组回路→D2，回到电源N端；L端为电压极性为负时，形成SCR2→电机绕组回路→D1→电源N端的电流通路。从分析得出，SCR1与D2相串联，故控制SCR1的导通角，即可实现可控整流。这种由二极管和晶闸管构成的整流桥电路，又称半控桥调压电路。假定两只晶闸管处于最大导通角，电路形同一个桥式整流器，输入AC220V，输出整流电压为220V×0.9=198V，故调压范围约为0~198V；（b）电路，两只可控硅位于整流桥的上桥臂，仍呈现SCR1、D2和2SCR2、D1的串联整流模式，故控制两只晶闸管的移相角，来实现0~198V的调压，实施对串励直流电机的调速控制。部分电路中还加有续流二极管D3，以使负载（绕组）中的电流连续，运行平稳及保持较高的力矩输出。可控整流电压电压的从0起调，因最小导通角受限，换言之，即最大移相角的受限，是从0V突跳至一定电压值（如20V），故实际可调范围为20~198V，但调至20V后，能“跳”至0V，也能使晶闸管关断。桥式整流电路的4个元件，每只元件承受最大正向电压为220V×1.41=310V，承受反向电压峰值为220V×1.57=345V，每只元件的流通电流，为整流（负载）电流的0.5倍。晶闸管最大导通角180°。元件选用规则：耐压值选700V以上，电流值为正向电流值×3。早期调速器产品的主电路，多采用分立元件构成，后期的小功率调速器的主电路，多采用晶闸管模块，图1主电路的（a）、（b）电路，为单只晶闸管模块所取代，而且模块也内含续流二极管。（c）电路，适用于他励直流电机，电枢供电是由晶闸管桥式可控整流电路构成，励磁电源多为由四只二极管（或整流模块）构成的桥式整流电路，励磁电压为固定整流电压，为基速以下的降速调节运行。称为基速以下满励运行；极少数电机，励磁电源也为晶闸管调压（与电枢电源结构一样），可对励磁电流进行调节，故可实现基速以上弱磁运行。2、中、大功率他励直流电机调速器的主电路形式：D1SCR2D2DC+(F1)DC-(F2)DC+(A1)DC-(A2)L1L2L3L（L1）N（L3）SCR1SCR3SCR5（a）电枢直流电源主电路（b）励磁直流电源电路SCR2SCR4SCR6Iz图2大功率他励直流电机调速器的主电路及励磁电路的典型结构中、大功率他励直流电机，采用三相动力电源作为输入电源，电枢供电电源由六只单向晶闸管（三只双晶闸管模块）构成，称为“全控桥”可控整流电路，当固定输出最大励磁电流时，通过调节电枢绕组的供电电压，来实现基速下的降速调节（恒转矩运行）；励磁电源多为半控桥可控整流电路结构，当电枢施以最高电压时，进行弱磁调节（恒功率运行），又可实3现基速以上的升速调节。图2为典型主电路结构，如欧陆590、ABBDCS400等系统列数字调速器，都是采用这种电路结构。易于与另一组反向的主电路进行并联连接，实现所控制电机的四象限运行（见下图5）。三相桥式全控整流电路原理图如图2（a）所示。它由三相半波共阴极接法(SCR1、SCR3、SCR5)和三相半波共阳极接法(SCR2、SCR4、SCR6)的晶闸管串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路（如SCR1、SCR6同时被触发开通，形成电源A相正半波电流通路），因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以对触发脉冲的宽度有要求（≥60°），图中6个晶闸管的组合导通顺序是SCR1-SCR6-SCR3-SCR2-SCR5-SCR4，输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，故该电路又可称为6脉动整流电路，直流脉冲动频率为300Hz。图（a）电路输入为三相380VAC电源，晶闸管处于最大导通角时，等同于三相桥式整流电路，输出电压值为380V×1.35=513V，为适应直流电机的供电要求，实际输出可调电压范围多为0~450V左右。每只晶闸管承受最大正向电压值为380V×1.41=535V，承受反向峰值电压为380V×1.05=399V，每只管子的流通电流为整流直流电流（Iz）的0.333倍。元件选用与代换规则：耐压值为380V×3≈1140V，实际选用1200V或1600V的元件或模块；电流值为正向电流值×3，按负载（整流电流Iz值）选用即可。图中（b）电路，为半控桥式整流电路，可根据工作现场（负载）对转速范围的要求，切换引入AC220V或AC380V单相电源。3、直流电机调速器非典型的主电路形式：LD3DC+(A1)D2D4DC-(A2)D1SCR1L1D1D2SCR1D3L2L3DC+(A1)DC-(A2)SCR2SCR3（a）单相整流调压电路1（c）三相整流调压电路D3D2D4D1SCR1DC+(A1)DC-(A2)NLN（b）单相整流调压电路1图3直流电机调速器的非典型主电路结构图3的电路结构虽然不够典型，但在实际的调速器设备中，应用也较为常见。（a）电路是先将输入AC220V整流成198V的脉动直流电压，再由一只晶闸管SCR1受控整流成0~198V的可调直流电压输出。由于整流电压为100Hz的脉动直流，也具有自然电压过零点，因而可以直接从整流电压端取出过零点（同步）信号，用于移相电路生成移相脉冲信号。图（b）电路，则是先用双向晶闸管对输入电源进行交流调压，再由桥式整流器整流输出的。应该说，4双向晶闸管在直流调压（速）电路中的出现是较为罕见的，直流调压，顾名思义，是将交流电转化单向直流电流的，按说双向晶闸管是派不上用场的呀。图（b）应用，也算是较为“另类”的直流调压电路了。上图两种单相整流调压电路与图1的（a）、（b）电路相比，虽然元件数量上有所增多（多了一只器件），但总的电路成本却有所降低（晶闸管数量少，而二极管的价格远比晶闸管低）。与此同时，同步采样电路和触发电路，也相应简化，只需一路同步采样电路和触发电路即可以了。图（c）电路，将下三臂晶闸管器件，换成了三只二极管（当然也可以将上三臂换为二极管）器件，从而使整体造价大为下降，同步采样和触发电路当然也同步简化。与图2的（a）电路相比，省去了三路同步采样和触发电路。但缺点是半控桥输出电压脉动大，因采用二极管作为主电路整流元件，不能反向并联连接使电机实现四象限运行，仅适用于单方向无级调速及一般电阻负载的可控整流设备中。4、直流调速器的四象限运行主电路结构：1）单相整流调压四象限运行主电路。单相调压四象限运行电路1LSCR1-SCR4N+（-）/A1-（+）/A2SCR5-SCR8LSCR0ND1D2D3D5SCR1SCR2SCR3SCR4+（-）/A1-（+）/A2单相调压四象限运行电路2图4单相整流调压的四象限运行主电路有的工作场所要求直流电机能实现四象限运行，即可以运行于“正向运转、正向制动和反向运转、反向制动”四个工作模式中。如果正、反转运行不是很频繁，主电路直流输出端外接两只接触器，像控制交流电动机正、反转一样，利用切换电枢供电电压的极性来实施正、反转控制，应该也是可行的。但接触器切换控制不适应频繁切换、易烧熔触点、使命寿命短、维修工作量大等缺点，因而实际应用电路是利用两套整流调压电路来切换输出电压极性，采用晶闸管的好处，是实现了无触点切换，无切换火花，且易于实现“弱电”的智能化控制。图4左侧电路，是利用两组全控桥式晶闸管调压电路，实施正反转控制的，每组须用四只晶闸管器件，控制SCR1~SCR4，可以使直流电机正转调速运行；关断SCR1~SCR4，使SCR5~SCR8受控开通，则可控制直流电机反转运行。触发电路需要8路。5图4右侧电路，对输入交流电源桥式整流后，用SCR0单只晶闸管进行调压后，再由SCR1~SCR4四只晶闸管实现输出电压极性的“调向”，当SCR1和SCR4开通时，输出电压极性上正下负，直流电机正转调速运行；当SCR2、SCR3开通时，输出电压极性变为上负下正，直流电机反转调速运行。电路省去了一组晶闸管全控整流桥，但增加了SCR0的调压电路。在这里，输出电压高低的调整是由SCR0实现的，SCR1~SCR4只工作于“开通”和“关断”的两个相对状态下，相当四只开关器件，单纯完成对输出电压极性切换的功能。调压触发需1路，晶闸管通断控制发需4路。触发、控制电路比左侧电路简化许多。2）三相整流调压的四象限运行主电路结构。+/-(A1)-/+(A2)L1L2L3SCR1SCR3SCR5SCR2SCR4SCR6SCR7SCR8SCR9SCR10SCR11SCR12图5三相整流调压的四象限运行主电路结构上图每只晶闸管模块内含两只单向晶闸管，可对输入电源的正、负半波分别进行可控整流。当SCR7~SCR12关断，而SCR1~SCR6被可控开通时，直流输出端上正下负，电机正转调速运行；当SCR7~SCR12处于可控开通状态，而SCR1~SCR6处于关断状态时，直流输出端上负下正，电机反转调速运行。两组电路都为三相全控桥接法，只是晶闸管极性相反而已。相应的触发电路也是两套——每套是相互独立的6路触发电路，如欧陆590、ABBDCS400等系统列数字调速器，除供应普通两象限运行的调速器外，也根据用户要求提供采用图5电路结构的可供电机四象限运行的直流调速器，两象限运行的调速器的线路板，其实往往也预留了另一组触发电路和主电路的安装位置。5、直流电机调速器的整机构成：直流电机调速器，无论简单与复杂与否，低档与高档与否，国产和进口与否，其电路构成都如图6所示，大致包含了电枢调压主电路、励磁调压主电路和同步信号采样电路、整机控制电路的电源电路，控制信号输入/输出电路、输出电流和电压检测（保护）电路，移相触发信号形成电路和触发功放电路等几个部分。6SCR电源输入晶闸管（调压）主电路控制电源（开关电源）同步信号采样电路励磁（主）电路电枢电源（输出）励磁电源输出电流检测电路输出电压检测电路励磁（晶闸管）触发电路电枢调压（晶闸管）触发电路控制板移相、保护信号处理（模拟/数字硬件电路）（单片机软/硬件电路）控制信号处理电路外部控制信号/输出信号（起停、调速、速度反馈输入等）（运行、故障信号输出等）（输出）图6直流电机调速器的整机电路结构晶闸管调压主电路、控制电源、同步信号采样电路、移相信号形成电路、触发（功放）电路等可称之调速器的基本电路，这是任何直流调速器都必备的几个环节；输出电压检测、输出电流检测电路，有时还包括输入电压（缺相）检测、晶闸管模块温度检测电路，可统称为晶闸管的保护电路，此为辅助电