直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

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直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)_第三部分

直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)/第三部分

--直流調(diào)速的主電路形式和整機(jī)電路構(gòu)成

直流電機(jī)需要直流電源的供給，這要求一個(gè)能將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷碾娫囱b置。另外，直流電機(jī)的起/停、保護(hù)、調(diào)速等控制電路，也往往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(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制，用直流發(fā)電機(jī)作直流電機(jī)的直流電源，用接觸器協(xié)同變阻箱實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的啟/?？刂坪驼{(diào)速，系統(tǒng)繁雜、造價(jià)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(jiǎn)，而控制性能大幅度提升。國(guó)內(nèi)外，有一些專業(yè)廠家，專門生產(chǎn)了專用于直流電機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，進(jìn)口產(chǎn)品如英國(guó)歐陸傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的《590+直流數(shù)字式調(diào)速器》、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(tuán)公司生產(chǎn)的《DCS400晶閘管變流器直流傳動(dòng)系統(tǒng)》等，國(guó)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(lì)、自勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速控制。

1、小功率直流電機(jī)調(diào)速器的主電路形式：

圖1小功率電機(jī)調(diào)速器的主電路形式

小功率直流電機(jī)，串、并勵(lì)結(jié)構(gòu)都有，上圖（a）、（b）為串勵(lì)直流電機(jī)所用的調(diào)壓電路，電樞和勵(lì)磁采用同一電源供電。（a）電路，當(dāng)電源L端為電壓極性為正時(shí)，形成SCR1→電機(jī)繞組回路→D2，回到電源N端；L端為電壓極性為負(fù)時(shí)，形成SCR2→電機(jī)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(dǎo)通角，即可實(shí)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(dǎo)通角，電路形同一個(gè)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0~198V；（b）電路，兩只可控硅位于整流橋的上橋臂，仍浮現(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(lái)實(shí)現(xiàn)0~198V的調(diào)壓，實(shí)施對(duì)串勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速控制。部分電路中還加有續(xù)流二極管D3，以使負(fù)載（繞組）中的電流連續(xù)，運(yùn)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(dǎo)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(shí)際可調(diào)范圍為20~198V，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(gè)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(fù)載）電流的0.5倍。晶閘管最大導(dǎo)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。

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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(lì)直流電機(jī)，電樞供電是由晶閘管橋式可控整流電路構(gòu)成，勵(lì)磁電源多為由四只二極管（或整流模塊）構(gòu)成的橋式整流電路，勵(lì)磁電壓為固定整流電壓，為基速以下的降速調(diào)理運(yùn)行。稱為基速以下滿勵(lì)運(yùn)行；極少數(shù)電機(jī)，勵(lì)磁電源也為晶閘管調(diào)壓（與電樞電源結(jié)構(gòu)一樣），可對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)理，故可實(shí)現(xiàn)基速以上弱磁運(yùn)行。

2、中、大功率他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速器的主電路形式：

圖2大功率他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速器的主電路及勵(lì)磁電路的典型結(jié)構(gòu)

中、大功率他勵(lì)直流電機(jī)，采用三相動(dòng)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(dāng)固定輸出最大勵(lì)磁電流時(shí)，通過(guò)調(diào)理電樞繞組的供電電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)基速下的降速調(diào)理（恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行）；勵(lì)磁電源多為半控橋可控整流電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)電樞施以最高電壓時(shí)，進(jìn)行弱磁調(diào)理（恒功率運(yùn)行），又可實(shí)現(xiàn)基速以上的升速調(diào)理。圖2為典型主電路結(jié)構(gòu)，如歐陸590、ABBDCS400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(jìn)行并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)所控制電機(jī)的四象限運(yùn)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(yáng)極接法(SCR2、SCR4、SCR6)的晶閘管串聯(lián)組合。其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路（如SCR1、SCR6同時(shí)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(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必需對(duì)不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以對(duì)觸發(fā)脈沖的寬度有要求（≥60），圖中6個(gè)晶閘管的組合導(dǎo)通順序是SCR1-SCR6-SCR3-SCR2-SCR5-SCR4，輸出脈動(dòng)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(dòng)整流電路，直流脈沖動(dòng)頻率為300Hz。

圖（a）電路輸入為三相380VAC電源，晶閘管處于最大導(dǎo)通角時(shí)，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(jī)的供電要求，實(shí)際輸出可調(diào)電壓范圍多為0~450V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0.333倍。

元件選用與代換規(guī)則：耐壓值為380V3≈1140V，實(shí)際選用1200V或1600V的元件或模塊；電流值為正

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向電流值3，按負(fù)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(chǎng)（負(fù)載）對(duì)轉(zhuǎn)速范圍的要求，切換引入AC220V或AC380V單相電源。

3、直流電機(jī)調(diào)速器非典型的主電路形式：

圖3直流電機(jī)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(shí)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(dòng)直流電壓，再由一只晶閘管SCR1受控整流成0~198V的可調(diào)直流電壓輸出。由于整流電壓為100Hz的脈動(dòng)直流，也具有自然電壓過(guò)零點(diǎn)，因而可以直接從整流電壓端取出過(guò)零點(diǎn)（同步）信號(hào)，用于移相電路生成移相脈沖信號(hào)。圖（b）電路，則是先用雙向晶閘管對(duì)輸入電源進(jìn)行交流調(diào)壓，再由橋式整流器整流輸出的。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，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(shuō)雙向晶閘管是派不上用場(chǎng)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(jià)格遠(yuǎn)比晶閘管低）。與此同時(shí)，同步采樣電路和觸發(fā)電路，也相應(yīng)簡(jiǎn)化，只需一路同步采樣電路和觸發(fā)電路即可以了。

圖（c）電路，將下三臂晶閘管器件，換成了三只二極管（當(dāng)然也可以將上三臂換為二極管）器件，從而使整體造價(jià)大為下降，同步采樣和觸發(fā)電路當(dāng)然也同步簡(jiǎn)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(diǎn)是半控橋輸出電壓脈動(dòng)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(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，僅適用于單方向無(wú)級(jí)調(diào)速及一般電阻負(fù)載的可控整流設(shè)備中。

4、直流調(diào)速器的四象限運(yùn)行主電路結(jié)構(gòu)：

1）單相整流調(diào)壓四象限運(yùn)行主電路。

圖4單相整流調(diào)壓的四象限運(yùn)行主電路

有的工作場(chǎng)所要求直流電機(jī)能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，即可以運(yùn)行于正向運(yùn)轉(zhuǎn)、正向制動(dòng)和反向運(yùn)轉(zhuǎn)、反向制動(dòng)四個(gè)工作模式中。假使正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行不是很頻繁，主電路直流輸出端外接兩只接觸器，像控制交流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)一樣

，利用切換電樞供電電壓的極性來(lái)實(shí)施正、反轉(zhuǎn)控制，應(yīng)當(dāng)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(diǎn)、使命壽命短、維修工作量大等缺點(diǎn)，因而實(shí)際應(yīng)用電路是利用兩套整流調(diào)壓電路來(lái)切換輸出電壓極性，采用晶閘管的好處，是實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)切換，無(wú)切換火花，且易于實(shí)現(xiàn)弱電的

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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(shí)施正反轉(zhuǎn)控制的，每組須用四只晶閘管器件，控制SCR1~SCR4，可以使直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)行；關(guān)斷SCR1~SCR4，使SCR5~SCR8受控開通，則可控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。觸發(fā)電路需要8路。

圖4右側(cè)電路，對(duì)輸入交流電源橋式整流后，用SCR0單只晶閘管進(jìn)行調(diào)壓后，再由SCR1~SCR4四只晶閘管實(shí)現(xiàn)輸出電壓極性的調(diào)向，當(dāng)SCR1和SCR4開通時(shí)，輸出電壓極性上正下負(fù)，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)行；當(dāng)SCR2、SCR3開通時(shí)，輸出電壓極性變?yōu)樯县?fù)下正，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)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(shí)現(xiàn)的，SCR1~SCR4只工作于開通和關(guān)斷的兩個(gè)相對(duì)狀態(tài)下，相當(dāng)四只開關(guān)器件，單純完成對(duì)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(jiǎn)化大量。

2）三相整流調(diào)壓的四象限運(yùn)行主電路結(jié)構(gòu)。

圖5三相整流調(diào)壓的四象限運(yùn)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(duì)輸入電源的正、負(fù)半波分別進(jìn)行可控整流。當(dāng)SCR7~SCR12關(guān)斷，而SCR1~SCR6被可控開通時(shí)，直流輸出端上正下負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)行；當(dāng)SCR7~SCR12處于可控開通狀態(tài)，而SCR1~SCR6處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，直流輸出端上負(fù)下正，電機(jī)反轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)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(dú)立的6路觸發(fā)電路，如歐陸590、ABBDCS400等系統(tǒng)列數(shù)字調(diào)速器，除供應(yīng)普通兩象限運(yùn)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(jī)四象限運(yùn)行的直流調(diào)速器，兩象限運(yùn)行的調(diào)速器的線路板，其實(shí)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(jī)調(diào)速器的整機(jī)構(gòu)成：

直流電機(jī)調(diào)速器，無(wú)論簡(jiǎn)單與繁雜與否，低檔與高檔與否，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)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(lì)磁調(diào)壓主電路和同步信號(hào)采樣電路、整機(jī)控制電路的電源電路，控制信號(hào)輸入/輸出電路、輸出電流和電壓檢測(cè)（保護(hù)）電路，移相觸發(fā)信號(hào)形成電路和觸發(fā)功放電路等幾個(gè)部分。

圖6直流電機(jī)調(diào)速器

的整機(jī)電路結(jié)構(gòu)

晶閘管調(diào)壓主電路、控制電源、同步信號(hào)采樣電路、移相信號(hào)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(gè)環(huán)節(jié)；輸出電壓檢測(cè)、輸出電流檢測(cè)電路，有時(shí)還包括輸入電壓（缺相）檢測(cè)、晶閘管模塊溫度檢測(cè)電路，可統(tǒng)稱為晶閘管的保護(hù)電路，此為輔助電

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路之一；各種輸入、輸出信號(hào)--控制信號(hào)處理電路，是提升了設(shè)備的可操作控制功能，完成對(duì)直流電機(jī)的起停、調(diào)速、反饋信號(hào)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(jī)型的區(qū)別和差異，更多地從輔助電路的設(shè)計(jì)上可看得出來(lái)。

其中，主電路結(jié)構(gòu)無(wú)論何種機(jī)型，都是一致的；同步信號(hào)采樣電路與觸發(fā)電路，都是大同小異的。移相、保護(hù)信號(hào)形成電路和控制信號(hào)形成電路，則具機(jī)型不同，而浮現(xiàn)較大的差異，如對(duì)控制信號(hào)、保護(hù)信號(hào)和移相信號(hào)的處理，有的