直流電機(jī)原理及其電控調(diào)速系統(tǒng)

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產(chǎn)品技術(shù)

2023年第32期

總第110期

2023年09月04日發(fā)布

直流電機(jī)原理及其電控調(diào)速系統(tǒng)

產(chǎn)品事業(yè)部王大偉

導(dǎo)讀：直流電機(jī)相較于交流電機(jī)有其獨(dú)特的性能，其電機(jī)構(gòu)造以及控制系統(tǒng)也多有不同。

今天我們邀請(qǐng)產(chǎn)品事業(yè)部王大偉為大家講解一下直流電機(jī)原理及其調(diào)速技術(shù)，與大家一起學(xué)習(xí)探討。

直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

一、直流電機(jī)機(jī)構(gòu)。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)多種多樣，但原理相同。定子上有一對(duì)直流勵(lì)磁主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子上安裝有電樞鐵芯。線圈的首和尾分別連接到兩個(gè)圓弧形的銅片上，即換向片，換向片之間是絕緣的。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

1、定子：主磁極、換向磁極、機(jī)座、電刷

定子部分的主磁極的作用就是建立主磁場(chǎng)。絕大多數(shù)的直流電機(jī)的主磁極不是永久磁鐵，而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來建立磁場(chǎng)。

2、轉(zhuǎn)子：電樞鐵芯、電樞繞組、換向器

轉(zhuǎn)子部分的電樞鐵芯是主磁路的組成部分，電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按照一定規(guī)律鏈接組成，是直流電機(jī)的電路部分，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。

二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理。

直流電機(jī)基本原理為電磁力定律，產(chǎn)生力矩要兩個(gè)必要條件：

1）有一個(gè)磁場(chǎng)存在；

2）導(dǎo)體中有電流。

給直流電機(jī)電刷加上直流，則有電流流過線圈，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體將會(huì)受到電磁力的作用，方向則由左手定則判定。兩段導(dǎo)體受到的力，形成轉(zhuǎn)矩，于是轉(zhuǎn)子就會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。要注意的是直流電機(jī)外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，線圈中流過的電流卻是交流的，因此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向保持不變。

三、直流調(diào)速方法。

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

1．調(diào)阻調(diào)速：

（1）工作條件：

保持勵(lì)磁Φ=ΦN ；

保持電壓 U =UN ；

（2）調(diào)節(jié)過程：

增加電阻 Ra →R↑

R ↑→n↓，n0不變；

（3）調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速下降，調(diào)速范圍小，調(diào)速平滑性取決于調(diào)速電阻改變，機(jī)械特性曲線變軟，經(jīng)濟(jì)性差。

2、調(diào)磁調(diào)速：

（1）工作條件：

保持電壓 U =UN ；

保持電阻 R = R a ；

（2）調(diào)節(jié)過程：

減小勵(lì)磁 ΦN → Φ↓

Φ↓ → n ↑， n0 ↑

（3）調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速上升，調(diào)速范圍較小，平滑性相對(duì)調(diào)阻調(diào)速較平滑，機(jī)械特性曲線變軟。

3、調(diào)壓調(diào)速：

（1）工作條件：

保持勵(lì)磁 Φ =ΦN ；

保持電阻 R = Ra

（2）調(diào)節(jié)過程：

改變電壓 UN → U↓

U↓ →n ↓， n0 ↓

（3）調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。機(jī)械特性斜率不變，硬度不變，調(diào)速范圍較大。

4、三種調(diào)速方法的性能與比較：

對(duì)于礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來說，一般要求調(diào)速范圍廣，機(jī)械沖擊小。分析如下：

1）改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；

2）減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓調(diào)速。

因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。最常用的為三相橋式整流電路。

ASCS直流調(diào)速系統(tǒng)

一、直流調(diào)速系統(tǒng)圖。

二、硬件構(gòu)成。

1．全數(shù)字調(diào)節(jié)裝置

全數(shù)字調(diào)節(jié)裝置在硬件上采用可自由配置的模塊結(jié)構(gòu)，具體如下：

（1）基本模塊

基本模塊包括電源模塊、CPU模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、觸發(fā)脈沖形成模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。

如下圖所示，各模塊之間通過總線互相連接。

從左到右依次為：

1）電源模塊用于將24VDC轉(zhuǎn)換為15VDC和5VDC兩組電源，為其它模塊供電，電源模塊面板上設(shè)有LED指示燈，用于指示電源狀態(tài)。

2）CPU模塊用于控制總線上模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，并執(zhí)行用戶程序和系統(tǒng)自診斷。

3）輸入模塊用于將提升機(jī)系統(tǒng)某些運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)及電樞回路和磁場(chǎng)回路的故障保護(hù)信號(hào)輸入到直流調(diào)速系統(tǒng)。

4）輸出模塊用于控制輸出繼電器，將直流調(diào)速系統(tǒng)中的操作結(jié)果反應(yīng)到其它控制環(huán)節(jié)。

5）1#脈沖板用于觸發(fā)電樞回路的1#整流器，2#脈沖板用于觸發(fā)電樞回路的2#整流器，3#脈沖板用于觸發(fā)磁場(chǎng)回路的整流橋。

6）A/D模塊用于將電樞電流、磁場(chǎng)電流和測(cè)速機(jī)反饋速度等模擬信號(hào)輸入到直流調(diào)速系統(tǒng)中，以構(gòu)成速度閉環(huán)和電流閉環(huán)。

（2）除以上基本模塊外，系統(tǒng)還包含：信號(hào)處理模塊、脈沖放大模塊、零電流檢測(cè)模塊。

1）信號(hào)處理模塊對(duì)各整流柜中電流互感器的信號(hào)和測(cè)速機(jī)的信號(hào)進(jìn)行處理，并變換為0-8V電壓信號(hào)輸入到全數(shù)字調(diào)節(jié)器的A/D板中，作為電流反饋信號(hào)和速度反饋信號(hào)。

2）脈沖放大模塊對(duì)來自全數(shù)字調(diào)節(jié)器的脈沖觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后輸出到整流柜的功放板中觸發(fā)可控硅。

3）零電流檢測(cè)模塊檢測(cè)電樞或磁場(chǎng)回路電流是否為零，以此控制電樞或磁場(chǎng)換向。

2．電氣元件

（1）電流檢測(cè)元件

1）電流互感器

采用以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流互感器對(duì)整流器進(jìn)線電流進(jìn)行大電流檢測(cè)，其主要目的有兩個(gè)：一是使測(cè)量回路與電網(wǎng)隔離，可以保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全。二是可以使用小量程的儀表測(cè)量大電流。

2）電流LEM傳感器

此傳感器利用霍爾原理，來檢測(cè)電流大小，一般輸出0-5V，需要供電，安裝套在電纜上，不需要串在回路里，作用主要是采集電流信號(hào)，從而進(jìn)行保護(hù)，不參與控制。

3）分流器

分流器原理是在回路里串入一個(gè)很小阻值的電阻，通過測(cè)量其上的電壓來檢測(cè)電流，輸出電壓正常為毫伏級(jí)，主要用來給表頭供電，顯示輸出直流電流值。

（1）速度檢測(cè)元件

1）測(cè)速發(fā)電機(jī)

利用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所發(fā)出的電壓成正比來測(cè)量提升機(jī)的速度，有高速和低速兩種。在ASCS系統(tǒng)中，主要用來作為調(diào)節(jié)部分的主反饋，并引到PLC作為速度保護(hù)用。

（2）同步變壓器

將來自高壓PT柜的100V電壓降成27V左右，供給脈沖板作同步信號(hào)使用。

12脈動(dòng)情況下采用兩組，其相位為Y/Y-0和△/Y-1，分別對(duì)應(yīng)電樞變壓器的△/Y-11和Y/Y-0，使同步信號(hào)的相序滯后整流器動(dòng)力電30度。

（3）可控硅整流器

利用可控硅整流器通過控制角均勻調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)均勻改變，達(dá)到無級(jí)調(diào)速。

電動(dòng)機(jī)的換向可分為電樞換向和磁場(chǎng)換向兩種方式。

三、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1．雙閉環(huán)模型

雙閉環(huán)是直流調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)型式，是由電流和轉(zhuǎn)速的兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，如下圖所示：

圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

2、抗擾動(dòng)性能分析

對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。

（1）抗負(fù)載擾動(dòng)。

負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。

（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。

1）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。

2）雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。

3、轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器的作用。

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。

2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。

3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。

（3）電流調(diào)節(jié)器的作用

1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。

2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng),起及時(shí)抗擾的作用。

3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。

4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。

四、三相橋式整流電路

1、三相橋式整流電路圖

三相橋式整流電路是應(yīng)用最為廣泛的整流電路