直流电机原理及其电控调速系统
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国传电气技术交流
产品技术
2023年第32期
总第110期
2023年09月04日发布
直流电机原理及其电控调速系统
产品事业部 王大伟
导读：直流电机相较于交流电机有其独特的性能，其电机构造以及控制系统也多有不同。
今天我们邀请产品事业部王大伟为大家讲解一下直流电机原理及其调速技术，与大家一起学习探讨。
直流电机结构及原理
一、直流电机机构。
直流电机的结构多种多样，但原理相同。定子上有一对直流励磁主磁极N和S，在旋转部分转子上安装有电枢铁芯。线圈的首和尾分别连接到两个圆弧形的铜片上，即换向片，换向片之间是绝缘的。当电枢转动时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
1、定子：主磁极、换向磁极、机座、电刷
定子部分的主磁极的作用就是建立主磁场。绝大多数的直流电机的主磁极不是永久磁铁，而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。
2、转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向器
转子部分的电枢铁芯是主磁路的组成部分，电枢绕组由一定数目的电枢线圈按照一定规律链接组成，是直流电机的电路部分，产生感应电动势，进行机电能量的转换。
二、直流电动机工作原理。
直流电机基本原理为电磁力定律，产生力矩要两个必要条件：
1）有一个磁场存在；
2）导体中有电流。
给直流电机电刷加上直流，则有电流流过线圈，根据电磁力定律，载流导体将会受到电磁力的作用，方向则由左手定则判定。两段导体受到的力，形成转矩，于是转子就会逆时针转动。要注意的是直流电机外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，线圈中流过的电流却是交流的，因此产生的转矩方向保持不变。
三、直流调速方法。
直流电动机具有良好的起动性能和制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
1．调阻调速：
（1）工作条件：
保持励磁Φ=ΦN ；
保持电压 U =UN ；
（2）调节过程：
增加电阻 Ra →R↑
R ↑→n↓，n0不变；
（3）调速特性：
转速下降，调速范围小，调速平滑性取决于调速电阻改变，机械特性曲线变软，经济性差。
2、调磁调速：
（1）工作条件：
保持电压 U =UN ；
保持电阻 R = R a ；
（2）调节过程：
减小励磁 ΦN → Φ↓
Φ↓ → n ↑， n0 ↑
（3）调速特性：
转速上升，调速范围较小，平滑性相对调阻调速较平滑，机械特性曲线变软。
3、调压调速：
（1）工作条件：
保持励磁 Φ =ΦN ；
保持电阻 R = Ra
（2）调节过程：
改变电压 UN → U↓
U↓ →n ↓， n0 ↓
（3）调速特性：
转速下降，机械特性曲线平行下移。机械特性斜率不变，硬度不变，调速范围较大。
4、三种调速方法的性能与比较：
对于矿山提升机调速系统来说，一般要求调速范围广，机械冲击小。分析如下：
1）改变电阻只能有级调速；
2）减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。最常用的为三相桥式整流电路。
ASCS直流调速系统
一、直流调速系统图。
二、硬件构成。
1．全数字调节装置
全数字调节装置在硬件上采用可自由配置的模块结构，具体如下：
（1）基本模块
基本模块包括电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、触发脉冲形成模块和A/D转换模块。
如下图所示，各模块之间通过总线互相连接。
从左到右依次为：
1）电源模块用于将24VDC转换为15VDC和5VDC两组电源，为其它模块供电，电源模块面板上设有LED指示灯，用于指示电源状态。
2）CPU模块用于控制总线上模块之间的数据传输，并执行用户程序和系统自诊断。
3）输入模块用于将提升机系统某些运行状态信号及电枢回路和磁场回路的故障保护信号输入到直流调速系统。
4）输出模块用于控制输出继电器，将直流调速系统中的操作结果反应到其它控制环节。
5）1#脉冲板用于触发电枢回路的1#整流器，2#脉冲板用于触发电枢回路的2#整流器，3#脉冲板用于触发磁场回路的整流桥。
6）A/D模块用于将电枢电流、磁场电流和测速机反馈速度等模拟信号输入到直流调速系统中，以构成速度闭环和电流闭环。
（2）除以上基本模块外，系统还包含：信号处理模块、脉冲放大模块、零电流检测模块。
1）信号处理模块对各整流柜中电流互感器的信号和测速机的信号进行处理，并变换为0-8V电压信号输入到全数字调节器的A/D板中，作为电流反馈信号和速度反馈信号。
2）脉冲放大模块对来自全数字调节器的脉冲触发信号进行功率放大，然后输出到整流柜的功放板中触发可控硅。
3）零电流检测模块检测电枢或磁场回路电流是否为零，以此控制电枢或磁场换向。
2．电气元件
（1）电流检测元件
1）电流互感器
采用以电磁感应原理为基础的电流互感器对整流器进线电流进行大电流检测，其主要目的有两个：一是使测量回路与电网隔离，可以保护操作人员和设备的安全。二是可以使用小量程的仪表测量大电流。
2）电流LEM传感器
此传感器利用霍尔原理，来检测电流大小，一般输出0-5V，需要供电，安装套在电缆上 ，不需要串在回路里，作用主要是采集电流信号，从而进行保护，不参与控制。
3）分流器
分流器原理是在回路里串入一个很小阻值的电阻，通过测量其上的电压来检测电流，输出电压正常为毫伏级，主要用来给表头供电，显示输出直流电流值。
（1）速度检测元件
1）测速发电机
利用发电机的转速和所发出的电压成正比来测量提升机的速度，有高速和低速两种。在ASCS系统中，主要用来作为调节部分的主反馈，并引到PLC作为速度保护用。
（2）同步变压器
将来自高压PT柜的100V电压降成27V左右，供给脉冲板作同步信号使用。
12脉动情况下采用两组，其相位为Y/Y-0和△/Y-1，分别对应电枢变压器的△/Y-11和Y/Y-0，使同步信号的相序滞后整流器动力电30度。
（3）可控硅整流器
利用可控硅整流器通过控制角均匀调节，电动机的转速可实现均匀改变，达到无级调速。
电动机的换向可分为电枢换向和磁场换向两种方式。
三、双闭环调速系统
1．双闭环模型
双闭环是直流调速的基本结构型式，是由电流和转速的两个调节器进行综合调节的，具有良好的静、动态性能，如下图所示：
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2、抗扰动性能分析
对于直流调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。
（1）抗负载扰动。
负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。
（2）抗电网电压扰动。
1）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
2）双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
3、转速与电流调节器的作用。
（1）转速调节器的作用
1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
2）对负载变化起抗扰作用。
3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
（3）电流调节器的作用
1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
2）对电网电压的波动,起及时抗扰的作用。
3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
四、三相桥式整流电路
1、三相桥式整流电路图
三相桥式整流电路是应用最为广泛的整流电路
2、三相桥式全控整流电路的特点
（1）2管同时通，形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
（2）对触发脉冲的要求：
按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。
共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。
同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。
晶闸管及输出整流电压的情况如下图所示
（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲
可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，一种是双脉冲触发（常用）。
（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
（本稿件由国传电气（原中矿传动）市场部整理编辑，经国传电气技术支持团队审核授权发布！）
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