直流调速的主电路形式和整机电路构成

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:

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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SCR2、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:

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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),又可实现基速以上的升速调节。图2为典型主电路结构,如欧陆590、ABB DCS400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380V AC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:

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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,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。

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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。

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。

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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、ABB DCS400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。

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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,此为辅助电路之一;各种输入、输出信号——控制信号处理电路,是提升了设备的可操作控制功能,完成对直流电机的起停、调速、反馈信号处理、调速器工作状态的指示等,此为辅助电路之二。高、低档机型的区别和差异,更多地从辅助电路的设计上可看得出来。

其中,主电路结构无论何种机型,都是相同的;同步信号采样电路与触发电路,都是大同小异的。移相、保护信号形成电路和控制信号形成电路,则具机型不同,而呈现较大的差异,如对控制信号、保护信号和移相信号的处理,有的机型由简易模拟电路(晶体管分立元件)来完成,有的采用模拟、数字的硬件电路来完成,高档机型则采用8位或16位单片机,对所有信号进行智能化处理,使输出的触发触冲信号里“揉和了多重优化的控制信息”,其控制特性便与普通机不可同日而语了。

控制信号处理电路,有的只能完成开环调压控制,有的也仅能完成简易的闭环速度调节,处于比例(P)调节的层面上,有的机型则用复杂电路(或软件手段)来完成PID控制功能,大大提升了系统的动态控制特性。

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