直流電機調速器的主電路形式及整機電路構成

直流電機需要直流電源的供給，這要求一個能將交流電轉變為直流電的電源裝置。另外，直流電機的起/停、保護、調速等控制電路，也常常與直流電源集成于一體，稱為直流調速裝置或直流調速器。

早期對直流電機的調速控制，用直流發電機作直流電機的直流電源，用接觸器配合變阻箱實現直流電機的啟/?？刂坪驼{速，系統繁雜、造價高。后期由于晶閘管等電力電子器件的成熟應用，出現了靜止式直流調速裝置，系統配置變得精簡，而控制性能大幅度提升。國內外，有一些專業廠家，專門生產了專用于直流電機調速的系列產品，進口產品如英國歐陸傳動系統有限公司生產的《590+直流數字式調速器》、ABB(瑞典阿西亞公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成)集團公司生產的《DCS400晶閘管變流器直流傳動系統》等，國內生產廠家更是林林總總，不下百家。其產品范圍囊括了大、中、小功率，他勵、自勵直流電機的調速控制。

1、小功率直流電機調速器的主電路形式：

圖1 小功率電機調速器的主電路形式

小功率直流電機，串、并勵結構都有，上圖(a)、(b)為串勵直流電機所用的調壓電路，電樞和勵磁采用同一電源供電。(a)電路，當電源L端為電壓極性為正時，形成SCR1→電機繞組回路→D2，回到電源N端;L端為電壓極性為負時，形成SCR2→電機繞組回路→D1→電源N端的電流通路。從分析得出，SCR1與D2相串聯，故控制SCR1的導通角，即可實現可控整流。這種由二極管和晶閘管構成的整流橋電路，又稱半控橋調壓電路。假定兩只晶閘管處于最大導通角，電路形同一個橋式整流器，輸入AC220V，輸出整流電壓為220V×0.9=198V，故調壓范圍約為0~198V;(b)電路，兩只可控硅位于整流橋的上橋臂，仍呈現SCR1、D2和SCR2、D1的串聯整流模式，故控制兩只晶閘管的移相角，來實現0~198V的調壓，實施對串勵直流電機的調速控制。部分電路中還加有續流二極管D3，以使負載(繞組)中的電流連續，運行平穩及保持較高的力矩輸出?？煽卣麟妷弘妷旱膹?起調，因最小導通角受限，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)，故實際可調范圍為20~198V，但調至20V后，能“跳”至0V，也能使晶閘管關斷。

橋式整流電路的4個元件，每只元件承受最大正向電壓為220V×1.41=310V，承受反向電壓峰值為220V×1.57=345V，每只元件的流通電流，為整流(負載)電流的0.5倍。晶閘管最大導通角180°。

元件選用規則：耐壓值選700V以上，電流值為正向電流值×3。

早期調速器產品的主電路，多采用分立元件構成，后期的小功率調速器的主電路，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，而且模塊也內含續流二極管。

(c)電路，適用于他勵直流電機，電樞供電是由晶閘管橋式可控整流電路構成，勵磁電源多為由四只二極管(或整流模塊)構成的橋式整流電路，勵磁電壓為固定整流電壓，為基速以下的降速調節運行。稱為基速以下滿勵運行;極少數電機，勵磁電源也為晶閘管調壓(與電樞電源結構一樣)，可對勵磁電流進行調節，故可實現基速以上弱磁運行。

2、中、大功率他勵直流電機調速器的主電路形式：

圖2 大功率他勵直流電機調速器的主電路及勵磁電路的典型結構

中、大功率他勵直流電機，采用三相動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)構成，稱為“全控橋”可控整流電路，當固定輸出最大勵磁電流時，通過調節電樞繞組的供電電壓，來實現基速下的降速調節(恒轉矩運行);勵磁電源多為半控橋可控整流電路結構，當電樞施以最高電壓時，進行弱磁調節(恒功率運行)，又可實現基速以上的升速調節。圖2為典型主電路結構，如歐陸590、ABB DCS400等系統列數字調速器，都是采用這種電路結構。易于與另一組反向的主電路進行并聯連接，實現所控制電機的四象限運行(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)和三相半波共陽極接法(SCR2、SCR4、SCR6)的晶閘管串聯組合。其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路(如SCR1、SCR6同時被觸發開通，形成電源A相正半波電流通路)，因此為保證電路啟動或電流斷續后能正常導通，必須對不同組別應到導通的一對晶閘管同時加觸發脈沖，所以對觸發脈沖的寬度有要求(≥60°)，圖中6個晶閘管的組合導通順序是SCR1-SCR6-SCR3-SCR2-SCR5-SCR4，輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，故該電路又可稱為6脈動整流電路，直流脈沖動頻率為300Hz。

圖(a)電路輸入為三相380V AC電源，晶閘管處于最大導通角時，等同于三相橋式整流電路，輸出電壓值為380V×1.35=513V，為適應直流電機的供電要求，實際輸出可調電壓范圍多為0~450V左右。每只晶閘管承受最大正向電壓值為380V×1.41=535V，承受反向峰值電壓為380V×1.05=399V，每只管子的流通電流為整流直流電流(Iz)的0.333倍。

元件選用與代換規則：耐壓值為380V×3≈1140V，實際選用1200V或1600V的元件或模塊;電流值為正向電流值×3，按負載(整流電流Iz值)選用即可。

圖中(b)電路，為半控橋式整流電路，可根據工作現場(負載)對轉速范圍的要求，切換引入AC220V或AC380V單相電源。

3、直流電機調速器非典型的主電路形式：

圖3 直流電機調速器的非典型主電路結構

圖3的電路結構雖然不夠典型，但在實際的調速器設備中，應用也較為常見。(a)電路是先將輸入AC220V整流成198V的脈動直流電壓，再由一只晶閘管SCR1受控整流成0~198V的可調直流電壓輸出。由于整流電壓為100Hz的脈動直流，也具有自然電壓過零點，因而可以直接從整流電壓端取出過零點(同步)信號，用于移相電路生成移相脈沖信號。圖(b)電路，則是先用雙向晶閘管對輸入電源進行交流調壓，再由橋式整流器整流輸出的。應該說，雙向晶閘管在直流調壓(速)電路中的出現是較為罕見的，直流調壓，顧名思義，是將交流電轉化單向直流電流的，按說雙向晶閘管是派不上用場的呀。圖(b)應用，也算是較為“另類”的直流調壓電路了。

上圖兩種單相整流調壓電路與圖1的(a)、(b)電路相比，雖然元件數量上有所增多(多了一只器件)，但總的電路成本卻有所降低(晶閘管數量少，而二極管的價格遠比晶閘管低)。與此同時，同步采樣電路和觸發電路，也相應簡化，只需一路同步采樣電路和觸發電路即可以了。

圖(c)電路，將下三臂晶閘管器件，換成了三只二極管(當然也可以將上三臂換為二極管)器件，從而使整體造價大為下降，同步采樣和觸發電路當然也同步簡化。與圖2的(a)電路相比，省去了三路同步采樣和觸發電路。但缺點是半控橋輸出電壓脈動大，因采用二極管作為主電路整流元件，不能反向并聯連接使電機實現四象限運行，僅適用于單方向無級調速及一般電阻負載的可控整流設備中。

4、直流調速器的四象限運行主電路結構：

1)單相整流調壓四象限運行主電路。

圖4 單相整流調壓的四象限運行主電路

有的工作場所要求直流電機能實現四象限運行，即可以運行于“正向運轉、正向制動和反向運轉、反向制動”四個工作模式中。如果正、反轉運行不是很頻繁，主電路直流輸出端外接兩只接觸器，像控制交流電動機正、反轉一樣，利用切換電樞供電電壓的極性來實施正、反轉控制，應該也是可行的。但接觸器切換控制不適應頻繁切換、易燒熔觸點、使命壽命短、維修工作量大等缺點，因而實際應用電路是利用兩套整流調壓電路來切換輸出電壓極性，采用晶閘管的好處，是實現了無觸點切換，無切換火花，且易于實現“弱電”的智能化控制。

圖4左側電路，是利用兩組全控橋式晶閘管調壓電路，實施正反轉控制的，每組須用四只晶閘管器件，控制SCR1~SCR4，可以使直流電機正轉調速運行;關斷SCR1~SCR4，使SCR5~SCR8受控開通，則可控制直流電機反轉運行。觸發電路需要8路。

圖4右側電路，對輸入交流電源橋式整流后，用SCR0單只晶閘管進行調壓后，再由SCR1~SCR4四只晶閘管實現輸出電壓極性的“調向”，當SCR1和SCR4開通時，輸出電壓極性上正下負，直流電機正轉調速運行;當SCR2、SCR3開通時，輸出電壓極性變為上負下正，直流電機反轉調速運行。電路省去了一組晶閘管全控整流橋，但增加了SCR0的調壓電路。在這里，輸出電壓高低的調整是由SCR0實現的，SCR1~SCR4只工作于“開通”和“關斷”的兩個相對狀態下，相當四只開關器件，單純完成對輸出電壓極性切換的功能。調壓觸發需1路，晶閘管通斷控制發需4路。觸發、控制電路比左側電路簡化許多。

2)三相整流調壓的四象限運行主電路結構。

圖5 三相整流調壓的四象限運行主電路結構

上圖每只晶閘管模塊內含兩只單向晶閘管，可對輸入電源的正、負半波分別進行可控整流。當SCR7~SCR12關斷，而SCR1~SCR6被可控開通時，直流輸出端上正下負，電機正轉調速運行;當SCR7~SCR12處于可控開通狀態，而SCR1~SCR6處于關斷狀態時，直流輸出端上負下正，電機反轉調速運行。兩組電路都為三相全控橋接法，只是晶閘管極性相反而已。相應的觸發電路也是兩套——每套是相互獨立的6路觸發電路，如歐陸590、ABB DCS400等系統列數字調速器，除供應普通兩象限運行的調速器外，也根據用戶要求提供采用圖5電路結構的可供電機四象限運行的直流調速器，兩象限運行的調速器的線路板，其實往往也預留了另一組觸發電路和主電路的安裝位置。

5、直流電機調速器的整機構成：

直流電機調速器，無論簡單與復雜與否，低檔與高檔與否，國產和進口與否，其電路構成都如圖6所示，大致包含了電樞調壓主電路、勵磁調壓主電路和同步信號采樣電路、整機控制電路的電源電路，控制信號輸入/輸出電路、輸出電流和電壓檢測(保護)電路，移相觸發信號形成電路和觸發功放電路等幾個部分。

圖6 直流電機調速器的整機電路結構

晶閘管調壓主電路、控制電源、同步信號采樣電路、移相信號形成電路、觸發(功放)電路等可稱之調速器的基本電路，這是任何直流調速器都必備的幾個環節;輸出電壓檢測、輸出電流檢測電路，有時還包括輸入電壓(缺相)檢測、晶閘管模塊溫度檢測電路，可統稱為晶閘管的保護電路，此為輔助電路之一;各種輸入、輸出信號——控制信號處理電路，是提升了設備的可操作控制功能，完成對直流電機的起停、調速、反饋信號處理、調速器工作狀態的指示等，此為輔助電路之二。高、低檔機型的區別和差異，更多地從輔助電路的設計上可看得出來。

其中，主電路結構無論何種機型，都是相同的;同步信號采樣電路與觸發電路，都是大同小異的。移相、保護信號形成電路和控制信號形成電路，則具機型不同，而呈現較大的差異，如對控制信號、保護信號和移相信號的處理，有的機型由簡易模擬電路(晶體管分立元件)來完成，有的采用模擬、數字的硬件電路來完成，高檔機型則采用8位或16位單片機，對所有信號進行智能化處理，使輸出的觸發觸沖信號里“揉和了多重優化的控制信息”，其控制特性便與普通機不可同日而語了。

控制信號處理電路，有的只能完成開環調壓控制，有的也僅能完成簡易的閉環速度調節，處于比例(P)調節的層面上，有的機型則用復雜電路(或軟件手段)來完成PID控制功能，大大提升了系統的動態控制特性。