欧陆590+直流调速器弱磁调速的应用

于 生

（广西机电职业技术学院，广西南宁，530007）

·弱磁调速·

欧陆590+直流调速器弱磁调速的应用

于 生

（广西机电职业技术学院，广西南宁，530007）

介绍了直流电机弱磁与调压配合控制调速原理，通过对弱磁与调压配合控制直流调速系统原理和动态结构分析得出弱磁控制方法及思路。在理论基础上结合笔者在造纸行业复卷机电控系统工程的多次实践，重点介绍欧陆590+直流调速器控制原理及弱磁调速的应用，并列出实现该应用的参数设置表，对与弱磁相关的故障进行分析并提出解决方法。

弱磁调速；调压；直流调速器

按照励磁方式的不同，直流电机分为他励、串励、并励、复励直流电机。在直流电机理论中，调速方法包括改变电枢电压调速、串电枢电阻调速、减弱主极磁通（弱磁）调速。直流电机弱磁调速是通过控制励磁回路完成对直流电机基速以上转速的控制，该调速方法简单、能耗小、平滑性高，且能够使电机在高于基速下稳定运行，因此在直流电机恒功率调速等场合得到广泛应用。

1 弱磁与调压配合控制调速原理

1.1 弱磁与调压配合控制特性

在他励直流电机调速过程中，弱磁控制的调速系统采用调压和弱磁配合控制的办法实现。由于直流电机产品特性的限制，在基速以下，保持磁通为额定值不变，通过电枢电压的调整，得到所需要的转速，也得到恒定的电磁转矩输出，也就是说在基速以下为恒转矩调速方式。而在基速以上，电枢电压保持在额定电压值，通过主磁通电流的减少，提高直流电机的转速，但直流电机能提供的最大电磁转矩也随着转速的提高而逐渐减小，也就是说在基速以上为恒功率调速方式。调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，且两者必须配合调节，如图1所示。

图1 调压与弱磁配合控制特性

由图1可知，在基速nN以下，电磁转矩Te为恒定值，在ΦN满磁的条件下，随着调节电压U的调节，转速n上升，直流电机功率P也越来越大；而在基速nN以上，电机输出功率P为额定值，应该在额定电压UN下调节励磁Φ，随着励磁磁通Φ的减小，转速n继续上升，直流电机电磁转矩TB越来越小［1﹣3］。

图2 带有励磁电流闭环的弱磁与调压配合控制直流调速系统

1.2 弱磁与调压配合控制直流调速系统原理

在恒磁通转速、电流双闭环系统的基础上，设置一个励磁控制系统，由电动势环和励磁电流环组成一个变磁通转速、电流双闭环系统。励磁电流环为内环，直接控制励磁电流，达到控制磁通的目的；电动势环为外环，实现了电枢电压与励磁的配合控制。带有励磁电流闭环的弱磁与调压配合控制直流调速系统如图2所示。

在图2中，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，UPE为电力电子变换器，AFR为励磁电流调节器，UPEF为励磁电力电子变换器，TA为电流互感器，TAF为励磁电流互感器。在电枢电压控制系统中采用转速、电枢电流双闭环控制，为了实现弱磁控制，在此基础上应用励磁电流闭环控制，图2中励磁电流调节器AFR采用PI调节器。当直流电机在基速nN以下变压调速时，励磁电流给定值为额定励磁电流，βf为励磁电流反馈系数，励磁电流环将励磁电流稳定在额定输出值。当直流电机在基速nN以上弱磁调速时，根据感应电动势不变的原则，逐步减小励磁电流给定值在励磁电流闭环控制作用下，励磁电流If＜IFn，直流电机工作在弱磁状态，实现基速以上的调速［1﹣3］。

1.3 弱磁过程中直流电机的动态结构分析

在恒磁通条件下，直流电机感应电动势和电磁转矩计算见式（1）和式（2）。

式中，E为电机感应电动势，V；n为电机转速，r/s；Id为电枢电流，A；Ce为电机额定励磁下的电动势系数，N·m/A；Cm为电机额定励磁下的转矩系数，N·m/A。

Cm和Ce的关系见式（3）。

恒磁通条件下的机电时间常数见式（4）。

式中，Tm为机电时间常数，s；GD2为飞轮惯量，N·m2；R为电枢回路总电阻，Ω。在恒磁通条件下，机电时间常数Tm为恒定值，通过计算得出电枢回路动态电压方程式和动态电流方程式分别为式（5）和式（6）。

式中，Ud0为输出电动势，V；Id为电枢电流，A；Tl为电枢回路电磁时间常数，s；IdL为负载电流，A。

但在弱磁条件下磁通为变量，参数Ce和Cm被KeΦ和KmΦ所取代分别见式（7）和式（8）。

弱磁条件下的Tm也成为变量，见式（9）。

结合式（5）和式（6），忽略磁路的非线性，认为Φ=KfIf。进入弱磁过程的直流电机动态结构框图如图3所示。

图3 弱磁过程的直流电机动态结构图

在弱磁过程中，直流电机是非线性对象，转速调节器ASR应具有可变参数调节以适应弱磁磁通的变化，得到优良的控制性能［1］。

2 欧陆590+直流调速器弱磁调速的应用

2.1 直流调速器速度环的控制原理

欧陆590+直流调速器的速度环速度输入主要来自于外部光纤通信转换设备5703支持、各速度给定设定点合计值、调速器外部端子模拟量输入2和调速器斜坡输出等。在复卷机电控系统工程的应用中，欧陆590+直流调速器的速度给定通过现场总线Profi﹣bus﹣DP通信，由PLC给定速度至直流调速器斜坡模块的斜坡输入。在斜坡模块经过斜坡加减速时间设定等参数运算处理，得到斜坡输出值，调速器的斜坡输出值是速度环的速度给定输入值。调速器的速度反馈使用编码器反馈，主要参数在组态调速器参数组设定，设置参数包括速度反馈选择、编码器线数、编码器符号、编码器最大速度（电机最大速度值）等，直流调速器的速度反馈值来自现场编码器反馈的速度值。速度环将来自斜坡的速度给定值和编码器的速度反馈值进行代数求和后产生速度偏差值，通过速度环比例增益、积分时间常数调节、速度最大值和最小值限制等，运算产生电流给定信号［2﹣4］。运算过程如图4所示。

2.2 直流调速器电流环控制原理

电流环功能块根据速度环输出电流给定信号，通过电流曲线、反向时间过载、双极性钳位和主电流钳位4个钳位产生电流限幅，然后用PI环路控制输出。这4个钳位是串联的，最低的钳位值起作用。在复卷机电控系统工程的应用中，欧陆590+直流调速器的电流限幅值输出由PLC给定，通过现场总线Profibus﹣DP通信，将限幅值传送到设定合计点1功能块图，通过求和换算，将结果传送到参数301正电流钳位值和参数48负电流钳位值［2］。电流环运算过程如图5所示。

2.3 直流调速器实现弱磁的励磁控制原理

励磁控制功能块是控制直流调速器的全波单相电机励磁可控硅桥路，该功能块由3部分组成，分别为励磁电压变量、励磁电流变量、磁场弱磁变量。根据工程实际情况选择开环电压励磁控制方式或闭环电流励磁控制方式。如果选择开环电压励磁控制方式，就要设置参数210励磁电压比率，提供正确的励磁电压值。计算方法是期望的直流励磁电压除以交流输入电压，得到结果再乘以100。在复卷机电控系统工程的应用中，欧陆590+直流调速器的励磁控制方式为闭环电流控制方式，并且要实现弱磁控制，以便于在基速以上实现恒功率调速。要实现弱磁控制，必须将参数209励磁控制方式改为闭环电流控制方式，且将参数174磁场弱磁改为允许状态，以便在基速以上运行时，激活弱磁控制。与此同时速度反馈值必须来自外部直流电机旋转编码器反馈值［5］。欧陆590+直流调速器弱磁原理如图6所示。

图4 速度环运算控制框图

图5 电流环运算控制框图

图6 弱磁运算控制框图

图7 励磁运算控制框图

由图6可知，弱磁控制环接受一个电枢电压反馈值信号，通过电枢电压校准和电枢压降补偿等处理后进入反电动势滤波器进行滤波，得到补偿滤波后的电枢电压反馈值与最大电压（励磁弱化开始时的电压）进行比较形成偏差信号，就是给定和电枢电压反馈的差值。对该差值进行削弱磁场PID功能运算得到弱磁给定输出值，此值必须大于最小励磁电流。在磁场弱磁运行情况下将弱磁给定输出值传送到控制模式为闭环电流控制的励磁控制模块。励磁控制模块直接接受磁场弱磁环的给定并形成偏差信号，被馈送值比例积分补偿器，产生励磁环输出，即励磁触发角信号［6］，如图7所示。

由图7可知，参数170励磁设置为允许，参数励磁控制方式设置为闭环电流控制。励磁设定值减去弱磁给定输出值，产生的励磁给定值送入励磁电流PI调节器。通过观察参数300励磁电流反馈值来调节PI调节器，使励磁输出趋于稳定。

2.4 实现弱磁的直流调速器参数设置

为了实现欧陆590+直流调速器弱磁控制功能，使直流电机在基速以上稳定运行，达到恒功率控制的目的。笔者参考造纸行业多台复卷机电控系统工程的应用实践对直流调速器进行参数设置，详见表1。在组态调速器菜单中，根据直流电机铭牌参数以及编码器参数进行参数设置，并将速度反馈选择设置为编码器反馈。在设定参数菜单中，为了实现Profibus﹣DP通信，将参数535遥控顺序设置为TURE；复卷机电控系统由PLC通过Profibus﹣DP现场总线将调速器速度给定值传送到斜坡输入，设置斜坡加速时间参数002和减速时间参数003为2 s。在励磁控制菜单中，设置参数170激活励磁使能，设置参数209选择励磁控制模式为电流控制模式，并且设置参数174激活弱磁控制使能。在弱磁控制中设置参数178最大电压为直流电机额定电压，设置参数179最小励磁电流为6%，并在弱磁控制下通过直流电机运转情况设置参数173比例增益和参数172积分时间。根据电机运转速度波动情况修改速度环的参数014比例增益和参数013积分时间。在系统菜单主要设置通信参数转换的源标记和目的标记，达到PLC准确控制直流调速器转矩限幅的效果。

2.5 直流调速器与弱磁相关故障分析当直流调速器出现FIELD OVER I（励磁过电流）故障时，一般情况下是控制环调谐不良，建议对电机励磁回路做自动调谐。

当直流调速器出现OVER VOLTS（过电压）故障时，造成该故障原因很多，如果过电压故障经常在电机转速超过基速以上出现时，可能是励磁控制方式为电压控制方式，弱磁功能未激活，需要改为闭环电流控制方式。

当直流调速器出现FIELD FAULT（励磁故障）时，首先检查在弱磁情况下，最小励磁电流不能小于6%。

表1 欧陆590+直流调速器参数设置表

在电机做自动调谐时，出现AUTOTUNE ERROR（自动调谐出错）故障时，要检查速度反馈是否超过额定速度的20%或者励磁电流反馈超过额定励磁电流的6%。必须按照要求重新做自动调谐［7］。

3 结 语

欧陆590+直流调速器在实际工程中应用较为广泛，而实现直流电机弱磁调速是直流调速技术的难点。依据弱磁调速控制原理对欧陆590+直流调速器实现弱磁调速功能的具体应用进行分析，重点把握弱磁条件分析和励磁运算控制框图的应用。通过调速器参数设置和故障分析更好地实现了直流电机弱磁调速的应用，使用效果良好、故障率低、值得推广。

［1］Ruan yi，Chen Bai﹣shi．Control Systems of Electric Drives﹣Motion Control Systems［M］．Beijing：China Machine Press，2009．阮 毅，陈伯时主编．电力拖动自动控制系统﹣运动控制系统［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［2］590+Series DC Digital Control Device Product Manual［S］．HA466461U003．Version 1．590+系列直流数字调节装置产品使用手册［S］．HA466461U003．版本1．

［3］Wang Yao﹣de．Speed Regulation System of DC Motor with Limited Weaking Field and Its Stability Analysis［J］．Electrical Drive Auto﹣mation，1997（5）：17．王耀德．直流电动机的有限弱磁调速及其稳定性分析［J］．电气传动自动化，1997（5）：17．

［4］Song Bao﹣ye，Xu Lin，Gong Mao﹣fa．Critical Condition for Speed Ad﹣justing with Field Weakening of DCMotor［J］．Journal of Electrical& Electronic Education，2014，36（1）：61．宋宝业，许 琳，公茂法．直流电机弱磁调速的临界条件［J］．电气电子教学学报，2014，36（1）：61．

［5］Chen Guo﹣chu，Ding Yi﹣cheng．Two Supplements in Teaching Speed Regulation of DCMotorwith Field Weakening［J］．Journal of Electri﹣cal&Electronic Education，2001，23（4）：65．陈国初，丁轶成．直流电机弱磁调速教学中的两点补充［J］．电气电子教学学报，2001，23（4）：65．

［6］YAO Jing﹣hong，YANGuo﹣xiang．Application of ABBDigital DCCon﹣trol Device in Paper Machine Transmission［J］．China Pulp&Paper，2003，22（2）：41．姚竞红，严国祥．ABB全数字直流控制装置在纸机传动中的应用［J］．中国造纸，2003，22（2）：41．

［7］MENG Yan﹣jing，QIN Bao﹣guo，GAO Cheng﹣yong．Influence of the Setting of DC EquipmentWeakening Magnetic Pointon Constant Ten﹣sion Control System［J］．China Pulp&Paper，2004，23（9）：41．孟彦京，秦报国，高承雍．直流装置弱磁点的设置对恒张力控制系统的影响［J］．中国造纸，2004，23（9）：41． CPP

（责任编辑：董凤霞）

Flux Weakening Control of Eurotherm 590+DC Speed Regulator

YU Sheng
（Guangxi Technological College of Machinety and Electticity，Nanning，Guangxi Zhuang Autonomous Region，530007）（E﹣mail：yushenggx@126．com）

The principle of speed regulation of the DCmotor based on the combination of flux weakening controland voltage regulation was in﹣troduced in the paper，flux weakening controlmethod and ideawere put forward from the principle and the dynamic structure analysis．Com﹣bining author's practice experiences in rewinders'electric control engineering，the controlling principle of Eurotherm 590+DC speed regulator and the application of flux weakening controlwere introduced，and a listof parameters to achieve the application was put in the table，the re﹣lated faults and the solution of flux weakening control were discussed．

flux weakening control；voltage regulation；DC speed regulator

于 生先生，高级工程师；研究方向：自动化控制。

TP276

A

0254﹣508X（2015）09﹣0042﹣05

2015﹣06﹣10（修改稿）