电流源供电模式的直流电动机失磁状态分析

邹 颖，关维国，陈之勃，申彩英

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

电流源供电模式的直流电动机失磁状态分析

邹 颖，关维国，陈之勃，申彩英

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

简述了他励式直流电动机在失磁状态下会出现的“转速飞逸”和严重过电流问题；分析了电流源模式的电力电子变换器驱动他励式直流电动机在失磁状态下的工作特性。得出了电力电子变换器的速度闭环即使在轻载甚至空载状态下仍可以限制他励式直流电动机的转速不会出现“转速飞逸”现象，并最终稳定于给定转速；电力电子变换器的电流源特性具有最大限幅值，限制了他励式直流电动机在失磁状态下的最大电流值；分析了在最不利的情况下，失磁过电流对系统可靠性的影响。通过实验结果验证了本文提出的结论。

他励式直流电动机；失磁；电流源模式供电；电力电子变换器

尽管在实际应用中交流电机已经取代了大多数直流电机，但是直流电机作为电机理论的基础，交流电机理论也是出自于直流电机理论。而且在性能上直流电动机仍然是最优秀的。因此研究直流电机特性仍然具有意义。

传统直流电机理论认为，他励式直流电动机严禁失磁，一旦失磁即会出现“转速飞逸”现象，造成直流电动机因超速引起的机械损坏和换向器环火造成的短路电弧。

直流电动机的失磁“转速飞逸”的理论依据来自于：

式中：n为电动机转速；U为电动机的供电电压，I为电枢电流；R为电枢电阻；Φ为电动机磁路气隙的磁通。

他励式直流电动机励磁消失，磁路气隙中的磁通Φ将下降到额定值的 2%～4%[1]。由公式(1)，电机转速n将激增，即“飞车”，根据这个理论，直流电动机绝不允许失磁或过度弱磁。随着电力电子技术的飞速发展，现存的直流调速系统几乎无一例外地采用了速度闭环、电流闭环的双闭环调速系统和足够电感量的平波电抗器或电枢电感，这样直流电动机实际上从电压源供电变为电流源供电，使电动机特性发生了根本改变，特别是电动机的失磁特性。

1 电压源供电方式的失磁分析

当直流电动机采用电压源供电时，电动机的转速为：

电枢上的感生电势为：

电磁转矩为：

电枢电流为：

式中：Tm为电磁转矩；Tz为负载转矩。

与此同时，磁路气隙磁通因失磁，磁通大幅度降低，电枢感生电势大幅度降低，造成电枢电流激增，达到全压启动电流值。换向器因电枢寄生电感严重过电流在释放储能时产生“环火”。

由式(4)可知Ia将激增，如果阻转矩低于电磁转矩，电机转速将上升，出现“转速飞逸”现象；阻转矩大于电磁转矩，电动机转速反倒下降[2]。

2 电流源供电模式下的失磁分析

驱动直流电机的电力电子变换器具有电流闭环，电力电子变换器输出可以认为是电流源供电模式驱动直流电动机。由于驱动电源形式的改变，直流电动机的某些特性随之改变，特别是失磁状态。

2.1 速度闭环限制直流电动机转速不高于给定转速

电力电子变换器驱动直流电动机系统为直流调速系统，将设置速度闭环，速度闭环将直流电动机转速设置在速度给定值，并由速度闭环反馈调节直流电动机转速，在正常工作条件下，直流电动机转速与速度给定值相同或相近。

由于速度闭环的限制，直流电动机不会出现转速明显超过速度给定值的现象。即使在磁路气隙磁场失磁状态和空载下也不会出现“转速飞逸”现象。这是双闭环直流电动机调速系统与直流电压源开环直接驱动直流电动机的不同之处。

2.2 电流闭环限制直流电动机电枢电流限幅值

电流闭环调节直流电动机电枢电流值，在电流闭环输入为最大电流给定值状态下，对应的直流电动机电枢电流为最大电流，通常不超过额定电流的1.5～2.0倍。

在直流电动机磁路气隙突然失磁状态下，考虑各种时间延迟和控制滞后，电枢电流超调量不会超过70%。也就是说在短时间内，电枢电流幅值可能达到额定电流值的2.0～2.8倍，随后衰减到给定值。这个电流值一般不高于应用电压源开环驱动直流电动机时电枢串联电阻启动方式的峰值电流。更不会出现 20～30倍额定电流的失磁状态下的电枢电流。

2.3 失磁后电磁转矩急剧下降

采用电力电子变换器的电流源模式向直流电动机电枢供电状态下，由于电枢电流的最大电流为电力电子变换器输出限幅值，使得电压源供电模式下的公式(1)不再适用。

由于公式(3)中Ia的幅值被限制，同时φ急剧下降，导致电磁转矩急剧下降。

式中：ω为角加速度(频率变化率)。

由式(5)得知，如果阻转矩大于电磁转矩，则电动机转速下降。

由于转速下降，低于速度闭环给定值，迫使速度调节器输出上升达到限幅值，使得电枢电流达到限幅值，由于失磁造成的磁通急剧下降，即使电枢电流达到限幅值，电磁转矩一般不到额定转矩的20%。

2.4 直流电动机失磁状态下系统的可靠性

电压源模式驱动他励式直流电动机时，一旦电动机失磁，便会“转速飞逸”，换向器产生环火，同时严重过电流，导致烧损电动机。

采用电力电子变换器驱动他励式电动机时，由于是电流源供电，他励式电动机不会因失磁状态产生长时间过电流，不会对他励式直流电动机产生危害。

因此，电流源模式电力电子变换器驱动直流电动机即使在磁路气隙失磁条件下也不会因过电流烧毁电动机、不会因“转速飞逸”在机械方面损坏电动机。

3 电流环的响应速度与电枢电流峰值

本文以响应延迟时间最长的晶闸管双闭环直流调速系统为例。

电流闭环通过检测电枢电流与电流环给定值比较、误差放大改变晶闸管触发延迟角实现控制电枢电流目标。他励式直流电动机失磁可等效为在电流环突加上冲电流扰动。最终电流闭环通过闭环控制对这一扰动抑制，将电枢电流限制在安全范围内。

电流环中，最大的惯性环节为平波电抗器与电枢电感。对他励式直流电动机突然失磁时的电流环突加上冲电流扰动有抑制作用。即使在最恶劣的条件下，即电枢的感生电势为零，晶闸管变流器为最小触发延迟角，失磁前的电枢电流为限流值Idlim。在三相桥式可控整流器模式下，直流侧总电感量如下[4]：

式中：Ul、U2分别为晶闸管可控整流器交流侧的线电压、相电压的有效值；Idmin为电枢电流连续模式的最小电流值，一般为额定电流的10%，电感量的单位为毫亨。

若设定电流限幅值Idlim为额定电流的2倍，则式(6)为：

由电感的感生电压关系：

并且将式(8)代入式(9)，求得在电动机失磁状态下的电枢电流变化：

最不利的条件为最小触发延迟角，而且失磁刚好发生触发脉冲后，并且电流环响应延迟3.3 ms，即第二个出发脉冲发出后电流环开始将触发脉冲后移，直至触发延迟角α=150°，将上述条件代入式(10)：

峰值电流在线电压瞬时值过零，即：

电流回落到最大限定值为触发脉冲的触发延迟角α=150°后的第二个触发脉冲发生时。从失磁开始到电流回落到最大限定值，过电流发生的时间为16.6 ms，峰值为2.05Idlim。最大限定电流值是额定值的2倍。这种短时过电流不会对直流调速的晶闸管变流器和直流电动机产生损伤。

4 实验及实验结果分析

实验设备：Z2他励式直流电机，220 V/2.2 kW，励磁电流1 A；晶闸管双闭环调速系统，电枢电感与平波电抗器总电感大于公式(8)的数值；转速检测，电动机失磁前电枢电流约8 A。电动机失磁测试电流波形如图1。

图1 电动机失磁测试电流波形

图中上面的波形(通道 1)为电枢电流波形，下面的波形(通道2)为励磁电流波形。

从图中可以看到，当电动机励磁电流突然下降到零，根据公式(5)，电枢电流上升。本文实验的电枢电流经过约17 ms上升到失磁前的1.9倍。接近于公式(10)的结果。电枢电流上升到幅值后，开始下降，经过衰减震荡后稳定在最大限流值，本文实验为额定电流的1.32倍。

5 结论

电力电子变换器驱动电动机已经变为常态的今天，电动机运行理论在原有直流电压源驱动他励式直流电动机基础上发生了变化，最主要的变化就是由电流源模式驱动他励式直流电动机。由于电流源供电模式，不再需要电阻降压式启动，也可以不再担心他励式直流电动机失磁造成的“转速飞逸”、换向器环火、严重过电流问题。

早在20世纪70年代，德国AEG公司在磁场反向的矿井卷扬机直流调速系统中，对磁场反向过程并没有加失磁保护，可以说明电流源供电模式可以改善系统的受控性能。

[1]汪国梁.电机学[M].北京: 机械工业出版社,1987.

[2]顾绳谷.电机与拖动基础[M].北京: 机械工业出版社,1980: 92-93.

[3]黄俊.半导体变流技术[M].北京: 机械工业出版社,1986: 181-182.

[4]杨兴瑶.电动机调速的原理与系统[M].北京: 水力电力出版社,1980: 65-58.

Analysis of DC Motor in the State of Lost Field in Current Source Supplied Mode

ZOU Ying,GUAN Wei-guo,CHEN Zhi-bo,SHEN Cai-ying
（School of Electronics & Information Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

In this paper,the “rotating speed” and the serious current problem of the separately excited DC motor in the state of lost field are briefly described,and the working characteristics of the electric converter driven by the current source mode in the lost field are analyzed.The speed of separately excited DC motor by power electronic converter’s speed closed loop is limited,even under light load or no-load condition which can still limit his wound type of separately excited DC motor speed,the rotating speed will be eventually stable; The current source characteristic of power electronic converters has the maximum value,which limits the maximum current value of the separately excited DC motor in the state of lost field.The influence of the lost field over current on the reliability of the system in the worst condition is analyzed.The conclusion of this paper is finally verified experimentally.

separately excited DC motor; lost field; current power supply mode; power electronic converter

TM331

A

1674-3261(2017)05-0288-03

10.15916/j.issn1674-3261.2017.05.003

2017-04-05

邹 颖(1994-)，女(满族)，辽宁鞍山人，硕士生。关维国(1973-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编校：孙 林