歐陸590+直流調(diào)速器弱磁調(diào)速的應用

于 生

（廣西機電職業(yè)技術學院，廣西南寧，530007）

·弱磁調(diào)速·

歐陸590+直流調(diào)速器弱磁調(diào)速的應用

于 生

（廣西機電職業(yè)技術學院，廣西南寧，530007）

介紹了直流電機弱磁與調(diào)壓配合控制調(diào)速原理，通過對弱磁與調(diào)壓配合控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理和動態(tài)結(jié)構分析得出弱磁控制方法及思路。在理論基礎上結(jié)合筆者在造紙行業(yè)復卷機電控系統(tǒng)工程的多次實踐，重點介紹歐陸590+直流調(diào)速器控制原理及弱磁調(diào)速的應用，并列出實現(xiàn)該應用的參數(shù)設置表，對與弱磁相關的故障進行分析并提出解決方法。

弱磁調(diào)速；調(diào)壓；直流調(diào)速器

按照勵磁方式的不同，直流電機分為他勵、串勵、并勵、復勵直流電機。在直流電機理論中，調(diào)速方法包括改變電樞電壓調(diào)速、串電樞電阻調(diào)速、減弱主極磁通（弱磁）調(diào)速。直流電機弱磁調(diào)速是通過控制勵磁回路完成對直流電機基速以上轉(zhuǎn)速的控制，該調(diào)速方法簡單、能耗小、平滑性高，且能夠使電機在高于基速下穩(wěn)定運行，因此在直流電機恒功率調(diào)速等場合得到廣泛應用。

1 弱磁與調(diào)壓配合控制調(diào)速原理

1.1 弱磁與調(diào)壓配合控制特性

在他勵直流電機調(diào)速過程中，弱磁控制的調(diào)速系統(tǒng)采用調(diào)壓和弱磁配合控制的辦法實現(xiàn)。由于直流電機產(chǎn)品特性的限制，在基速以下，保持磁通為額定值不變，通過電樞電壓的調(diào)整，得到所需要的轉(zhuǎn)速，也得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，也就是說在基速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。而在基速以上，電樞電壓保持在額定電壓值，通過主磁通電流的減少，提高直流電機的轉(zhuǎn)速，但直流電機能提供的最大電磁轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸減小，也就是說在基速以上為恒功率調(diào)速方式。調(diào)壓與弱磁配合控制只能在基速以上滿足恒功率調(diào)速的要求，且兩者必須配合調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1 調(diào)壓與弱磁配合控制特性

由圖1可知，在基速nN以下，電磁轉(zhuǎn)矩Te為恒定值，在ΦN滿磁的條件下，隨著調(diào)節(jié)電壓U的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速n上升，直流電機功率P也越來越大；而在基速nN以上，電機輸出功率P為額定值，應該在額定電壓UN下調(diào)節(jié)勵磁Φ，隨著勵磁磁通Φ的減小，轉(zhuǎn)速n繼續(xù)上升，直流電機電磁轉(zhuǎn)矩TB越來越?。?﹣3］。

圖2 帶有勵磁電流閉環(huán)的弱磁與調(diào)壓配合控制直流調(diào)速系統(tǒng)

1.2 弱磁與調(diào)壓配合控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理

在恒磁通轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎上，設置一個勵磁控制系統(tǒng)，由電動勢環(huán)和勵磁電流環(huán)組成一個變磁通轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。勵磁電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，直接控制勵磁電流，達到控制磁通的目的；電動勢環(huán)為外環(huán)，實現(xiàn)了電樞電壓與勵磁的配合控制。帶有勵磁電流閉環(huán)的弱磁與調(diào)壓配合控制直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2所示。

在圖2中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，UPE為電力電子變換器，AFR為勵磁電流調(diào)節(jié)器，UPEF為勵磁電力電子變換器，TA為電流互感器，TAF為勵磁電流互感器。在電樞電壓控制系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速、電樞電流雙閉環(huán)控制，為了實現(xiàn)弱磁控制，在此基礎上應用勵磁電流閉環(huán)控制，圖2中勵磁電流調(diào)節(jié)器AFR采用PI調(diào)節(jié)器。當直流電機在基速nN以下變壓調(diào)速時，勵磁電流給定值為額定勵磁電流，βf為勵磁電流反饋系數(shù)，勵磁電流環(huán)將勵磁電流穩(wěn)定在額定輸出值。當直流電機在基速nN以上弱磁調(diào)速時，根據(jù)感應電動勢不變的原則，逐步減小勵磁電流給定值在勵磁電流閉環(huán)控制作用下，勵磁電流If＜IFn，直流電機工作在弱磁狀態(tài)，實現(xiàn)基速以上的調(diào)速［1﹣3］。

1.3 弱磁過程中直流電機的動態(tài)結(jié)構分析

在恒磁通條件下，直流電機感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩計算見式（1）和式（2）。

式中，E為電機感應電動勢，V；n為電機轉(zhuǎn)速，r/s；Id為電樞電流，A；Ce為電機額定勵磁下的電動勢系數(shù)，N·m/A；Cm為電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N·m/A。

Cm和Ce的關系見式（3）。

恒磁通條件下的機電時間常數(shù)見式（4）。

式中，Tm為機電時間常數(shù)，s；GD2為飛輪慣量，N·m2；R為電樞回路總電阻，Ω。在恒磁通條件下，機電時間常數(shù)Tm為恒定值，通過計算得出電樞回路動態(tài)電壓方程式和動態(tài)電流方程式分別為式（5）和式（6）。

式中，Ud0為輸出電動勢，V；Id為電樞電流，A；Tl為電樞回路電磁時間常數(shù)，s；IdL為負載電流，A。

但在弱磁條件下磁通為變量，參數(shù)Ce和Cm被KeΦ和KmΦ所取代分別見式（7）和式（8）。

弱磁條件下的Tm也成為變量，見式（9）。

結(jié)合式（5）和式（6），忽略磁路的非線性，認為Φ=KfIf。進入弱磁過程的直流電機動態(tài)結(jié)構框圖如圖3所示。

圖3 弱磁過程的直流電機動態(tài)結(jié)構圖

在弱磁過程中，直流電機是非線性對象，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應具有可變參數(shù)調(diào)節(jié)以適應弱磁磁通的變化，得到優(yōu)良的控制性能［1］。

2 歐陸590+直流調(diào)速器弱磁調(diào)速的應用

2.1 直流調(diào)速器速度環(huán)的控制原理

歐陸590+直流調(diào)速器的速度環(huán)速度輸入主要來自于外部光纖通信轉(zhuǎn)換設備5703支持、各速度給定設定點合計值、調(diào)速器外部端子模擬量輸入2和調(diào)速器斜坡輸出等。在復卷機電控系統(tǒng)工程的應用中，歐陸590+直流調(diào)速器的速度給定通過現(xiàn)場總線Profi﹣bus﹣DP通信，由PLC給定速度至直流調(diào)速器斜坡模塊的斜坡輸入。在斜坡模塊經(jīng)過斜坡加減速時間設定等參數(shù)運算處理，得到斜坡輸出值，調(diào)速器的斜坡輸出值是速度環(huán)的速度給定輸入值。調(diào)速器的速度反饋使用編碼器反饋，主要參數(shù)在組態(tài)調(diào)速器參數(shù)組設定，設置參數(shù)包括速度反饋選擇、編碼器線數(shù)、編碼器符號、編碼器最大速度（電機最大速度值）等，直流調(diào)速器的速度反饋值來自現(xiàn)場編碼器反饋的速度值。速度環(huán)將來自斜坡的速度給定值和編碼器的速度反饋值進行代數(shù)求和后產(chǎn)生速度偏差值，通過速度環(huán)比例增益、積分時間常數(shù)調(diào)節(jié)、速度最大值和最小值限制等，運算產(chǎn)生電流給定信號［2﹣4］。運算過程如圖4所示。

2.2 直流調(diào)速器電流環(huán)控制原理

電流環(huán)功能塊根據(jù)速度環(huán)輸出電流給定信號，通過電流曲線、反向時間過載、雙極性鉗位和主電流鉗位4個鉗位產(chǎn)生電流限幅，然后用PI環(huán)路控制輸出。這4個鉗位是串聯(lián)的，最低的鉗位值起作用。在復卷機電控系統(tǒng)工程的應用中，歐陸590+直流調(diào)速器的電流限幅值輸出由PLC給定，通過現(xiàn)場總線Profibus﹣DP通信，將限幅值傳送到設定合計點1功能塊圖，通過求和換算，將結(jié)果傳送到參數(shù)301正電流鉗位值和參數(shù)48負電流鉗位值［2］。電流環(huán)運算過程如圖5所示。

2.3 直流調(diào)速器實現(xiàn)弱磁的勵磁控制原理

勵磁控制功能塊是控制直流調(diào)速器的全波單相電機勵磁可控硅橋路，該功能塊由3部分組成，分別為勵磁電壓變量、勵磁電流變量、磁場弱磁變量。根據(jù)工程實際情況選擇開環(huán)電壓勵磁控制方式或閉環(huán)電流勵磁控制方式。如果選擇開環(huán)電壓勵磁控制方式，就要設置參數(shù)210勵磁電壓比率，提供正確的勵磁電壓值。計算方法是期望的直流勵磁電壓除以交流輸入電壓，得到結(jié)果再乘以100。在復卷機電控系統(tǒng)工程的應用中，歐陸590+直流調(diào)速器的勵磁控制方式為閉環(huán)電流控制方式，并且要實現(xiàn)弱磁控制，以便于在基速以上實現(xiàn)恒功率調(diào)速。要實現(xiàn)弱磁控制，必須將參數(shù)209勵磁控制方式改為閉環(huán)電流控制方式，且將參數(shù)174磁場弱磁改為允許狀態(tài)，以便在基速以上運行時，激活弱磁控制。與此同時速度反饋值必須來自外部直流電機旋轉(zhuǎn)編碼器反饋值［5］。歐陸590+直流調(diào)速器弱磁原理如圖6所示。

圖4 速度環(huán)運算控制框圖

圖5 電流環(huán)運算控制框圖

圖6 弱磁運算控制框圖

圖7 勵磁運算控制框圖

由圖6可知，弱磁控制環(huán)接受一個電樞電壓反饋值信號，通過電樞電壓校準和電樞壓降補償?shù)忍幚砗筮M入反電動勢濾波器進行濾波，得到補償濾波后的電樞電壓反饋值與最大電壓（勵磁弱化開始時的電壓）進行比較形成偏差信號，就是給定和電樞電壓反饋的差值。對該差值進行削弱磁場PID功能運算得到弱磁給定輸出值，此值必須大于最小勵磁電流。在磁場弱磁運行情況下將弱磁給定輸出值傳送到控制模式為閉環(huán)電流控制的勵磁控制模塊。勵磁控制模塊直接接受磁場弱磁環(huán)的給定并形成偏差信號，被饋送值比例積分補償器，產(chǎn)生勵磁環(huán)輸出，即勵磁觸發(fā)角信號［6］，如圖7所示。

由圖7可知，參數(shù)170勵磁設置為允許，參數(shù)勵磁控制方式設置為閉環(huán)電流控制。勵磁設定值減去弱磁給定輸出值，產(chǎn)生的勵磁給定值送入勵磁電流PI調(diào)節(jié)器。通過觀察參數(shù)300勵磁電流反饋值來調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器，使勵磁輸出趨于穩(wěn)定。

2.4 實現(xiàn)弱磁的直流調(diào)速器參數(shù)設置

為了實現(xiàn)歐陸590+直流調(diào)速器弱磁控制功能，使直流電機在基速以上穩(wěn)定運行，達到恒功率控制的目的。筆者參考造紙行業(yè)多臺復卷機電控系統(tǒng)工程的應用實踐對直流調(diào)速器進行參數(shù)設置，詳見表1。在組態(tài)調(diào)速器菜單中，根據(jù)直流電機銘牌參數(shù)以及編碼器參數(shù)進行參數(shù)設置，并將速度反饋選擇設置為編碼器反饋。在設定參數(shù)菜單中，為了實現(xiàn)Profibus﹣DP通信，將參數(shù)535遙控順序設置為TURE；復卷機電控系統(tǒng)由PLC通過Profibus﹣DP現(xiàn)場總線將調(diào)速器速度給定值傳送到斜坡輸入，設置斜坡加速時間參數(shù)002和減速時間參數(shù)003為2 s。在勵磁控制菜單中，設置參數(shù)170激活勵磁使能，設置參數(shù)209選擇勵磁控制模式為電流控制模式，并且設置參數(shù)174激活弱磁控制使能。在弱磁控制中設置參數(shù)178最大電壓為直流電機額定電壓，設置參數(shù)179最小勵磁電流為6%，并在弱磁控制下通過直流電機運轉(zhuǎn)情況設置參數(shù)173比例增益和參數(shù)172積分時間。根據(jù)電機運轉(zhuǎn)速度波動情況修改速度環(huán)的參數(shù)014比例增益和參數(shù)013積分時間。在系統(tǒng)菜單主要設置通信參數(shù)轉(zhuǎn)換的源標記和目的標記，達到PLC準確控制直流調(diào)速器轉(zhuǎn)矩限幅的效果。

2.5 直流調(diào)速器與弱磁相關故障分析當直流調(diào)速器出現(xiàn)FIELD OVER I（勵磁過電流）故障時，一般情況下是控制環(huán)調(diào)諧不良，建議對電機勵磁回路做自動調(diào)諧。

當直流調(diào)速器出現(xiàn)OVER VOLTS（過電壓）故障時，造成該故障原因很多，如果過電壓故障經(jīng)常在電機轉(zhuǎn)速超過基速以上出現(xiàn)時，可能是勵磁控制方式為電壓控制方式，弱磁功能未激活，需要改為閉環(huán)電流控制方式。

當直流調(diào)速器出現(xiàn)FIELD FAULT（勵磁故障）時，首先檢查在弱磁情況下，最小勵磁電流不能小于6%。

表1 歐陸590+直流調(diào)速器參數(shù)設置表

在電機做自動調(diào)諧時，出現(xiàn)AUTOTUNE ERROR（自動調(diào)諧出錯）故障時，要檢查速度反饋是否超過額定速度的20%或者勵磁電流反饋超過額定勵磁電流的6%。必須按照要求重新做自動調(diào)諧［7］。

3 結(jié) 語

歐陸590+直流調(diào)速器在實際工程中應用較為廣泛，而實現(xiàn)直流電機弱磁調(diào)速是直流調(diào)速技術的難點。依據(jù)弱磁調(diào)速控制原理對歐陸590+直流調(diào)速器實現(xiàn)弱磁調(diào)速功能的具體應用進行分析，重點把握弱磁條件分析和勵磁運算控制框圖的應用。通過調(diào)速器參數(shù)設置和故障分析更好地實現(xiàn)了直流電機弱磁調(diào)速的應用，使用效果良好、故障率低、值得推廣。

［1］Ruan yi，Chen Bai﹣shi．Control Systems of Electric Drives﹣Motion Control Systems［M］．Beijing：China Machine Press，2009．阮 毅，陳伯時主編．電力拖動自動控制系統(tǒng)﹣運動控制系統(tǒng)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

［2］590+Series DC Digital Control Device Product Manual［S］．HA466461U003．Version 1．590+系列直流數(shù)字調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)品使用手冊［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．直流電動機的有限弱磁調(diào)速及其穩(wěn)定性分析［J］．電氣傳動自動化，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．宋寶業(yè)，許 琳，公茂法．直流電機弱磁調(diào)速的臨界條件［J］．電氣電子教學學報，2014，36（1）：61．

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［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．孟彥京，秦報國，高承雍．直流裝置弱磁點的設置對恒張力控制系統(tǒng)的影響［J］．中國造紙，2004，23（9）：41． CPP

（責任編輯：董鳳霞）

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，高級工程師；研究方向：自動化控制。

TP276

A

0254﹣508X（2015）09﹣0042﹣05

2015﹣06﹣10（修改稿）