無(wú)濾波電容整流供電的直流電動(dòng)機(jī)性能分析

于浩霞，王秀和，徐定旺，楊玉波

(山東大學(xué)，濟(jì)南 250061)

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無(wú)濾波電容整流供電的直流電動(dòng)機(jī)性能分析

于浩霞，王秀和，徐定旺，楊玉波

(山東大學(xué)，濟(jì)南 250061)

以一臺(tái)180 W永磁直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直流電源、工頻交流電壓整流(帶濾波電容)和工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)三種方式供電時(shí)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，前兩種供電方式電機(jī)的性能相差不大，而第三種供電方式電機(jī)供電電壓、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流等性能波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)速降低，換向性能惡化，振動(dòng)、噪聲增大，系統(tǒng)效率降低。

永磁直流電動(dòng)機(jī)；整流電路；濾波電容；運(yùn)行性能

0 引 言

永磁直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、調(diào)速方便等優(yōu)異的調(diào)速性能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、效率高，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前永磁直流電動(dòng)機(jī)大多采用整流電路供電。整流電路由主電路和濾波電路兩部分組成，主電路由整流單元組成，在整流單元和負(fù)載之間并聯(lián)著濾波器進(jìn)行濾波[3]，以提高負(fù)載供電電壓的質(zhì)量[4-6]。許多獨(dú)立電源系統(tǒng)中的不可控整流單元都并聯(lián)著電解電容器濾波[7-9],文獻(xiàn)[10]中船舶動(dòng)力系統(tǒng)三相橋采用并聯(lián)電容器濾波，文獻(xiàn)[11-12]中飛機(jī)電源系統(tǒng)十二脈二極管整流器也采用并聯(lián)電容器濾波。文獻(xiàn)[13]指出直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流器作為中、大功率電力電子裝置的電網(wǎng)側(cè)輸入接口而應(yīng)用廣泛。由于濾波電容體積較大，在某些對(duì)體積要求高的場(chǎng)合，有時(shí)取消濾波電容。整流電路供電的永磁直流電動(dòng)機(jī)取消濾波電容將導(dǎo)致永磁直流電動(dòng)機(jī)供電電壓波形與帶濾波電容時(shí)的電壓波形有較大差距，勢(shì)必導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)行性能，如電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)功率等產(chǎn)生變化，還可能影響電機(jī)的換向，增大振動(dòng)和噪聲。

本文研究整流二極管組成的不可控整流橋(無(wú)濾波電容)直接對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)供電時(shí)電機(jī)的性能。首先從原理上闡述取消濾波電容對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響，然后對(duì)有濾波電容、無(wú)濾波電容和標(biāo)準(zhǔn)直流電源供電三種情況下電機(jī)的性能進(jìn)行有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，無(wú)濾波電容時(shí)，永磁直流電動(dòng)機(jī)供電電壓較大的周期性波動(dòng)導(dǎo)致電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、瞬時(shí)輸入功率都出現(xiàn)較大的周期性波動(dòng)，轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)明顯波動(dòng)，供電電壓的降低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低，且無(wú)濾波電容時(shí)系統(tǒng)效率降低，電機(jī)換向性能惡化，振動(dòng)、噪聲增強(qiáng)。

1 無(wú)濾波電容對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能影響的理論分析

工頻單相交流電經(jīng)過(guò)帶濾波電容的整流電路對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)供電的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，二極管VD1～VD4構(gòu)成不可控整流橋，將工頻單相交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電壓，濾波電容C對(duì)脈動(dòng)直流電壓進(jìn)行濾波，減小電壓波動(dòng)[14]，得到仍含一定諧波的直流電壓[15]。

圖1 整流供電的電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)供電電路沒有濾波電容時(shí)，永磁直流電動(dòng)機(jī)的供電電壓變化較大，導(dǎo)致電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動(dòng)。由于電機(jī)及其負(fù)載具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化并不大，為便于分析，假定其不變。永磁直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)隨負(fù)載變化很小，可以認(rèn)為每極磁通Φ不變，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也不變，則供電電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 供電電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形示意圖

由永磁直流電動(dòng)機(jī)的電路方程U=E+IaRa可知:

(1)

式中:Ia為電樞電流;Ra為電樞回路總電阻。當(dāng)U小于E時(shí)，整流電路不給電機(jī)供電；當(dāng)U大于E時(shí)，整流電路對(duì)電機(jī)供電，由于Ra較小，由式(1)可知，電樞電流將出現(xiàn)較大的周期性波動(dòng)，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)較大的周期性波動(dòng)，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

供電電壓和電樞電流的波動(dòng)，使得電機(jī)瞬時(shí)輸入功率波動(dòng)，供電電壓降低，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，此外還可能使系統(tǒng)效率降低，電機(jī)換向惡化，振動(dòng)、噪聲增強(qiáng)。

2 電機(jī)運(yùn)行性能的有限元仿真

為研究取消濾波電容對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能的影響，本文采用瞬態(tài)有限元法對(duì)一臺(tái)額定直流電壓300V、功率180W、2極永磁直流電動(dòng)機(jī)(參數(shù)如表1所示)建立二維有限元模型，進(jìn)行仿真研究。該電機(jī)采用單相全波整流，帶270μF濾波電容，電機(jī)輸入端的直流輸出電壓約為300V。因此，分別用300 V直流電源、220 V工頻交流電壓整流(帶270 μF濾波電容)和220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)三種供電方式供電，并均帶額定負(fù)載運(yùn)行。

表1 永磁直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

二維有限元模型采用外電路供電方式，分別搭建上述三種供電方式對(duì)應(yīng)的供電電路，將供電電路和有限元模型進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。

2.1 直流300 V供電

圖3是直流電源300 V供電時(shí)的供電電壓、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，直流供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩基本無(wú)波動(dòng)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

(d) 轉(zhuǎn)速

2.2 220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電

圖4是220 V工頻交流電壓整流(帶270 μF濾波電容)供電時(shí)的供電電壓、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果。與圖3比較，可以看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩有明顯波動(dòng)，但轉(zhuǎn)速波動(dòng)不明顯。由于平均電壓略低于300 V，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也略低于300 V直流電源供電的情況。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

(d) 轉(zhuǎn)速

2.3 220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電

將220 V工頻交流電壓整流，不經(jīng)電容濾波，直接對(duì)電機(jī)供電，得到電機(jī)供電電壓、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的仿真計(jì)算結(jié)果，如圖5所示?？梢钥闯觯捎跓o(wú)濾波電容，電機(jī)的供電電壓波動(dòng)很大，且其平均值比300 V低得多，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流有很大的波動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速有明顯波動(dòng)且有大幅度下降。

圖5(a)、圖5(b)顯示，當(dāng)U大于E時(shí)，整流電路對(duì)電機(jī)供電，電機(jī)的供電電壓隨整流電路輸出電壓波動(dòng)，當(dāng)U小于E時(shí)，整流電路不給電機(jī)供電，當(dāng)電機(jī)電樞電流減小到0時(shí)，電機(jī)兩端電壓為電機(jī)的反電勢(shì)E。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

(d) 轉(zhuǎn)速

可以看出，取消濾波電容，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有較大影響，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性變差。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各物理量的測(cè)試

為驗(yàn)證采用上述三種方式對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)供電、電機(jī)帶額定轉(zhuǎn)矩(0.63 N·m)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)運(yùn)行性能的不同，利用圖6的試驗(yàn)裝置對(duì)電壓、電流進(jìn)行了測(cè)試，據(jù)此計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)輸入功率P1，利用轉(zhuǎn)速表測(cè)量了轉(zhuǎn)速，利用MTS-1電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了整個(gè)系統(tǒng)的效率。由于缺乏動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量手段且電磁轉(zhuǎn)矩與電流成正比，沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備

圖7～圖9分別是300 V直流電壓、220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)和220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)電機(jī)的供電電壓、電樞電流和瞬時(shí)輸入功率的測(cè)試結(jié)果。

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時(shí)輸入功率

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時(shí)輸入功率

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時(shí)輸入功率

圖9(a)顯示，當(dāng)U大于E時(shí)，整流電路對(duì)電機(jī)供電，電機(jī)的供電電壓隨整流電路輸出電壓波動(dòng)；當(dāng)U小于E時(shí)，整流電路不給電機(jī)供電；當(dāng)電機(jī)電樞電流減小到0時(shí)，電機(jī)兩端電壓為電機(jī)的反電勢(shì)E，與仿真波形一致。

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)速表測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流300 V供電時(shí)轉(zhuǎn)速為2 776 r/min，220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時(shí)轉(zhuǎn)速為2 601 r/min，220 V工頻電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)轉(zhuǎn)速為1 780 r/min。

試驗(yàn)用MTS-1電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得整個(gè)系統(tǒng)的效率，直流300 V供電時(shí)系統(tǒng)效率為74.9%，220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時(shí)系統(tǒng)效率為74.3%，220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)系統(tǒng)效率為73.3%。

由以上測(cè)試結(jié)果可以看出，取消濾波電容，導(dǎo)致電機(jī)的供電電壓、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、瞬時(shí)輸入功率有大幅度的周期性波動(dòng)，電機(jī)的供電電壓和轉(zhuǎn)速有較大幅度的降低，系統(tǒng)的效率降低。

3.2 換向試驗(yàn)

從上述仿真計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果可以看出，供電方式的不同導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的大小和波動(dòng)幅度都產(chǎn)生較大差異，必然對(duì)電機(jī)的換向產(chǎn)生影響，最直觀的表現(xiàn)是電刷和換向器產(chǎn)生的火花強(qiáng)烈程度，打開位于機(jī)殼上換向器端的視窗孔，可以觀察換向器表面的火花。電機(jī)帶額定轉(zhuǎn)矩，采用三種方式供電時(shí)的火花情況分別如圖10(a)、圖10(b)和圖10(c)所示。可以看出，直流300 V電壓供電時(shí)的火花很輕微，帶濾波電容的整流電路供電時(shí)的火花增大，而無(wú)濾波電容時(shí)的火花最嚴(yán)重。前兩種情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為2 776 r/min和2 601 r/min，而第三種情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1 780 r/min，考慮到電機(jī)的換向受轉(zhuǎn)速影響很大，將第三種情況下的供電電壓經(jīng)自耦單相調(diào)壓器升高到調(diào)壓器的最高輸出電壓250 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 219 r/min，此時(shí)的換向火花如圖10(d)所示，可以看出，換向火花顯著增強(qiáng)。

總之，換向試驗(yàn)表明取消濾波電容使電機(jī)換向性能大大惡化。

(a) 直流300 V供電時(shí)的火花(2776r/min)

(c) 220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)的火花(1 780 r/min)

(d) 250 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)的火花(2 219 r/min)

3.3 振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)

為研究取消濾波電容對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行振動(dòng)、噪聲的影響，對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)采用上述三種方式供電情況下的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)用測(cè)功機(jī)加額定轉(zhuǎn)矩，用TES-1353積分式噪聲計(jì)測(cè)定噪聲，用加速度傳感器測(cè)振動(dòng)，用Coinv DASP V10數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)獲得振動(dòng)時(shí)域圖。試驗(yàn)背景噪聲36 dB，采集10 s時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，取其中0.5 s(2～2.5 s)進(jìn)行分析。

上述三種供電方式下的振動(dòng)時(shí)域圖如圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)所示。可以看出，帶濾波電容供電比直流300 V供電時(shí)電機(jī)振動(dòng)水平略高，無(wú)濾波電容供電時(shí)電機(jī)振動(dòng)水平最高。直流300 V供電時(shí)噪聲計(jì)示數(shù)為59.1 dB，帶濾波電容供電時(shí)噪聲計(jì)示數(shù)為61.0 dB，無(wú)濾波電容供電時(shí)噪聲計(jì)示數(shù)為63.9 dB。

電機(jī)的振動(dòng)和噪聲與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，而無(wú)濾波電容供電時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較有濾波電容時(shí)低很多，將該供電方式的供電電壓經(jīng)自耦單相調(diào)壓器升高到調(diào)壓器的最高輸出電壓250 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 780 r/min升高到2 219 r/min，其振動(dòng)、噪聲時(shí)域圖如圖11(d)所示。電機(jī)振動(dòng)水平比前三組試驗(yàn)都大，此時(shí)噪聲計(jì)示數(shù)為64.7 dB。

可以看出，取消濾波電容使電機(jī)的振動(dòng)和噪聲水平顯著提高。

(a) 直流300 V供電時(shí)

(b) 220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時(shí)

(c) 220 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)

(d) 250 V工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電時(shí)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)一臺(tái)永磁直流電動(dòng)機(jī)采用直流供電、工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電、工頻交流電壓整流(無(wú)濾波電容)供電三種方式供電，對(duì)供電電壓、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)輸入功率進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，并對(duì)系統(tǒng)效率、電機(jī)換向火花、電機(jī)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明：

1)取消濾波電容使得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)供電電壓大幅周期性波動(dòng)，導(dǎo)致電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、瞬時(shí)輸入功率大幅周期性波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯波動(dòng)，降低了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2)取消濾波電容使得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)供電電壓降低，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯著下降。

3)取消濾波電容使得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。

4)取消濾波電容使得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)換向火花更加明亮，電機(jī)換向性能惡化。

5)取消濾波電容使得電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲水平顯著提高。

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Analysis on Performance of the DC Motor Fed by Rectifier Circuit Without Filter Capacitor

YU Hao-xia,WANG Xiu-he,XU Ding-wang,YANG Yu-bo

(Shandong University,Jinan 250061,China)

Simulation analysis and experimental research were accomplished according to a 180 W permanent magnet direct current motor. The permanent magnet direct current motor was fed by three different ways. One way is to use standard DC power supply,one way is to use DC from rectifier circuit supplied by 220 V AC(with filter capacitor), the other way is to use DC from rectifier circuit supplied by 220 V AC(without filter capacitor). The simulation and experiment results indicate that the performance of the first two ways are almost the same and the third way shows larger fluctuation of supply voltage,electromagnetic torque,armature current and other performances,lower speed,worse reversing performance,stronger vibration,louder noise and lower system efficiency than the first two ways because there is no filter capacitor.

permanent magnet direct current motor; rectifier circuit; filter capacitor; operation performance

2015-09-07

TM33

A

1004-7018(2016)03-0027-05

于浩霞(1989-)， 女，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)。