2.7 直流電動(dòng)機(jī)控制電路

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)與調(diào)速性能，容易實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中直流拖動(dòng)系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的控制已成為電力拖動(dòng)自動(dòng)控制的重要組成部分。

直流電動(dòng)機(jī)可按勵(lì)磁方式來分類，如電樞電源與勵(lì)磁電源分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，則稱為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；而當(dāng)勵(lì)磁繞組與電樞繞組以一定方式連接后，由一個(gè)電源供電時(shí)，則按其連接方式的不同而分并勵(lì)、串勵(lì)及復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。在機(jī)床等設(shè)備中，以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較多，而在牽引設(shè)備中，則以串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較多。

下面介紹工廠常用的直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動(dòng)的方法及電路。

1.直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制

直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特點(diǎn)之一是起動(dòng)沖擊電流大，可達(dá)額定電流的10～20倍。這樣大的電流將可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)換向器和電樞繞組的損壞，同時(shí)對(duì)電源也是沉重的負(fù)擔(dān)，大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和加速度對(duì)機(jī)械部件也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。因此，一般不允許直流電動(dòng)機(jī)全壓直接起動(dòng)，必須采用加大電樞電路電阻或減低電樞電壓的方法來限制其起動(dòng)電流。

圖2-29所示為電樞串二級(jí)電阻、按時(shí)間原則起動(dòng)的控制電路。圖中KA₁為過電流繼電器，KM₁為起動(dòng)接觸器，KM₂、KM₃為短接起動(dòng)電阻接觸器，KT₁、KT₂為時(shí)間繼電器，KA₂為欠電流繼電器，R₃為放電電阻。

電路工作原理為：合上電源開關(guān)Q₁和控制開關(guān)Q₂，KT₁通電，KT₁常閉觸點(diǎn)斷開，切斷KM₂、KM₃電路。保證起動(dòng)時(shí)串入電阻R₁、R₂。按下起動(dòng)按鈕SB₂，KM₁通電并自鎖，主觸點(diǎn)閉合，接通電動(dòng)機(jī)電樞電路，電樞串入二級(jí)電阻起動(dòng)，同時(shí)KT₁斷電，為KM₂、KM₃通電短接電樞回路電阻做準(zhǔn)備。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，并接在R₁電阻兩端的KT₂通電，其常閉觸點(diǎn)打開，使KM₃不能通電，確保R₂串入電樞。

經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)后，KT₁延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合，KM₂通電，短接電阻R₁，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電樞電流減小，為保持一定的加速轉(zhuǎn)矩，在起動(dòng)過程中將串接電阻逐級(jí)切除，就在R₁被短接的同時(shí)，KT₂線圈斷電，經(jīng)一定延時(shí)，KT₂常閉觸點(diǎn)閉合，KM₃通電，短接R₂，電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，起動(dòng)過程結(jié)束。

電路中采用過電流繼電器KA₁實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)和短路保護(hù)；采用欠電流繼電器KA₂實(shí)現(xiàn)欠磁場(chǎng)保護(hù)；采用電阻R₃與二極管VD構(gòu)成電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組斷開電源時(shí)的放電回路，避免過電壓。

圖2-29 電樞串二級(jí)電阻、按時(shí)間原則起動(dòng)的控制電路

2.直流電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向取決于電磁轉(zhuǎn)矩M=C_M?I的方向，因此改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向有兩種方法，即：當(dāng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組端電壓的極性不變，改變電樞繞組端電壓的極性，或者電樞繞組兩端電壓極性不變，改變勵(lì)磁繞組端電壓的極性，都可以改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。但當(dāng)兩者的電壓極性同時(shí)改變時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向維持不變。由于前者電磁慣性大，對(duì)于頻繁正/反向運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，通常采用后一種方法。

圖2-30所示為直流電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的起動(dòng)控制電路。圖中KM₁、KM₂為正、反轉(zhuǎn)接觸器，KM₃、KM₄為短接電樞電阻接觸器，KT₁、KT₂為時(shí)間繼電器，KA₁為過電流繼電器，KA₂為欠電流繼電器，R₁、R₂為起動(dòng)電阻，R₃為放電電阻。其電路工作情況與圖2-29所示相同，此處不再重復(fù)。在直流電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制電路中，通常都設(shè)有制動(dòng)和聯(lián)鎖電路，以確保在電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后，再作反向起動(dòng)，以免直接反向產(chǎn)生過大的電流。

圖2-30 直流電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的起動(dòng)控制電路

3.直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制

直流電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是能在很大的范圍內(nèi)具有平滑、平穩(wěn)的調(diào)速性能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要技術(shù)指標(biāo)是，調(diào)速范圍D、負(fù)載變化時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響即靜差率s以及調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載性質(zhì)等。

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有以下4種方法：改變電樞回路電阻值調(diào)速、改變勵(lì)磁電流調(diào)速和改變電樞電壓調(diào)速和混合調(diào)速。圖2-31所示為改變勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)速的控制電路，它是T4163坐標(biāo)鏜床主傳動(dòng)電路的一部分。電動(dòng)機(jī)的直流電源采用兩相零式整流電路，當(dāng)起動(dòng)時(shí)，電樞回路中串入起動(dòng)電阻R，以限制起動(dòng)電流；在起動(dòng)過程結(jié)束后，由接觸器KM₃切除。同時(shí)該電阻還兼作制動(dòng)時(shí)的限流電阻。將電動(dòng)機(jī)的并勵(lì)繞組串入調(diào)速電阻R₃，調(diào)節(jié)R₃即可對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。與勵(lì)磁繞組并聯(lián)的電阻R₂是為吸收勵(lì)磁繞組的磁能而設(shè)，以免接觸器斷開瞬間因過高的自感電動(dòng)勢(shì)擊穿絕緣，或使接觸器火花太大而燒蝕。接觸器KM₁為能耗制動(dòng)接觸器，KM₂為工作接觸器，KM₃為切除起動(dòng)電阻用的接觸器，它們的工作過程如下。

1）起動(dòng)。按下起動(dòng)按鈕SB₂，KM₂、KT得電吸合并自鎖，電動(dòng)機(jī)M串電阻R起動(dòng)，KT經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)后，其延時(shí)閉合的常開觸點(diǎn)閉合，使KM₃吸合并自保，切除起動(dòng)電阻R，起動(dòng)過程結(jié)束。

2）調(diào)速。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)節(jié)電阻器R₃，即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3）停車及制動(dòng)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，只要按下停止按鈕SB₁，接觸器KM₂及KM₃就斷電釋放，切斷電樞回路電源，同時(shí)KM₁通電吸合，其主觸點(diǎn)閉合，通過R使能耗制動(dòng)回路接通，同時(shí)通過KM₁的另一對(duì)常開觸點(diǎn)短接電容C，使電源電壓全部加于勵(lì)磁繞組，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程中的強(qiáng)勵(lì)作用，加強(qiáng)制動(dòng)效果。松開按鈕SB₁，制動(dòng)結(jié)束，電路又處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。

圖2-31 改變勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)速的控制電路

4.直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)控制

與交流電動(dòng)機(jī)類似，直流電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和再生發(fā)電制動(dòng)等。為了能夠準(zhǔn)確、迅速停車，一般只采用能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)。

（1）能耗制動(dòng)控制電路

圖2-32所示為直流電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)行串二級(jí)電阻起動(dòng)，停車采用單向運(yùn)行能耗制動(dòng)的控制電路。圖中KM₁為電源接觸器，KM₂、KM₃為起動(dòng)接觸器，KM₄為制動(dòng)接觸器，KA₁為過電流繼電器，KA₂為欠電流繼電器，KA₃為電壓繼電器，KT₁、KT₂為時(shí)間繼電器。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電路工作情況與圖2-34所示相同，停車時(shí)，按下停止按鈕SB₁、KM₁斷電，切斷電樞直流電源。此時(shí)電動(dòng)機(jī)因慣性，仍以較高速度旋轉(zhuǎn)，電樞兩端仍有一定電壓，并聯(lián)在電樞兩端的KA₃經(jīng)自鎖觸點(diǎn)仍保持通電，使KM₄通電，將電阻R₄并接在電樞兩端，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，轉(zhuǎn)速急劇下降，電樞電動(dòng)勢(shì)也隨之下降，當(dāng)降至一定值時(shí)，KA₃釋放，KM₄斷電，電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)結(jié)束。

圖2-32 直流電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)行能耗制動(dòng)控制電路

（2）反接制動(dòng)控制電路

圖2-33所示為電動(dòng)機(jī)可逆旋轉(zhuǎn)、反接制動(dòng)控制電路。圖中KM₁、KM₂為正、反轉(zhuǎn)接觸器，KM₃、KM₄為起動(dòng)接觸器，KM₅為反接制動(dòng)接觸器，KA₁為過電流繼電器，KA₂為欠電流繼電器，KA₃、KA₄為反接制動(dòng)電壓繼電器，KT₁、KT₂為時(shí)間繼電器，R₁、R₂為起動(dòng)電阻，R₃為放電電阻，R₄為制動(dòng)電阻，SQ₁為正轉(zhuǎn)變反轉(zhuǎn)行程開關(guān)，SQ₂為反轉(zhuǎn)變正轉(zhuǎn)行程開關(guān)。該電路采用時(shí)間原則兩級(jí)起動(dòng)，能正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，并能通過行程開關(guān)SQ₁、SQ₂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。在換向過程中，電路能實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)，以加快換向過程。下面以電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)反向?yàn)槔f明電路工作情況。

圖2-33 電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)、反接制動(dòng)控制電路

電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)，拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，當(dāng)撞塊壓下行程開關(guān)SQ₁時(shí)，KM₁、KM₃、KM₄、KM₅、KA₃斷電，KM₂通電。使電動(dòng)機(jī)電樞接上反向電源，同時(shí)KA₄通電。

由于機(jī)械慣性存在，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電動(dòng)勢(shì)E_M的大小和方向來不及變化，且電動(dòng)勢(shì)E_M的方向與電壓降IR方向相反，此時(shí)反接電壓繼電器KA₄的線圈電壓很小，不足以使KA₄通電，使KM₃、KM₄、KM₅線圈處于斷電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)電樞串入全部電阻進(jìn)行反接制動(dòng)。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，E_M逐漸減小，反接繼電器KA₄上電壓逐漸增加，當(dāng)n≈0，E_M≈0，加至KA₄線圈兩端電壓使它吸合，使KM₅通電，短接反接制動(dòng)電阻R₄電機(jī)串入R₁、R₂進(jìn)行反向起動(dòng)，直至反向正常運(yùn)轉(zhuǎn)為止。

當(dāng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件、撞塊壓下SQ₂時(shí)，由KA₃控制實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)—制動(dòng)—正向起動(dòng)過程。