双环可逆直流调速系统的故障分析与维修
双环可逆直流调速系统的故障分析与维修
黄 艳
（ 湛江市技师学院，广东湛江 524037 ）
摘要：在实际生产中有许多生产机械不仅要求电气传动系统能够调速，而且要求能够快速反转和停车，这就必须采用可逆调速系统。可逆调速系统常采用的方法是改变电磁转矩方向。本文根据自己多年的教学经验和生产实践，主要探讨双环可逆直流调速系统的故障与维修。
关键词：双环可逆；直流调速系统；故障；维修
直流电机的调速方案一般有下列三种方式：改变电枢电压；改变励磁绕组电压；改变电枢回路电阻。其中调节电枢电压的方式最为常用。这种直流调速器的主要工作原理首先是将一路交流电源通过一组由两只可控硅和两只二极管组成的半控桥，整流成恒定的直流电源，提供给直流电机的励磁绕组[1]。
1双环可逆直流调速系统概述
电动机能实现正转和反转运行称为“可逆”。在正向运行时，电动机工作在电动状态。为了快速停车，要求电磁转矩改变方向，这时电动机工作在回馈制动状态，电动机在反向运行时，也有电动状态和回馈制动状态，这种由电动到回馈制动的运行状态也叫“可逆”。如图（1）所示。要改变电动机的转动方向，就必须改变电磁转矩的方向，由电动机的工作原理可知，电磁转矩的公式为：
图（1）逆变状态图
a)整流状态（提升） b)逆变状态（放下） c)机械特性
由此可以看出，要改变电动机电磁转矩的方向有两种方法：一是改变电枢电流Ia的方向，实际上是改变电动机电枢端电压Ud的极性；二是改变电动机励磁磁通的方向，实际上是改变励磁电流的方向。与此两种方法对应的可逆调速系统的主电路就有两种形式，即电枢可逆电路和磁场可逆电路。环流可以分为两大类：一种是静态环流，它是可逆线路在一定的控制角下稳定工作时所出现的环流;另一种是动态环流，它是晶闸管触发相位突然改变时，系统由一种工作状态变为另一种工作状态的过渡过程中产生的环流。系统稳定运行时不存在动态环流。静态环流又可分为直流环流和脉动环流两种。
2双环可逆直流调速系统的故障分析
2.1 在线故障诊断
2.1.1 超速保护
系统采用定时检测主轴光电脉冲发生器输出脉冲数的方法来判别电动机的转速是否超过允许值。计数器的串行输出端 U02作为故障输出端。当出现超速时，U02 发出一个低电平脉冲，经故障中断处理系统，向 CPU 发出中断申请。CPU 接受中断申请后，首先封锁软件导通信号，由硬件提供续流回路，强迫电动机停下[2]。
2.1.2 主电路过电流保护
R为串在电枢回路的电阻，两个比较器分别用于检测正、反方向的过电流。当出现故障时，U03输出低电平。
2.1.3 丢测速反馈保护
在系统的设计中，测速计数值是采用中断形式送入 CPU 的，在每次测速中断处理程序中对某个单元进行特征值的置入。而丢测速反馈的故障信息，则是靠运行中的软件诊断程序来判别的，具体方法是：每隔一段时间内测取特征单元的值，同时把该单元置出错标志，如果取出来的是出错标志，则认为是丢了测速反馈。在设计中，检测时间大于最大的测速中断时间的 5 倍左右。在计算机检测到故障信息时，首先屏蔽所有的中断，其次封锁软件导通信号，然后停机。
2.1.4 缺相与断保险、主电路三极管短路保护
在线检测到故障时，故障处理程序执行的操作为：封锁三极管触发脉冲信号，其次使可控硅触发导通，最后释放接触器 KM 触点。
2.2直流电机仍然可以启动运行，但运行极短的时间后立即报警停机
这种情况可以分为三类：
（1）电机启动时转速表瞬间由零位升至很高，但速度给定并没有进行加大，也就是我们所说的“飞车现象”，此时立即测量检查直流调速器的励磁电压是否正常，大部分直流调速器的励磁电压均是在通电后，直流电机准备运行条件满足的情况下就预先供给，因此可以在停机状态下测量。如果励磁电压不正常，则需更换励磁板件或电源板件；如果励磁电压正常，就测量直流电机励磁绕组是否开路，开路则更换直流电机。
（2）电机启动时转速表和电流表上下摆动很大，电机实际速度忽快忽慢，且听见电机有轻微异响。此时立即检查或更换直流电机的测速发电机或脉冲编码器。如果问题没有解决就检查或更换测速发电机或脉冲编码器的线路及检测板件。另外在一些较为先进的数字式直流调速器有选择速度反馈方式的设定，可以通过直流调速器显示屏将速度反馈方式设定为电压反馈，即通过检测输出的电枢电压，直流调速装置自动将输出的电枢电压换算成理论速度，改为电压反馈后就相当于甩掉测速发电机或脉冲编码器的测量，也可以判断出是否是测速发电机或脉冲编码器的问题。
（3）电机启动时震动大，碳刷和滑环之间火花较大。这种情况基本上是由于个别可控硅没有工作造成的缺波，这也是直流调速器最常见的故障。快速判断的方法是启动完毕并报警停机后立即断电，用手触摸或用测温仪测量每一只可控硅，每只可控硅温度会有较大温差，温度很低的可控硅则可能没有工作，负载电流就全部加载到了工作的可控硅上，从而造成了温差。此时使用一套简单事先自制好的可控硅检测装置测量这些可控硅，确认出损坏的可控硅并加以更换；如果可控硅没有损坏，则更换脉冲触发板即可解决故障[3]。
3双环可逆直流调速系统的维修
3.1故障中断信号处理线路
在系统的运行中，由于要检测的故障信号多，如果采用查询的方式检查故障信号，则故障的响应不够快，因而在这里我们采用中断技术。正因为故障信号多，如何才能使故障响应快，而又硬件简单。LATCH 为故障信号锁存器。每次开机，经由 P 端把锁存器输出置为高电平，然后置 P 为高电平。当有故障情况出现时，相应的锁存器输出为低电平，故障中断申请端 IRO 由低变高，向 CPU 发出中断申请，同时，锁存电源状态信号，用以帮助判断故障源。在中断优先级的安排上，故障中断是最高一级中断，因此只要出现故障情况，CPU 能很快地接受申请，进入中断处理程序。
3.2采用两组晶闸管变流器组成的接线方式
采用两组晶闸管变流器组成的可逆线路又分为两种接线方式，一种为反并联连接，它的特点是由一个交流电源同时向两组晶闸管变流器供电；另一种为交叉连接，它的特点是两组晶闸管变流器由两个独立的交流电源分别供电。在三相全控桥可逆线路中，交叉连接比反并联连接所用的限制环流大小的均衡电抗器数目可少一半，因而，在有环流调速系统中，三相全控桥均采用交叉连接组成可逆调速系统。除此而外，一般采用反并联连接形式。如图（2）所示。
图（2）三相桥式可逆线路
3.3使用正确的故障检测方式
首先在直流电机运行时使用钳形表测量直流调速器前端交流母线进线电流是否相对平衡，不平衡则缺波，然后在安全和有条件的情况下使用红外测温仪测量每个可控硅的温度，或立即停机断电用手触摸及测温仪检测，温度低的可控硅及脉冲触发信号将被列为重点检查对象；再使用万用表测量脉冲触发控制板件上提供给每一个可控硅的脉冲触发电压是否正常，不方便测量的话，可以在开机前将所有脉冲触发信号用电线并联接出直流调速器来检测；如果脉冲触发信号正常，则停机断电，使用可控硅测量装置进行检测，最终能判断出问题所在。
结论
双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ST处于饱和限幅状态。转速环相当于开路，.系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想启动过程曲线。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ST发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统应具有良好的静态和动态品质。
参考文献
[1] 程刚. 单片机控制直流调速系统的研究[J]. 科技信息，2010.8：111-112.
[2] 魏翠琴. 基于自适应模糊PID控制的双闭环直流调速系统[J]. 科技信息(科学教研)，2010.8：473-475.
[3] 梁正郁; 梁则新. 直流调速系统中配合控制的有环流可逆调速系统[J]. 哈尔滨铁道科技，2003.3：30-32.
作者简介：
黄艳（1968—），女，湛江技师学院讲师，主要从事电气自动化专业的教学与研究 。
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