無濾波電容整流供電的直流電動機性能分析

于浩霞，王秀和，徐定旺，楊玉波

(山東大學，濟南 250061)

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無濾波電容整流供電的直流電動機性能分析

于浩霞，王秀和，徐定旺，楊玉波

(山東大學，濟南 250061)

以一臺180 W永磁直流電動機為研究對象，對標準直流電源、工頻交流電壓整流(帶濾波電容)和工頻交流電壓整流(無濾波電容)三種方式供電時電機的穩態性能進行了仿真計算和試驗研究。結果表明，前兩種供電方式電機的性能相差不大，而第三種供電方式電機供電電壓、電磁轉矩、電樞電流等性能波動較大，轉速降低，換向性能惡化，振動、噪聲增大，系統效率降低。

永磁直流電動機；整流電路；濾波電容；運行性能

0 引 言

永磁直流電動機具有調速平滑、調速范圍廣、調速方便等優異的調速性能，且結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、效率高，得到了廣泛應用[1-2]。目前永磁直流電動機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，在整流單元和負載之間并聯著濾波器進行濾波[3]，以提高負載供電電壓的質量[4-6]。許多獨立電源系統中的不可控整流單元都并聯著電解電容器濾波[7-9],文獻[10]中船舶動力系統三相橋采用并聯電容器濾波，文獻[11-12]中飛機電源系統十二脈二極管整流器也采用并聯電容器濾波。文獻[13]指出直流側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側輸入接口而應用廣泛。由于濾波電容體積較大，在某些對體積要求高的場合，有時取消濾波電容。整流電路供電的永磁直流電動機取消濾波電容將導致永磁直流電動機供電電壓波形與帶濾波電容時的電壓波形有較大差距，勢必導致電機的運行性能，如電流、轉矩、轉速、瞬時功率等產生變化，還可能影響電機的換向，增大振動和噪聲。

本文研究整流二極管組成的不可控整流橋(無濾波電容)直接對永磁直流電動機供電時電機的性能。首先從原理上闡述取消濾波電容對永磁直流電動機運行性能的影響，然后對有濾波電容、無濾波電容和標準直流電源供電三種情況下電機的性能進行有限元仿真分析和試驗驗證。結果表明，無濾波電容時，永磁直流電動機供電電壓較大的周期性波動導致電樞電流、電磁轉矩、瞬時輸入功率都出現較大的周期性波動，轉速也出現明顯波動，供電電壓的降低導致轉速降低，且無濾波電容時系統效率降低，電機換向性能惡化，振動、噪聲增強。

1 無濾波電容對電機運行性能影響的理論分析

工頻單相交流電經過帶濾波電容的整流電路對永磁直流電動機供電的電路拓撲結構如圖1所示。圖中，二極管VD1～VD4構成不可控整流橋，將工頻單相交流電轉換為脈動直流電壓，濾波電容C對脈動直流電壓進行濾波，減小電壓波動[14]，得到仍含一定諧波的直流電壓[15]。

圖1 整流供電的電路結構

當供電電路沒有濾波電容時，永磁直流電動機的供電電壓變化較大，導致電樞電流、電磁轉矩產生較大波動。由于電機及其負載具有一定的轉動慣量，電機的轉速變化并不大，為便于分析，假定其不變。永磁直流電動機的氣隙磁場隨負載變化很小，可以認為每極磁通Φ不變，則感應電動勢與轉速成正比。當轉速不變時，感應電動勢E也不變，則供電電壓與感應電動勢的關系如圖2所示。

圖2 供電電壓與感應電動勢波形示意圖

由永磁直流電動機的電路方程U=E+IaRa可知:

(1)

式中:Ia為電樞電流;Ra為電樞回路總電阻。當U小于E時，整流電路不給電機供電；當U大于E時，整流電路對電機供電，由于Ra較小，由式(1)可知，電樞電流將出現較大的周期性波動，導致電磁轉矩也出現較大的周期性波動，進而影響轉速的波動。

供電電壓和電樞電流的波動，使得電機瞬時輸入功率波動，供電電壓降低，使得電機的轉速降低，此外還可能使系統效率降低，電機換向惡化，振動、噪聲增強。

2 電機運行性能的有限元仿真

為研究取消濾波電容對永磁直流電動機穩態運行性能的影響，本文采用瞬態有限元法對一臺額定直流電壓300V、功率180W、2極永磁直流電動機(參數如表1所示)建立二維有限元模型，進行仿真研究。該電機采用單相全波整流，帶270μF濾波電容，電機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(無濾波電容)三種供電方式供電，并均帶額定負載運行。

表1 永磁直流電動機主要參數

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應的供電電路，將供電電路和有限元模型進行聯合仿真計算。

2.1 直流300 V供電

圖3是直流電源300 V供電時的供電電壓、電樞電流、電磁轉矩和轉速的計算結果。可以看出，直流供電時，電動機達到穩態時，電樞電流、電磁轉矩基本無波動，轉速平穩，電機運行穩定。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉矩

(d) 轉速

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)供電時的供電電壓、電樞電流、電磁轉矩和轉速的計算結果。與圖3比較，可以看出，穩態時電樞電流、電磁轉矩有明顯波動，但轉速波動不明顯。由于平均電壓略低于300 V，其穩態轉速也略低于300 V直流電源供電的情況。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉矩

(d) 轉速

2.3 220 V工頻交流電壓整流(無濾波電容)供電

將220 V工頻交流電壓整流，不經電容濾波，直接對電機供電，得到電機供電電壓、電樞電流、電磁轉矩和轉速的仿真計算結果，如圖5所示。可以看出，由于無濾波電容，電機的供電電壓波動很大，且其平均值比300 V低得多，導致電磁轉矩和電樞電流有很大的波動，電機的轉速有明顯波動且有大幅度下降。

圖5(a)、圖5(b)顯示，當U大于E時，整流電路對電機供電，電機的供電電壓隨整流電路輸出電壓波動，當U小于E時，整流電路不給電機供電，當電機電樞電流減小到0時，電機兩端電壓為電機的反電勢E。

(a) 供電電壓

(b) 電樞電流

(c) 電磁轉矩

(d) 轉速

可以看出，取消濾波電容，對電機的運行性能有較大影響，電機穩態運行穩定性變差。

3 試驗驗證

3.1 穩態運行時各物理量的測試

為驗證采用上述三種方式對永磁直流電動機供電、電機帶額定轉矩(0.63 N·m)達到穩態時運行性能的不同，利用圖6的試驗裝置對電壓、電流進行了測試，據此計算出電機的瞬時輸入功率P1，利用轉速表測量了轉速，利用MTS-1電機測試系統測試了整個系統的效率。由于缺乏動態轉矩的測量手段且電磁轉矩與電流成正比，沒有進行動態轉矩的測量。

圖6 試驗設備

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(無濾波電容)供電時電機的供電電壓、電樞電流和瞬時輸入功率的測試結果。

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時輸入功率

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時輸入功率

(a) 供電電壓和電樞電流

(b) 瞬時輸入功率

圖9(a)顯示，當U大于E時，整流電路對電機供電，電機的供電電壓隨整流電路輸出電壓波動；當U小于E時，整流電路不給電機供電；當電機電樞電流減小到0時，電機兩端電壓為電機的反電勢E，與仿真波形一致。

試驗用轉速表測得電機的轉速，直流300 V供電時轉速為2 776 r/min，220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時轉速為2 601 r/min，220 V工頻電壓整流(無濾波電容)供電時轉速為1 780 r/min。

試驗用MTS-1電機測試系統測得整個系統的效率，直流300 V供電時系統效率為74.9%，220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時系統效率為74.3%，220 V工頻交流電壓整流(無濾波電容)供電時系統效率為73.3%。

由以上測試結果可以看出，取消濾波電容，導致電機的供電電壓、電磁轉矩、電樞電流、瞬時輸入功率有大幅度的周期性波動，電機的供電電壓和轉速有較大幅度的降低，系統的效率降低。

3.2 換向試驗

從上述仿真計算結果和測試結果可以看出，供電方式的不同導致電機的轉速和電流的大小和波動幅度都產生較大差異，必然對電機的換向產生影響，最直觀的表現是電刷和換向器產生的火花強烈程度，打開位于機殼上換向器端的視窗孔，可以觀察換向器表面的火花。電機帶額定轉矩，采用三種方式供電時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電壓供電時的火花很輕微，帶濾波電容的整流電路供電時的火花增大，而無濾波電容時的火花最嚴重。前兩種情況下電機的轉速分別為2 776 r/min和2 601 r/min，而第三種情況下電機的轉速是1 780 r/min，考慮到電機的換向受轉速影響很大，將第三種情況下的供電電壓經自耦單相調壓器升高到調壓器的最高輸出電壓250 V，電機轉速達到2 219 r/min，此時的換向火花如圖10(d)所示，可以看出，換向火花顯著增強。

總之，換向試驗表明取消濾波電容使電機換向性能大大惡化。

(a) 直流300 V供電時的火花(2776r/min)

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

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

3.3 振動和噪聲試驗

為研究取消濾波電容對永磁直流電動機穩態運行振動、噪聲的影響，對永磁直流電動機采用上述三種方式供電情況下的振動和噪聲進行測試。試驗用測功機加額定轉矩，用TES-1353積分式噪聲計測定噪聲，用加速度傳感器測振動，用Coinv DASP V10數據采集和信號處理系統獲得振動時域圖。試驗背景噪聲36 dB，采集10 s時間內的數據，取其中0.5 s(2～2.5 s)進行分析。

上述三種供電方式下的振動時域圖如圖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供電時電機振動水平略高，無濾波電容供電時電機振動水平最高。直流300 V供電時噪聲計示數為59.1 dB，帶濾波電容供電時噪聲計示數為61.0 dB，無濾波電容供電時噪聲計示數為63.9 dB。

電機的振動和噪聲與轉速密切相關，而無濾波電容供電時電機的轉速較有濾波電容時低很多，將該供電方式的供電電壓經自耦單相調壓器升高到調壓器的最高輸出電壓250 V，電機轉速從1 780 r/min升高到2 219 r/min，其振動、噪聲時域圖如圖11(d)所示。電機振動水平比前三組試驗都大，此時噪聲計示數為64.7 dB。

可以看出，取消濾波電容使電機的振動和噪聲水平顯著提高。

(a) 直流300 V供電時

(b) 220 V工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電時

(c) 220 V工頻交流電壓整流(無濾波電容)供電時

(d) 250 V工頻交流電壓整流(無濾波電容)供電時

4 結 語

本文對一臺永磁直流電動機采用直流供電、工頻交流電壓整流(帶濾波電容)供電、工頻交流電壓整流(無濾波電容)供電三種方式供電，對供電電壓、電樞電流、電磁轉矩、轉速、瞬時輸入功率進行了仿真和試驗研究，并對系統效率、電機換向火花、電機振動和噪聲進行了測試。研究結果表明：

1)取消濾波電容使得電機穩態運行時供電電壓大幅周期性波動，導致電樞電流、電磁轉矩、瞬時輸入功率大幅周期性波動，進而導致轉速出現明顯波動，降低了電機穩態運行的穩定性。

2)取消濾波電容使得電機穩態運行時供電電壓降低，導致電機的轉速顯著下降。

3)取消濾波電容使得電機穩態運行時整個系統的效率降低。

4)取消濾波電容使得電機穩態運行時換向火花更加明亮，電機換向性能惡化。

5)取消濾波電容使得電機穩態運行時振動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，研究方向為永磁電機。