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摘 要：直流电动机的调速方法一般来讲有变电枢回路电阻调速、变电枢回路电压调速和变磁通调速三种。当某种方案选定后，会固定其他变量而通过调节主调量来实现电机的调速目的。然而，当被固定的变量发生偏移或者变动时会对整个调速系统产生调速精度下降、效率降低、电机温升升高等不利影响，而这些干扰往往不易被察觉。文章通过生产实际案例分析直流电动机励磁电流过压引起的电机运行环境恶化及产生原因。
关键词：直流电机；励磁过压；过温；换向火花大显示对应的拉丁字符的拼音
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0082-02
1 驱动及调整改造需要
平台泥浆泵采用的是直流电机驱动：电机型号为GE782（800 HP 750 VDC 励磁电流50.5 A 励磁回路100v 40-60a），调速系统原先是西门子的模拟电路调速。属于20世纪70年代产品，因年代久系统故障率高，备件采购成本高且有些配件厂家已不再提供。因此，需要对原调速系统进行升级改造。使调速系统由原来的模拟控制改为数字控制。因为后者具有以下优点：
①精度高、速度快、存储量大，有强大的计算、调节和逻辑判断功能，可实现许多过去无法实现的高级复杂的控制方法，从而获得快速、精密的控制效果。
②可以在统一的硬件电路和基础软件上，根据现场需要调整软件设计来实现不同的控制系统要求，既标准，又灵活，成本低。同时也为系统开发和升级提供方便，可靠性高。
③有强大的诊断、报警、数据处理及数字通信功能，为实现远程控制、集中控制提供了条件。
由直流电动机的转速公式：n=U/CeΦ-TM×（Ra+Rj）/CeCMΦ2
式中：U为电枢电压；Ce为电动势常数；CM为转矩常数；TM为电磁转矩，TM=CMΦIa；Φ=NIf磁通量；Ra为电枢电阻；Rj为电枢回路调节电阻。
可见只要改变电枢电压U，或者改变励磁电流If，或者调节电枢回路电阻Rj。那么转速n都会相应的改变。此次升级采用了现在比较成熟和普遍的调节电枢电压调速方案。
2 升级改造方案
设备升级改造的提供方从成本考虑，其解决方案是：使用小功率的直流调速器SIMOREG DC-MASTER系列6RA7018-6S22 0型。
因为泥浆泵原有电机为GE752型，额定功率800HP， 额定电压750 VDC；励磁电压100 VDC，励磁电流 50.5A。然而此型号的整流控制器功率小，不能直接驱动600v伏KP1600A型SCR，所以要在脉冲触发电路上增加功率放大环节。实际的接线如图1所示。
3 改造后出现的问题
在系统投入运行一段时间后，我们发现泥浆泵电机出现以下问题：
①电机电枢铁心过温，用红外温枪测试，在正常负荷下温度85～93℃。
②电动机发生过烧毁，经检测是励磁绕组断相。
③运行时换向器火花大，换向器表面有比较严重的烧蚀；
④碳刷磨损速度快，正常钻井生产平均20d左右更换一次碳刷。
⑤电机启动冲击大，电机传动轴发生疲劳剪断。
4 分析问题原因
然而，对比改造前后的工作环境（负载转矩和转速）和电机都没有变化，冷却风机的风压和风量也没有变化。问题应该出在整流调速系统上。经检测我们发现整流调速器柜上的电量仪表读数与实际值差别很大，尤其是励磁电流，表上显示是50A但实际值是62.5A，相差很大。为什么会有这么大的差别呢？对照推荐接线图和实际设计接线图，能够发现因为电压不同驱动的SCR，为了“小马拉大车”在实际设计中增加了用户自己制作的驱动放大板和励磁整流部分，这与原厂的设备匹配会存有差异。而如果还采用原先的整流器板载仪表驱动电路，那么一定会有现实上的误差。以励磁电流表为例，励磁电流表的显示值通过图2所示计算得出。因为改造后所采集到的基值不精确，比例值和偏移值的设置误差，使输出结果不能真实反映现实的励磁电流。
如果以此值作为优化系统、设定和调整的依据，那么必然出现误差使电动机工作在非额定状态——过励磁运行。电机工作在过励磁电流下就会出现上述的一些列问题：
①电机过热。因为励磁绕组的电阻热Q=If2Rf（If励磁电流Rf励磁绕组电阻），当励磁电流增大时，产生的电阻热增加，电动机的温升升高。当持续温升大于电机的散热时，电机出现热绝缘疲劳，严重时因为过热绝缘击穿最终烧毁。另一方面，励磁电流过大，铁心过饱和，部分磁力线要通过电机外壳等构成回路，使机壳因涡流产热，使电机温度进一步升高。
②碳刷磨损快，换向器表面火花点蚀严重。励磁电流过大以及交轴电枢反应现象增强的共同作用，使换向电流火花变大。在换向器表面产生的火花烧灼换向器，使换向器表面产生很多的点蚀降低换向器表面的光洁度，反过来粗糙的换向器表面增加了对碳刷的磨损。
大励磁电流产生的电火花，也使得碳刷的组织结构发生改变，耐磨度降低。
③启动冲击大。电动机的转矩：TM=T2+T0= TM=CMΦIa
式中：T2 为负载转矩，T0为空载转矩。当励磁电流增大时磁通量增加，电动机的转矩增加转速降低，在启动时电磁转矩除了克服负载转矩和空载转矩外，所余用来使系统加速。即TM=T2+T0+J×dΩ/dt（式中，J为转动惯量，dΩ/dt为角加速度）。可见当励磁电流增大时，电磁转矩增大，而在启动时负载转矩很小，电磁转矩主要转变为系统的加速上了，所以启动时的冲击力很大，电机输出轴上承受很大的剪力，时间久了就会出现疲劳损伤。
3 结 语
找到使电动机工作环境恶化的原因和产生不良后果的理论分析，我们将原先的励磁电流表，改成在励磁回路串接分流器直接驱动直流电流表，并重新校准励磁电流和重新做系统优化。经调整后开机试验电机工作平稳。后经长时间工作检验，换向器火花明显减小，碳刷使用寿命显著延长，电击温升稳定在正常范围内。前期的问题得到了有效解决。
参考文献：
[1] 《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.
[2] 任元会.注册电电气工程师职业资格考试复习指导书[M].北京：中国电力出版社，2007.
关键词：直流电机；励磁过压；过温；换向火花大显示对应的拉丁字符的拼音
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0082-02
1 驱动及调整改造需要
平台泥浆泵采用的是直流电机驱动：电机型号为GE782（800 HP 750 VDC 励磁电流50.5 A 励磁回路100v 40-60a），调速系统原先是西门子的模拟电路调速。属于20世纪70年代产品，因年代久系统故障率高，备件采购成本高且有些配件厂家已不再提供。因此，需要对原调速系统进行升级改造。使调速系统由原来的模拟控制改为数字控制。因为后者具有以下优点：
①精度高、速度快、存储量大，有强大的计算、调节和逻辑判断功能，可实现许多过去无法实现的高级复杂的控制方法，从而获得快速、精密的控制效果。
②可以在统一的硬件电路和基础软件上，根据现场需要调整软件设计来实现不同的控制系统要求，既标准，又灵活，成本低。同时也为系统开发和升级提供方便，可靠性高。
③有强大的诊断、报警、数据处理及数字通信功能，为实现远程控制、集中控制提供了条件。
由直流电动机的转速公式：n=U/CeΦ-TM×（Ra+Rj）/CeCMΦ2
式中：U为电枢电压；Ce为电动势常数；CM为转矩常数；TM为电磁转矩，TM=CMΦIa；Φ=NIf磁通量；Ra为电枢电阻；Rj为电枢回路调节电阻。
可见只要改变电枢电压U，或者改变励磁电流If，或者调节电枢回路电阻Rj。那么转速n都会相应的改变。此次升级采用了现在比较成熟和普遍的调节电枢电压调速方案。
2 升级改造方案
设备升级改造的提供方从成本考虑，其解决方案是：使用小功率的直流调速器SIMOREG DC-MASTER系列6RA7018-6S22 0型。
因为泥浆泵原有电机为GE752型，额定功率800HP， 额定电压750 VDC；励磁电压100 VDC，励磁电流 50.5A。然而此型号的整流控制器功率小，不能直接驱动600v伏KP1600A型SCR，所以要在脉冲触发电路上增加功率放大环节。实际的接线如图1所示。
3 改造后出现的问题
在系统投入运行一段时间后，我们发现泥浆泵电机出现以下问题：
①电机电枢铁心过温，用红外温枪测试，在正常负荷下温度85～93℃。
②电动机发生过烧毁，经检测是励磁绕组断相。
③运行时换向器火花大，换向器表面有比较严重的烧蚀；
④碳刷磨损速度快，正常钻井生产平均20d左右更换一次碳刷。
⑤电机启动冲击大，电机传动轴发生疲劳剪断。
4 分析问题原因
然而，对比改造前后的工作环境（负载转矩和转速）和电机都没有变化，冷却风机的风压和风量也没有变化。问题应该出在整流调速系统上。经检测我们发现整流调速器柜上的电量仪表读数与实际值差别很大，尤其是励磁电流，表上显示是50A但实际值是62.5A，相差很大。为什么会有这么大的差别呢？对照推荐接线图和实际设计接线图，能够发现因为电压不同驱动的SCR，为了“小马拉大车”在实际设计中增加了用户自己制作的驱动放大板和励磁整流部分，这与原厂的设备匹配会存有差异。而如果还采用原先的整流器板载仪表驱动电路，那么一定会有现实上的误差。以励磁电流表为例，励磁电流表的显示值通过图2所示计算得出。因为改造后所采集到的基值不精确，比例值和偏移值的设置误差，使输出结果不能真实反映现实的励磁电流。
如果以此值作为优化系统、设定和调整的依据，那么必然出现误差使电动机工作在非额定状态——过励磁运行。电机工作在过励磁电流下就会出现上述的一些列问题：
①电机过热。因为励磁绕组的电阻热Q=If2Rf（If励磁电流Rf励磁绕组电阻），当励磁电流增大时，产生的电阻热增加，电动机的温升升高。当持续温升大于电机的散热时，电机出现热绝缘疲劳，严重时因为过热绝缘击穿最终烧毁。另一方面，励磁电流过大，铁心过饱和，部分磁力线要通过电机外壳等构成回路，使机壳因涡流产热，使电机温度进一步升高。
②碳刷磨损快，换向器表面火花点蚀严重。励磁电流过大以及交轴电枢反应现象增强的共同作用，使换向电流火花变大。在换向器表面产生的火花烧灼换向器，使换向器表面产生很多的点蚀降低换向器表面的光洁度，反过来粗糙的换向器表面增加了对碳刷的磨损。
大励磁电流产生的电火花，也使得碳刷的组织结构发生改变，耐磨度降低。
③启动冲击大。电动机的转矩：TM=T2+T0= TM=CMΦIa
式中：T2 为负载转矩，T0为空载转矩。当励磁电流增大时磁通量增加，电动机的转矩增加转速降低，在启动时电磁转矩除了克服负载转矩和空载转矩外，所余用来使系统加速。即TM=T2+T0+J×dΩ/dt（式中，J为转动惯量，dΩ/dt为角加速度）。可见当励磁电流增大时，电磁转矩增大，而在启动时负载转矩很小，电磁转矩主要转变为系统的加速上了，所以启动时的冲击力很大，电机输出轴上承受很大的剪力，时间久了就会出现疲劳损伤。
3 结 语
找到使电动机工作环境恶化的原因和产生不良后果的理论分析，我们将原先的励磁电流表，改成在励磁回路串接分流器直接驱动直流电流表，并重新校准励磁电流和重新做系统优化。经调整后开机试验电机工作平稳。后经长时间工作检验，换向器火花明显减小，碳刷使用寿命显著延长，电击温升稳定在正常范围内。前期的问题得到了有效解决。
参考文献：
[1] 《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.
[2] 任元会.注册电电气工程师职业资格考试复习指导书[M].北京：中国电力出版社，2007.