直流电机对拖电流稳定控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种直流电机对拖电流稳定控制装置及控制方法。

背景技术

专利文献CN200810111015.X中采用脉流电压对直流电机进行温升试验，直流电机实际未处于负载转动工况且系统能耗大。专利文献CN201822273577.6中采用负载带动直流发电机测试直流发电机性能，负载带动直流发电机发电机能够控制输出电流稳定，但系统能耗大且发出电能需要使用额外负载进行消耗，不能实现节能降耗目的。专利文献CN201110245778.5、CN200820015504.0、CN202121392293中均采用直流电动机拖动直流发电机，直流电动机拖动直流发电机能耗小，但电动机输入电流及发电机输出电流不稳定；文献CN202121392293中，直流电动机与直流发电机电枢线路采用同极性连接，电枢电源连接到直流电动机与直流发电机负极电枢同名端上，直流电动机与直流发电机的正极电枢通过二极管连接，直流电动机励磁电源与直流电动机励磁线圈相连，直流发电机励磁电源与直流发电机励磁线圈相连接。电枢电源、直流电动机励磁电源、直流发电机励磁电源采用直流电源直接输入或者交流电源通过整流模块整流程直流输入，因为二极管单相导通特性，电枢电源无法给直流发电机供电，只有当直流发电机电压高于电枢电压即直流电动机电压时，正极之间的二极管能够实现直流发电机电流回馈给直流电动机，若直流发电机电压低于电枢电压即直流电动机电压，正极之间的二极管实现隔离确保直流发电机与电枢电源或直流电动机回路断开无电流通过。

现有的直流电动机拖动直流发电机的试验系统中，大多包含以下几个问题：

第一：因直流电机物理特性决定，现有直流电机对拖设备进行对拖前必须准备一台同型号或者额定参数一致的电机作为直流发电机，实际应用时受限于生产、成本、时间和物流等因素很难提供理想的直流发电机；

第二：直流电机转速与电枢电压、励磁电源以及负载相关，直流电动机转速将直接决定直流发电机发电电流和电机损耗，在电枢电源以及励磁恒定的情况下，当电机对拖建立即发电电流回馈回路导通瞬间，电动机由空载状态转变为负载状态，此时电枢电源必须输出一个大电流来满足系统瞬间负载需求，同时导致直流电动机转速瞬间下降同时电机损耗上升，即直流发电机回馈给直流电动机的电流无法满足系统损耗以外的负载需求，当电枢电源输出满足系统损耗以外的负载需求以后，直流电动机转速上升同时电机损耗下降，此时直流发电机回馈给直流电动机的电流反而大于系统损耗以外的负载需求，导致电枢电源输出降低，从而直流电动机转速转而下降，此时又导致发电不足损耗上升，因此系统始终处在一个不稳定的波动状态中，表现为发电电流或者电枢电流波动超过10％以上，理想状态下使用完全一致的同型号电机可以使系统损耗和电枢电流趋同降低这一波动，但在实际应用场景中，同型号电机对拖依然存在20％(2000A-2400A)以上的波动，非同型号电机波动范围更是可以达到50(1000A-1500A)％以上；

第三：现有直流电机对拖技术仅针对直流电动机进行性能考验，待系统实现空载稳定后，通过增加直流发电机励磁电源输出的励磁电流增大直流发电机磁场力，从而实现直流电动机负载升高直至对拖建立，对拖建立后发电电流或者电枢电流的也只能通过对直流发电机励磁电源的手动调节人工干预，无法准确将发电电流或者电枢电源控制到预期值，对拖考验效果不理想。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠的直流电机对拖电流稳定控制装置，并提供相应的直流电机对拖电流稳定控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种直流电机对拖电流稳定控制装置，包括直流电动机、直流发电机、第一励磁电源、第二励磁电源、第一电枢电源和第二电枢电源，所述直流电动机和直流发电机通过联轴器同轴连接，且直流电动机与直流发电机的电枢线路采用同极性连接，所述第一电枢电源与直流电动机并联，所述第二电枢电源串接在直流电动机与直流发电机之间。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述第一励磁电源包括第一励磁变压器、第一整流器，三相电源依次经第一励磁变压器、第一整流器后连接直流电动机励磁线圈，第一励磁变压器与直流电动机励磁线圈之间设有第一直流电流表，直流电动机励磁线圈两端并联有第一直流电压表。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述第二励磁电源包括第二励磁变压器、第二整流器，三相电源依次经第二励磁变压器、第二整流器后连接直流发电机励磁线圈，第二励磁变压器与直流发电机励磁线圈之间设有第二直流电流表，直流发电机励磁线圈两端并联有第二直流电压表。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述第一电枢电源包括第三变压器和第三整流器，三相电源依次经第三变压器、第三整流器后与直流发电机并联，第三整流器输出端与直流电动机之间设有第三直流电流表，第三直流电压表与直流电动机并联。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述第二电枢电源包括调压器、第四变压器和第四整流器，三相电源依次经调压器、第四变压器、第四整流器后串接在直流电动机与直流发电机之间，第四整流器输出端与直流电动机之间设有第四直流电流表，第四直流电压表与直流发电机并联，第四整流器输出端并联设有第五直流电压表。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述直流电动机和直流发电机中任一电机作为直流电机对拖试验所需被试电机时，另一电机可作为直流电机对拖试验所需陪试电机。

一种流电机对拖电流稳定控制方法，包括以下步骤：

步骤一：设定第一电枢电源的电枢电压为直流电动机额定电枢电压，设定第一励磁电源励磁电流为直流电动机额定励磁电流；

步骤二：判断系统是否实现空载稳定，待系统实现空载稳定后，通过增加第二励磁电源输出的励磁电流增大直流发电机磁场力，从而实现直流电动机负载升高直至对拖建立；

步骤三：对拖建立后，根据反馈量对系统控制的预期值进行闭环调节达到自动控制直流电机对拖稳定的效果。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述步骤二中，判断系统实现空载稳定的条件为：第三直流电压表测得的直流电动机电枢电压达到额定值并保持稳定，第一直流电流表测得的直流电动机励磁电流达到额定值并保持稳定，且直流电动机转速达到额定转速并保持稳定，转速稳定可通过电机转动声音是否连贯进行简单判别。

上述直流电机对拖电流稳定控制装置，所述步骤三中，反馈量取直流电动机电枢电流；采用直流电动机作为直流电动机，直流发电机作为直流发电机，实现原理为第二电枢电源使用第四直流电流表所测直流电动机电枢电流作为反馈量进行稳流调节实现对直流电机对拖电流的稳定控制，同时第一电枢电源使用第三直流电压表所测直流电动机电枢电压作为反馈量对直流电动机电枢电压进行稳压调节，第一励磁电源使用第一直流电流表所测直流电动机励磁电流作为反馈量对直流电动机励磁电流进行稳流调节，第二励磁电源使用第二直流电流表所测直流发电机励磁电流作为反馈量对直流发电机励磁电流进行稳流调节。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的控制装置中，通过设置与直流电动机并联的第一电枢电源和串接在直流电动机与直流发电机之间的第二电枢电源，第一电枢电源作为稳压电源使用，第二电枢电源使用闭环稳流控制方式解决现有方案电流不稳定问题。

2、本发明的控制方法中，待系统实现空载稳定后，通过增加直流发电机励磁电源输出的励磁电流增大直流发电机磁场力，从而实现直流电动机负载升高直至对拖建立，对拖建立后根据反馈量对系统希望控制的预期值进行闭环调节达到自动控制直流电机对拖稳定的效果。

附图说明

图1为本发明控制装置的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种直流电机对拖电流稳定控制装置，包括直流电动机M1、直流发电机M2、第一励磁电源、第二励磁电源、第一电枢电源和第二电枢电源，所述直流电动机M1和直流发电机M2通过联轴器同轴连接，且直流电动机M1与直流发电机M2的电枢线路采用同极性连接，所述直流电动机M1为直流电动机，所述直流发电机M2为直流发电机，所述第一电枢电源与直流电动机M1并联，所述第二电枢电源串接在直流电动机M1与直流发电机M2之间。

所述第一励磁电源包括第一励磁变压器1、第一整流器2，三相电源依次经第一励磁变压器1、第一整流器2后连接直流电动机M1励磁线圈5，第一励磁变压器1与直流电动机M1励磁线圈5之间设有第一直流电流表3，直流电动机M1励磁线圈5两端并联有第一直流电压表4。

所述第二励磁电源包括第二励磁变压器20、第二整流器19，三相电源依次经第二励磁变压器20、第二整流器19后连接直流发电机M2励磁线圈16，第二励磁变压器20与直流发电机M2励磁线圈16之间设有第二直流电流表18，直流发电机M2励磁线圈16两端并联有第二直流电压表17。

所述第一电枢电源包括第三变压器6和第三整流器8，三相电源依次经第三变压器6、第三整流器8后与直流电动机M1并联，第三整流器8输出端与直流电动机M1之间设有第三直流电流表9，第三直流电压表10与直流电动机M1并联。

所述第二电枢电源包括调压器11、第四变压器12和第四整流器13，三相电源依次经调压器11、第四变压器12、第四整流器13后串接在直流电动机M1与直流发电机M2之间，第四整流器13输出端与直流电动机M1之间设有第四直流电流表7，第四直流电压表15与直流发电机M2并联，第四整流器13输出端并联设有第五直流电压表14。

一种流电机对拖电流稳定控制方法，包括以下步骤：

步骤一：设定第一电枢电源的电枢电压为直流电动机额定电枢电压，设定第一励磁电源励磁电流为直流电动机额定励磁电流；

步骤二：判断系统是否实现空载稳定，待系统实现空载稳定后，通过增加第二励磁电源输出的励磁电流增大直流发电机磁场力，从而实现直流电动机负载升高直至对拖建立。

判断系统实现空载稳定的条件为：第三直流电压表测得的直流电动机电枢电压达到额定值并保持稳定，第一直流电流表测得的直流电动机励磁电流达到额定值并保持稳定，且直流电动机转速达到额定转速并保持稳定，转速稳定可通过电机转动声音是否连贯进行简单判别。

步骤三：对拖建立后，根据反馈量对系统控制的预期值进行闭环调节达到自动控制直流电机对拖稳定的效果。

反馈量可取三种值：直流发电机发电电流，直流电动机电枢电流，直流电机转速。实际应用案例中采用直流电动机作为被试电机，直流发电机作为陪试电机，实现原理为第二电枢电源使用第四直流电流表所测直流电动机电枢电流作为反馈量进行稳流调节实现对直流电机对拖电流的稳定控制，同时第一电枢电源使用第三直流电压表所测直流电动机电枢电压作为反馈量对直流电动机电枢电压进行稳压调节，第一励磁电源使用第一直流电流表所测直流电动机励磁电流作为反馈量对直流电动机励磁电流进行稳流调节，第二励磁电源使用第二直流电流表所测直流发电机励磁电流作为反馈量对直流发电机励磁电流进行稳流调节，以上四个稳定控制方法的组合可以在系统层面实现对直流电机对拖自动稳定控制的方法，同时未尽说明的其他电压电流测量需要记录作为直流电机对拖过程的必要佐证。

表1

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表1为直流电机对拖电流稳定控制装置实际运行至稳定对拖工况时所记录的一组试验数据，该试验使用一台额定电枢800V/1875A直流电机作为电动机，使用一台额定电枢电枢800V/2500A直流电机作为发电机，两台电机功率相差500kW。

由表1中第一电枢电流所体现试验数据可知直流电机对拖运行过程中需补充能量损耗极其不稳定，且波动功率高达800*100＝80kW，若依照现存方案由试验人员视波动情况手动调节任意电机励磁电流存在调节反馈不及时和电机弱磁失控飞车的极大风险。本发明达成效果可由表一电枢电压和运行电流(即电动机与发电机的对拖电流)体现，整体试验过程中电机励磁均保持稳定不变，对拖电流波动控制在0.5％(10A)以内，远优于现有试验10％的电流波动，可以认为本发明已实现有效控制试验时电动机和发电机处于稳定运行(转速及功率稳定)状态从而确保直流电机对拖试验所需各项数值均处于理想状态。同时试验使用不用型号直流电机进行对拖试验，一并解决了直流电机进行对拖时推荐使用同型号电机降低对拖电流波动给实际试验时带来的电机匹配问题。