課程設(shè)計(jì)--直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、摘 要 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)，指出了未來(lái)PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以PW

2、M變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，雙閉環(huán)，PWM ，SG3525，直流電機(jī)目錄第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 1.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求 1.2 現(xiàn)行方案的討論與比較 1.3 選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由 1.4 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由第二章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1.1 PWM變換器介紹

3、 2.1.2 泵升電路 2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 IGBT管的參數(shù)2.2.2 緩沖電路參數(shù) 2.2.3 泵升電路參數(shù) 第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 3.1 檢測(cè)環(huán)節(jié) 3.1.1電流檢測(cè)環(huán)節(jié) 3.1.2 電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) 3.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 3.2.1調(diào)節(jié)器限幅 3.2.2 調(diào)節(jié)器鎖零 3.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器 3.3.1 給定電源GS3.3.2 給定積分器 3.4 觸發(fā)電路的確定 3.4.1 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素3.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取第四章 參數(shù)計(jì)算 4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn)第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)

4、的方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求1.直流電動(dòng)機(jī)：型號(hào)：DJ15；功率：485W；電樞電壓：220V；電樞電流：1.2A額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm2.調(diào)速范圍：1：12003.起動(dòng)時(shí)超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 1.2 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。（3）改變電樞回路電阻R。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車(chē)等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電

5、壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門(mén)的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。（2）靜止可控整流器。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。1.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國(guó)硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故

6、獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4）如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6）直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由

7、此可見(jiàn)，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。 1.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)

8、系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自

9、然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第二章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無(wú)制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖2-1（a）所示為無(wú)制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開(kāi)關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT

10、關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。圖2-1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為 式中，PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見(jiàn)，電流是脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流電動(dòng)機(jī)在額定

11、磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間 式中，R，L電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。圖2-2（a）所示為具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個(gè)電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開(kāi)關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作

12、在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2-2（b）所示，與圖2-1沒(méi)有VT2的情況完全一樣。如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低

13、。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來(lái)不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)中起作用。在期間，VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖2-2（c）。反向電流的制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)

14、態(tài)。圖2-2 具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖2-2（d）中的期間的時(shí)刻。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過(guò)反向電流，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時(shí)衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈方?jīng)VT1流通。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2-2（

15、d）。綜上所述，具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-3所示，圖中（a）為T(mén)型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。圖2-3 可逆PWM變換器電路 （a）T型 （b）H型 T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在

16、相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計(jì)我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2-4所示。圖2-4 H橋主電路2.1.2 泵升電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車(chē)），儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過(guò)PWM變換器回饋給直流電源。當(dāng)直流電源功率二極管

17、整流器供電時(shí)，不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)，只能對(duì)整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。過(guò)高的泵升電壓會(huì)損壞元器件，因此必須采取預(yù)防措施，防止過(guò)高的泵升電壓出現(xiàn)。可以采用由分流電阻R和開(kāi)關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖2-5所示。 圖2-5 泵升電壓限制電路當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡(jiǎn)單實(shí)用，但能量有損失，且會(huì)使分流電阻R發(fā)熱，因此對(duì)于功率較大的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去。但這樣系統(tǒng)就比較復(fù)雜了，我們就不選擇這種方式了。

18、2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 IGBT管的參數(shù)IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門(mén)極的高速開(kāi)關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。其開(kāi)關(guān)速度可達(dá)1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動(dòng)，自身?yè)p耗小。其符號(hào)和波形圖如圖2-6所示。設(shè)計(jì)中選的IGBT管的型號(hào)是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管；極限電壓Vm：600V；極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W ；額定電壓U：220V；額定電流I：1.2A圖2-7 IGBT信號(hào)及波形圖2.2.2 緩沖電路參數(shù)如圖2-3(b)

19、所示，H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開(kāi)關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。2.2.3 泵升電路參數(shù) 如圖2-6所

20、示，泵升電路由一個(gè)電容量大的電解電容、一個(gè)電阻和一個(gè)VT組成。泵升電路中電解電容選取C=2000；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20。第三章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)3.1 檢測(cè)環(huán)節(jié)3.1.1電流檢測(cè)環(huán)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測(cè)元件有下面幾種：1.利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測(cè)元件 在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻以取得電流檢測(cè)信號(hào)，如圖3-1所示。這種電流檢測(cè)方法，在電阻上會(huì)產(chǎn)生壓降或損耗。有時(shí)可利用電動(dòng)機(jī)的換向繞組和補(bǔ)償繞組上的壓降作為電流信號(hào)。

21、上述方法主電路與控制電路在電路上需接入電流隔離器。將作為隔離輸入信號(hào)，隔離器的輸出再作為電流反饋信號(hào)。MIdLrRcVTH3Ui圖3-1 利用直流側(cè)電阻的電流檢測(cè)線路2.以交流電流互感器作為檢測(cè)元件對(duì)于整流電路而言，輸出的直流電流與交流側(cè)的輸入電流有一定的關(guān)系，即式中，為與整流電路型式有關(guān)的比例關(guān)系，如三相橋式電路，。 所以可以采用交流電流互感器檢測(cè)，然后經(jīng)整流后獲得，以反映直流電流的大小，但不反映電流極性。這種檢測(cè)方式線路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、隔離性好，得到廣泛應(yīng)用。 電流互感器的聯(lián)接方法，在單相電路中其聯(lián)接比較簡(jiǎn)單在三相電路中，一般有兩種，Y形（用三臺(tái)電流互感器）和V形（用兩臺(tái)）聯(lián)結(jié)，線路見(jiàn)圖3-2

22、。 對(duì)于定型生產(chǎn)的電流互感器，額定容量是10（或15）VA，二次電流是5A，允許負(fù)載電阻很小，得不到一般控制系統(tǒng)所需10V以上的電壓，故應(yīng)采用LZK-1系列控制專用電流互感器。在200A以上的大容量系統(tǒng)中，常采用在標(biāo)準(zhǔn)互感器后面再加一級(jí)5A：0.1A的互感器，以擴(kuò)大互感器變壓比，使二次電流減小，負(fù)載電阻可達(dá)200以上，可滿足系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)電壓較大的要求。線路見(jiàn)圖3-3。使用交流互感器應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：圖3-2 交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法a)Y聯(lián)結(jié) b)V聯(lián)結(jié)圖3-3 兩級(jí)交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法 1)交流互感器一次電流應(yīng)根據(jù)整流裝置輸出最大電流來(lái)選擇。 2)工作時(shí)二次繞組不允許開(kāi)路，以防人身和設(shè)備

23、事故。 3)二次繞組一端應(yīng)接地 4)帶負(fù)載情況下，拆除二次繞組時(shí)，首先應(yīng)將其短路 5)具有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路不能采用交流檢測(cè) 6)交流互感器正常工作時(shí)不允許飽和。如在三相零式整流電路中采用交流側(cè)檢測(cè)方案，則電流互感器應(yīng)改為曲折聯(lián)接，以免引起交流互感器的直流磁化而無(wú)法工作。3以直流電流互感器作為檢測(cè)元件 直流電流互感器實(shí)際上是一個(gè)由交、直流同時(shí)控制的磁性元件，直流電流變化時(shí)，磁路中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而使其二次側(cè)交流輸出量發(fā)生改變，然后經(jīng)整流后得到反饋信號(hào)。圖35是其兩種形式的聯(lián)結(jié)方式。圖3-5 直流電流互感器的聯(lián)結(jié)方式 a)串聯(lián)線路 b)并聯(lián)線路采用直流互感器檢測(cè)比交流互感器復(fù)雜，

24、快速性稍差但它用一臺(tái)直流互感器取代三臺(tái)交流互感器，使檢測(cè)裝置大為簡(jiǎn)化，且輸出信號(hào)功率大，具有電氣隔離目前國(guó)內(nèi)定型生產(chǎn)的BLZ系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用。4以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測(cè)元件 霍爾變換器的線性度好、無(wú)慣性、裝置簡(jiǎn)單，但是輸出電壓一般為mV級(jí)，使用時(shí)須附加電壓放大器。此外由于霍爾元件薄而脆，安裝和使用時(shí)須特別小心，并應(yīng)采取措施防止外界電磁干擾。其線路原理可參閱有關(guān)專業(yè)書(shū)刊。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)于電流反饋環(huán)節(jié)的基本要求是： 1)電流反饋信號(hào)要保證10V左右。信號(hào)大小取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出限幅值的整定，即 。 2)對(duì)電流反饋信號(hào)要求進(jìn)行濾波，濾掉交流分量。但濾波時(shí)間常數(shù)不得過(guò)大，否則將使電流環(huán)

25、的等效時(shí)間常數(shù)過(guò)大，限制了電流環(huán)頻帶的展寬，影響電流響應(yīng)的快速性為抵消電流反饋通道濾波慣性的影響，在電流調(diào)節(jié)器給定通道需設(shè)置給定濾波環(huán)節(jié)。并使兩者時(shí)間常數(shù)大小相等。見(jiàn)圖36。 圖3-6 帶給定濾波和電流反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.1.2電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) 在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是在盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端的位置（主回路平波電抗器之后），直接引出直流電壓反饋信號(hào)，但其輸入與輸出之間沒(méi)有電氣隔離，容易造成事故。這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中。 在較大容量系統(tǒng)中，主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上，而控制回路電壓一般都在15v左右，故必須設(shè)置直流電壓隔離器。利用直流

26、電壓隔離器，將輸入的直流電壓U_調(diào)制成方波，通過(guò)變壓器的磁耦合，再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號(hào)，如圖37所示。直流電壓隔離器常用的有二極管開(kāi)關(guān)型、三極管開(kāi)關(guān)型和利用晶閘管(1A以下)的反向開(kāi)關(guān)特性組成的晶閘管型電壓隔離器。前兩種，不僅能反映直流電壓大小，又能反映電壓方向，故既可用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，也適用于可逆系統(tǒng)；而后者僅能反映電壓大小，故只能用于不可逆系統(tǒng)。由于后者具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、線性度好等特點(diǎn)，故在不可逆系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖37 直流電壓隔離器原理圖圖3-8 直流電壓隔離器的線路圖 a)二極管開(kāi)關(guān)型 b)晶閘管型3.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控

27、制電路的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的P、I、D、PI、PD、PID等多種運(yùn)算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，它對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用。調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器的一般要求是： 1) 節(jié)器須能夠調(diào)零，如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出較大，則應(yīng)更換器件。 2) 過(guò)調(diào)整消振電路參數(shù)，能消除高頻振蕩。 3) 節(jié)器的正、負(fù)輸出電壓不能過(guò)小，一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓(15v)。對(duì)于PI調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅。4) 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)。5) 節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源（1

28、5v或12v）。3.2.1 調(diào)節(jié)器限幅調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，須限制電動(dòng)機(jī)的最大電流、最大電壓以及晶閘管變流裝置的和角等，一般都要求對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)限幅的方法大體有兩類，即外限幅和內(nèi)限幅，電路圖如圖4-10所示。圖4-9就是利用二極管箝位的內(nèi)限幅電路。 3.2.2調(diào)節(jié)器鎖零前已述及，系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)在停車(chē)期間，未加給定信號(hào)，由于其積分作用，調(diào)節(jié)器在干擾信號(hào)作用下也會(huì)有較大的輸出電壓。這個(gè)輸出信號(hào)送給觸發(fā)裝置，就會(huì)使觸發(fā)脈沖從初始相位(90)前移而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，這在控制上是不允許的。所以在

29、系統(tǒng)給出起動(dòng)指令之前，必須對(duì)具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零，即把它的輸出鎖到零電位上。3.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器3.3.1給定電源GS在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必績(jī)要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時(shí)，必須十分注意對(duì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動(dòng)給穩(wěn)壓電源工作帶來(lái)的困難，目前已

30、普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器。這些在設(shè)計(jì)時(shí)都需引起注意。3.3.2給定積分器在VTH直流調(diào)速系統(tǒng)中，突加轉(zhuǎn)速給定信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在最大允許電流下實(shí)現(xiàn)恒流起動(dòng)，轉(zhuǎn)速以最大加速度上升，滿足最短時(shí)間控制。但一般直流電動(dòng)機(jī)不允許過(guò)大的電流上升率；有些生產(chǎn)設(shè)備本身不能承受過(guò)大的機(jī)械沖擊，或生產(chǎn)工藝過(guò)程要求系統(tǒng)起、制動(dòng)平穩(wěn)，超調(diào)量小。所以這時(shí)系統(tǒng)不能采用階躍給定方法，而采用給定積分器作為給定裝置，利用其輸出得到不同斜率的斜坡速度給定信號(hào)，滿足系統(tǒng)的要求。 典型的給定積分器線路在控制系統(tǒng)中是一個(gè)通用的控制單元插件。圖413是一種給定積分器的典型線路。 轉(zhuǎn)速給定信號(hào)u0的上升率有三種方法：改變電阻

31、R；改變電容C；調(diào)節(jié)電壓u2。調(diào)整時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP或改變N1的輸出限幅(調(diào)整RPl、RP2)的方法改變u2比較方便靈活，故應(yīng)用時(shí)多采用這種方法。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，給定積分器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等。 為防止給定積分器輸出電壓出現(xiàn)超調(diào)，可在反饋回路引入R1、C1組成的微分負(fù)反饋。3.4 觸發(fā)電路的確定在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中，觸發(fā)裝置是十分重要的控制單元。目前觸發(fā)裝置的種類很多，具體電路各式各樣，設(shè)計(jì)者必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要合理地選擇觸發(fā)電路。3.4.1 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素。 系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)電路的要求是設(shè)計(jì)和選擇觸發(fā)電路的依據(jù)，我們?cè)谶x用時(shí)應(yīng)考慮下列一些問(wèn)題：1）觸發(fā)電路的工作一定要十

32、分可靠。這一點(diǎn)對(duì)可逆系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要2）移相范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。對(duì)于不同整流型式，不同負(fù)載性質(zhì)，其移相范圍要求也不同。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，電感性負(fù)載(電流連續(xù))，若采用三相零式或三相全控橋線路，對(duì)不可逆系統(tǒng)，要求=0900；對(duì)可逆系統(tǒng)，則要求=01800。實(shí)際系統(tǒng)中，因有min和min角的限制，故移相范圍小于1800。同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路，移相范圍可超過(guò)1800；同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路，其移相范圍小于1800；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的移相范圍只有1500左右。3）不同整流電路對(duì)脈沖寬度的要求不同。對(duì)單相、三相半波和三相橋式半控整流電路，應(yīng)選擇單脈沖觸發(fā)電路；對(duì)于三相橋式全控整流電路，應(yīng)選

33、擇雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路。對(duì)于一些容量不大、對(duì)觸發(fā)要求不高的系統(tǒng)，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的觸發(fā)電路；一般情況下可使用由分立元件組成的觸發(fā)電路或集成移相觸發(fā)電路；必要時(shí)可采用微機(jī)觸發(fā)電路。 4）觸發(fā)電路輸入輸出特性線性度要好，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路線性度好，適用于要求調(diào)速范周寬的系統(tǒng)；同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路線性度稍差；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，其線性度更差，且有一段死區(qū)，一般用于小容量單相晶閘管系統(tǒng)中。 5）要求觸發(fā)器工作對(duì)電網(wǎng)電壓敏感。同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路和同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路相比較，前者較后者好。6）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有足夠的功率(電壓、電流)和一定的寬度。 7

34、）在大功率裝置中，當(dāng)晶閘管采用串、并聯(lián)時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)觸發(fā)，提高脈沖前沿陡度，保證同臂元件導(dǎo)通的同時(shí)性。 8）最好采用集成電路觸發(fā)裝置，使元件、焊點(diǎn)、接插件、走線數(shù)量減少，簡(jiǎn)化控制線路，提高系統(tǒng)可靠性。9）在實(shí)際應(yīng)用中一般應(yīng)采取防止誤觸發(fā)的具體措施。10）對(duì)于共陰極接法的零式（半波）整流電路或半控橋式整流電路，可采用一套觸發(fā)裝置對(duì)所有的晶閘管同時(shí)進(jìn)行觸發(fā)控制。其余的整流電路形式，一個(gè)觸發(fā)脈沖只能觸發(fā)一個(gè)晶閘管。3.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取為了讓變流器按規(guī)律正確工作，同步電壓的相位極為重要，它應(yīng)能準(zhǔn)確提供自然換相點(diǎn)，保證在移相范圍內(nèi)對(duì)晶閘管元件進(jìn)行移相控制，從而可對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)控制。在已知

35、整流變壓器的接線組別，選擇同步變壓器時(shí)的定相步驟如下：1）據(jù)整流變壓器的接線組別，繪制主電路變壓器次級(jí)電壓的向量圖，有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理，確定觸發(fā)電路需要的同步信號(hào)us2的相位。2）選取超前us2相位/3或/6的電壓為同步電壓us1，確定阻容濾波器；由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級(jí)相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對(duì)us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別。3）按相位關(guān)系選取其他元件的同步電壓。當(dāng)為三相橋式全控變流電路且為按元件獨(dú)立同步時(shí)，各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓us1?？傮w設(shè)計(jì)方案圖：第四章 參數(shù)計(jì)算4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)按所用運(yùn)

36、算放大器取=20K，電樞回路總電阻R=20ACR積分時(shí)間常數(shù)， 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)應(yīng)取因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 計(jì)算控制器的電阻電容值 ,取50K 如圖4-1所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖4-1電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖4.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： 近似條件: 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如4-2（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/；再把時(shí)間常數(shù)為T(mén)on和2Ti的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)n的慣性環(huán)

37、節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖4-2（b）。圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù); n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因：1). 系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)作用下，動(dòng)態(tài)速降要小。2). ST飽和時(shí)，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。 3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。參數(shù)計(jì)算：按所用運(yùn)算放大器取=20K 電流反饋系數(shù)：=0.5v/A 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007vmin/r =0.132vmin/r =0.18s 電樞回路總電阻R=20 =0.0234s 0.01s轉(zhuǎn)速控制器的積分時(shí)

38、間常數(shù) 一般選h=5 根據(jù)公式 經(jīng)計(jì)算得出= 2.17 ； 轉(zhuǎn)速控制器電阻電容值取50K如圖4-3所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖4-3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)，首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是

39、工科，不單純只是理論方面的的工作，還應(yīng)該考慮到實(shí)際情況。總之，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過(guò)的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問(wèn)題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。參考文獻(xiàn)【1】夏得砛，翁貽方.自動(dòng)控制理論機(jī)械工業(yè)出版社，2007【2】陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社，2003【3】王兆安，黃俊電力電子技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，2007【4】楊興姚電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)北京：北京水利電力出版社，2003【5】劉軍，孟祥忠電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社，2007【6】王華強(qiáng). 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法的探討. 荊門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).

40、 2002【7】吳守箴，藏英杰.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)M .機(jī)械工業(yè)出版社，1995附錄：0 引言電動(dòng)機(jī)的調(diào)速經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的演變過(guò)程，人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過(guò)了大量的研究，嘗試過(guò)使用各種不同形式的調(diào)速方法，隨著大功率和高開(kāi)關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)研制成功，以及現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的普及應(yīng)用，為我們提供了驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的新的方法。目前起重機(jī)電機(jī)調(diào)速控制應(yīng)用最多的是三相繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，下面就介紹一下用于轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速的基本工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)。1 三相異步電動(dòng)機(jī)工作的基本原理1.1 基本公式從電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)的功率2 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速主要介紹用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)用的兩

41、擋反接控制，機(jī)械特性如圖1 所示。兩擋反接制動(dòng)是指起升機(jī)構(gòu)在滿載或75%負(fù)載下，可以達(dá)到滿速下降的目的。在返回停止工作時(shí)可達(dá)到準(zhǔn)確停車(chē)，避免在滿載情況下下滑而造成意外事故。2.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速上升1、2、3 擋人為逐級(jí)切除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)由機(jī)械特性1、2、3 過(guò)渡到機(jī)械特性4 上，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。滿載慢速下降電動(dòng)機(jī)工作在特性5上，電機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)一定的電阻值，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。輕載下降電動(dòng)機(jī)工作在特性6 上，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)全部電阻，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變得更軟。電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)。雖然在上面兩種反接制動(dòng)狀態(tài)下能夠得到一定的低速，但是不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，否則會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，

42、此時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性都比較軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬間產(chǎn)生的任何波動(dòng)都會(huì)使電機(jī)失去控制，將造成嚴(yán)重后果。所以在操作控制時(shí)不允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在特性5、6上，要在短時(shí)間內(nèi)切掉轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)工作在再生發(fā)電狀態(tài)下。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為開(kāi)環(huán)調(diào)速，速度波動(dòng)比較大，輕載時(shí)調(diào)速范圍比較小，也就是說(shuō)在載荷較小時(shí)起升各擋之間速度變化不明顯。下降控制時(shí)比較復(fù)雜，需要操作人員密切關(guān)注機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向。另外下降過(guò)程中無(wú)論負(fù)載大小，都得不到穩(wěn)定的低速運(yùn)行，所以在對(duì)下降控制要求較高的冶金及其它行業(yè)就不能滿足調(diào)速要求了。2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速2.2.1 調(diào)壓調(diào)速基本原理由異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)各參數(shù)及電源

43、頻率不變時(shí)，且當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與電機(jī)定子電壓U1成正比。當(dāng)改變定子電壓時(shí)，可以得到一組人為的機(jī)械特性曲線，如圖2 所示。由圖2 可以看出，為了在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，通過(guò)降低定子電壓得到低速運(yùn)轉(zhuǎn)是可能的。但是在降低定子電壓得到低速時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率s 將增大，因此電動(dòng)機(jī)電流隨著s 的增大而增大。這樣轉(zhuǎn)差功耗就全部消耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，從而致使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。另外由圖猿可見(jiàn)，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL 時(shí)，普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s 的變化范圍不會(huì)超過(guò)0sm，調(diào)速范圍很小。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大變壓調(diào)速范圍，須使電機(jī)在較低速下穩(wěn)定運(yùn)行而又不致過(guò)熱，就要求電動(dòng)機(jī)

44、轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻值。圖3 給出了高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的機(jī)械特性，顯然在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的變壓調(diào)速范圍增大了，所以異步電動(dòng)機(jī)變電壓調(diào)速時(shí)，采用普通電機(jī)的調(diào)速范圍很窄，為了減少電機(jī)發(fā)熱及擴(kuò)大調(diào)速范圍，須采用高轉(zhuǎn)子電阻的電機(jī)。晶閘管定子的調(diào)壓調(diào)速裝置，是通過(guò)在定子上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管并控制其導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。但這種調(diào)壓調(diào)速是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動(dòng)率大。為了提高其調(diào)速性能可采用有雙閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)）反饋調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)，閉環(huán)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4 所示。顯而易見(jiàn)閉環(huán)系統(tǒng)下的機(jī)械特性硬度提高了，速度波動(dòng)率大大減小。閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

45、過(guò)程為當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在要求的速度時(shí)，一旦負(fù)載增大，電機(jī)會(huì)在較大負(fù)載拖動(dòng)下進(jìn)行減速，速度反饋值也隨之降低，閉環(huán)系統(tǒng)給定值不變，速度調(diào)節(jié)器的輸入由于速度反饋的下降而增大，經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制晶閘管，增加晶閘管導(dǎo)通角，因而電動(dòng)機(jī)定子電壓提高，電動(dòng)機(jī)力矩也增大，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始加速，當(dāng)速度升至要求值時(shí)，速度反饋與給定值相等，速度調(diào)節(jié)器輸出值不再變化，晶閘管導(dǎo)通角不變，電動(dòng)機(jī)電壓也不再升高，電動(dòng)機(jī)力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)又穩(wěn)定運(yùn)行于給定值確定的速度值。這種速度調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，所以速度與給定值相等，屬無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。2.2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速特點(diǎn)定子晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)已在

46、近年得到較廣泛的使用。應(yīng)用了以上所述的閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速原理，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的用于起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，具體特點(diǎn)如下。1）這種調(diào)壓調(diào)速裝置是專業(yè)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，專門(mén)用于驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，對(duì)起重繞線式電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。2）該裝置是數(shù)字化調(diào)速設(shè)備，由于在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮簡(jiǎn)便和實(shí)用，所以用戶在使用時(shí)特別方便。該裝置的參數(shù)少，而且直觀簡(jiǎn)單，當(dāng)使用時(shí)在保證正確接線的基礎(chǔ)上，只需要調(diào)整電動(dòng)機(jī)電流參數(shù)就可進(jìn)行正常工作，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試和調(diào)整。3）該裝置正反向切換采用交流接觸器進(jìn)行，這樣設(shè)計(jì)就徹底避免了環(huán)流發(fā)生的可能性，因而也不必采用快速熔斷器保護(hù)晶閘管的設(shè)計(jì)方法。用兩組晶閘管控制正反向在實(shí)際使用中經(jīng)常產(chǎn)生環(huán)流，因

47、而必須采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。這樣在使用時(shí)，就必須經(jīng)常更換快熔，造成故障率提高，給使用維護(hù)帶來(lái)不便。該裝置由于無(wú)環(huán)流發(fā)生的可能性，再加上晶閘管選擇上的考慮，因此只需用帶電子脫扣器的斷路器保護(hù)即可，方便使用。該裝置控制接觸器切換時(shí)，是在無(wú)電壓無(wú)電流的情況下進(jìn)行的，這樣在接觸器的選擇上就可按接觸器的約定發(fā)熱電流進(jìn)行，在壽命的選擇上，只考慮機(jī)械壽命即可。另外，利用正反向接觸器控制電動(dòng)機(jī)比較直觀可靠，容易判斷故障，同時(shí)我們利用正反向接觸器輔助觸頭與制動(dòng)器進(jìn)行連鎖，就非?？煽康谋ＷC了制動(dòng)器只有在電動(dòng)機(jī)帶電的情況下才能開(kāi)閘，使運(yùn)行及控制更加可靠。4）由于調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)，所以必須設(shè)置速度檢測(cè)環(huán)

48、節(jié)。該裝置拋棄了原有的容易損壞的測(cè)速發(fā)電機(jī)和安裝困難對(duì)環(huán)境要求高的脈沖偏碼器的測(cè)速方法，采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率反饋進(jìn)行測(cè)速，這樣就大大降低了改造難度，降低了使用故障，調(diào)速比能夠達(dá)到1:10。2.2.3 用于起升機(jī)構(gòu)控制邏輯功能簡(jiǎn)介用于起升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)如圖5 所示，機(jī)械特性如圖6所示。1）電源電路斷路器1Q1 用于對(duì)主起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)及調(diào)壓調(diào)速裝置提供短路及過(guò)載保護(hù)。2）數(shù)字式定子調(diào)壓調(diào)速裝置是一個(gè)速度閉環(huán)的現(xiàn)代化交流調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)需測(cè)速發(fā)電機(jī)和編碼器，而是采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率作為速度反饋信號(hào)。當(dāng)設(shè)定電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定速度上。由于是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所以，電

49、動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，速度波動(dòng)率很小。3）正、反向接觸器1KM11與1KM21 用于控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向。正反向接觸器的動(dòng)作均由THYROMAT 控制，其動(dòng)作順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)，正向接觸器1KM11吸合，電動(dòng)機(jī)加上了正向相序，使電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)正向起升。上升1、2、3擋為低速調(diào)速擋，速度分別設(shè)定為10%、20%、30%，上升4 擋為全速擋，此時(shí)輸出全電壓，控制電動(dòng)機(jī)以額定速度運(yùn)行。機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行13擋時(shí)，首先正向接觸器1KM11吸合，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，靠負(fù)荷拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行，以獲取低速運(yùn)行。當(dāng)?shù)踹\(yùn)負(fù)荷重量很輕，無(wú)法拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)

50、行時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)在1.5 s內(nèi)，機(jī)構(gòu)還未運(yùn)轉(zhuǎn)，就自動(dòng)判斷負(fù)荷為輕載，在零電流的情況下控制正反向接觸器的切換，使反向接觸器1KM21 吸合，讓電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到設(shè)定速度。若由于某種原因吊運(yùn)的負(fù)荷變重，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器回復(fù)到反接制動(dòng)狀態(tài)。下降4 擋時(shí)，控制反向接觸器吸合，使電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載重時(shí)，電動(dòng)機(jī)速度超過(guò)同步速處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。控制手柄由下降4 擋回復(fù)到下降13擋時(shí)，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器在零電流的情況下迅速切換，讓電動(dòng)機(jī)迅速進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)負(fù)荷進(jìn)入下降低速狀態(tài)。4）轉(zhuǎn)子接觸器在每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上均串接了電阻，用于消耗電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能，電

51、阻器分為四段。上升調(diào)速擋時(shí)，1KM43吸合切除最后一段電阻，加大電機(jī)啟動(dòng)力矩。上升4 擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器1KM42、1KM41分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電機(jī)平滑過(guò)渡到全速，又使切換電流得到控制。下降13 擋時(shí)，為了降低電機(jī)電流，并使下降4 擋回到下降13 擋時(shí)，切換力矩足夠，增加了最后一段電阻，轉(zhuǎn)子四段電阻全部串聯(lián)到轉(zhuǎn)子上。當(dāng)下降4 擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)時(shí)速度限制在允許范圍內(nèi)。5）控制電路中還具有零位、失壓、限位等保護(hù)功能。3 結(jié)語(yǔ)該裝置目前廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水電等行業(yè)的起重設(shè)備上，使用效果非常好。這種調(diào)壓調(diào)速裝置的使用能夠有效地降低起重機(jī)的機(jī)械沖擊，從而使起重機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。34