高 科 張大林

(南昌職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330004)

1、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對直流電機(jī)調(diào)速的方法也很多，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的直流電機(jī)無級電子調(diào)速控制器采用國際先進(jìn)的IGBT大功率模塊器件和獨(dú)特自行設(shè)計(jì)的PWM微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋電路和豐富的保護(hù)功能控制電路。適用于無軌機(jī)車、礦山井下窄軌機(jī)車、磨床、木工機(jī)械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計(jì)算機(jī)連接控制等特點(diǎn)。直流電動機(jī)有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動機(jī)，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合，構(gòu)成可控直流電源，以實(shí)現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。

2、調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。

在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。

設(shè)計(jì)要求：(1)該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。(2)系統(tǒng)靜特性良好，無靜差。(3)動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量8%，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降8%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)。(4)系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。(5)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動措施。(6)主電路采用三項(xiàng)全控橋。

設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。(2)調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算(包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等)。(3)驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì)(模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可)。(4)動態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。(5)繪制M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖，并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。

3、直流電機(jī)

直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動機(jī)。如圖1。

圖1 采用三相橋式整流電路變成三相直流電源

圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架，三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。根據(jù)選用的方法，分別計(jì)算保護(hù)電路的各個(gè)器件的參數(shù)。驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使是電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號。對與晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。所以對晶閘管的觸發(fā)電路也是重點(diǎn)。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。

系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成主電路的選擇與確定直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種：①旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；②靜止式可控整流器；③直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低。

因此，要求應(yīng)選擇第二個(gè)可控直流電源。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié)控制角α大小來調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩鞯亩蝹?cè)含有直流分量，本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。主電路原理圖如圖2。

圖2 主電路原理圖

三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，只有這樣才能使電路正常工作。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流等保護(hù)裝置。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70年代以來，在我國的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來看，單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。但是，任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的，從電機(jī)能承受的過載電流有一定限制來看，要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。帶有截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動電流波形。實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外，很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動和制動過程的要求，例如可逆軋鋼，龍門刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的，為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短過渡過程的時(shí)間。

主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)：電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱得多，短時(shí)間的過電流和過電壓都會使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護(hù)裝置。

過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)：過電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護(hù)。

交流側(cè)過電壓保護(hù)：壓敏電阻采用由金屬氧化物(如氧化鋅、氧化鉍)燒結(jié)制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護(hù)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時(shí)只有很微弱的電流(1mA以下)通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時(shí)電壓，壓敏電阻可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。因此，是一種較好的過電壓保護(hù)元件。

本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△—Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路。

本設(shè)計(jì)采用PI調(diào)節(jié)器，輸出的轉(zhuǎn)速存在這超調(diào)量比較大，而且快速性也相對受到影響。則今后可以采用PID調(diào)節(jié)器可以全面的提高系統(tǒng)的控制性能，但是具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜，做的工做比現(xiàn)在就更多。設(shè)計(jì)研究是一個(gè)漫長的過程，要想讓它真正的使用到現(xiàn)實(shí)中，還需要不斷的改善。