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        一種新穎、適用的能耗制動控制電路的設(shè)計

        2020-05-14 09:21:02黃應(yīng)勇

        黃應(yīng)勇

        (柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,柳州 545006)

        0 引言

        隨著機械工業(yè)的快速發(fā)展,許多設(shè)備或機床,如數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、專用車床、臥式鏜床等,都要求能迅速停車,以縮短輔助生產(chǎn)時間,提高生產(chǎn)效率。這就要求對電動機進行制動,強迫其立即停車。制動停車的方式有兩大類,機械制動和電氣制動[1]。機械制動采用機械抱閘或液壓裝置制動,其優(yōu)點是控制簡單,缺點是機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高;電氣制動是使電動機產(chǎn)生一個與原來轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反的制動轉(zhuǎn)矩,其優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、利于機床實現(xiàn)自動化控制,缺點是電氣控制線路稍微復(fù)雜。

        1 傳統(tǒng)能耗制動控制電路

        1.1 傳統(tǒng)能耗制動控制原理

        圖1 所示為傳統(tǒng)能耗制動控制電路圖[2],圖中整流裝置由變壓器TC和整流二極管組成,通過橋式整流電路把TC輸出的交流電變成直流電。KM2為制動用的接觸器,KT 為時間繼電器,R 是可調(diào)電阻,其作用是調(diào)節(jié)制動電流的大小。

        停車時,按停止按鈕SB1,KM1失電切斷交流電源,并使KM2 得電,使電動機M 加入直流電源,進行能耗制動。KM2得電的同時KT得電,當(dāng)制動到零速時,延時打開的動斷觸點按預(yù)先調(diào)整好的時間打開,使KM2 失電,切斷直流電源,制動完畢。

        圖1 傳統(tǒng)能耗制動控制電路圖

        1.2 傳統(tǒng)能耗制動控制電路存在的一些缺陷

        圖1所示能耗制動控制電路的優(yōu)點是制動主控制線路簡單,僅由變壓器TC、整流二極管、可調(diào)電阻R、接觸器KM2 組成,使用元件少,設(shè)計、制作、安裝調(diào)試方便;其缺點是:1)可調(diào)電阻R調(diào)節(jié)制動電流范圍有限,且靈敏度不足;2)對于大中型電動機,要用大電流的整流二極管,使用時間長了整流二極管容易失效;3)成本高,因為變壓器的容量不小,因此變壓器價格不低,整體成本較高;4)圖1 所示能耗制動控制電路僅用于小型電動機,對于中大型電動機還得另尋其他設(shè)計方案。

        2 一種新穎、適用的能耗制動控制電路的設(shè)計

        2.1 新穎、適用的能耗制動主控電路的原理

        圖2所示為可控硅整流電路,該整流電路由可控硅SCR、續(xù)流二極管D1、接觸器KM2 組成。當(dāng)KM1 斷開的同時,KM2 接通,此時電流由火線W相→接觸器KM2→電動機定子繞組線圈→接觸器KM2→可控硅SCR→零線N 形成回路。在W 相的正半周內(nèi),可控硅SCR 承受正向電壓,在ωt=α?xí)r,在控制極引入觸發(fā)脈沖,SCR 即導(dǎo)通,電壓加到電動機定子繞組線圈兩端,同時有電流流過。在W 相的負(fù)半周內(nèi),可控硅SCR 承受反向電壓而阻斷,此時加到電動機定子繞組線圈兩端電壓為零,因此在電動機定子繞組線圈上得到一個單向脈動電壓VL,如圖3所示。同時,由于續(xù)流二極管D1的作用,在電動機定子繞組線圈上得到一個回路電流iL,如圖3所示[3]。

        加大控制角α,可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變小,此時制動時間變長;減小控制角α,可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變大,此時制動時間變短。

        圖2 可控硅整流電路圖

        圖3 波形圖

        2.2 可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計原理

        圖4 所示,為可控硅觸發(fā)電路圖,圖中TC 為同步變壓器,它的原邊接在主電路W 相電源上,副邊得到同頻率的交流電壓,經(jīng)橋式整流后,再經(jīng)穩(wěn)壓管限幅,在穩(wěn)壓管D2兩端獲得一個梯形波電壓,如圖5 所示。此電壓作為可控硅的供電電壓。因此,當(dāng)交流電源電壓過零時,單結(jié)晶體管BT33F兩基極的電壓也過零,此時電容C1通過R4很快放電到0V,因而,每一半周開始時C1總是從零開始充電,從而使下一個半周電容從零開始充電,這樣就可使每半周發(fā)出一個觸發(fā)脈沖的時間相同。

        圖4 可控硅觸發(fā)電路圖

        梯形波電壓通過電阻R2+RW向電容充電,當(dāng)電容兩端電壓C1等于單結(jié)晶體管BT33F的峰值電壓時,電容經(jīng)BT33F管向電阻R4放電。在電容的放電過程中,BT33F管發(fā)射極電位急劇下降,當(dāng)?shù)陀诠赛c電位時,BT33F管便截止,R4輸出電壓降到0V,即完成一次振蕩。放電一結(jié)束,電容又開始重新充電并重復(fù)上述過程,結(jié)果在電容C1上形成鋸齒波電壓VC1,如圖6所示,而在電阻R4上得到一個周期性的尖脈沖輸出電壓,如圖6所示。

        由于在每個半周內(nèi),第一個觸發(fā)脈沖時刻取決于電容C1充電常數(shù)τ=(R2+RW)C1的大小,電容C1充電常數(shù)小,可控硅的控制角α就愈小,整流輸出平均電壓也愈高。在電路中,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW的大小來改變充電時間常數(shù),從而達到改變α角使觸發(fā)脈沖移相的目的。

        圖5 穩(wěn)壓管兩端電壓波形圖

        圖6 電壓波形圖

        3 可控硅能耗制動控制電路設(shè)計的局限性

        對于單速電動機,用可控硅能耗制動控制電路有許多優(yōu)點:1)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)制動電流范圍大,且靈敏度高,制動效果好;2)對于大中型電動機,可以設(shè)計成一個通用電路,針對不同功率的電動機,只更換可控硅與續(xù)流二極管即可;3)成本低,因為變壓器的容量小,因此變壓器價格不高,整體成本較低;4)線路簡單,維修方便。但對于雙速電動機,直接用可控硅能耗制動控制電路制動效果有一定的局限性。

        對于雙速電動機,首先考慮的是高速極的制動效果,當(dāng)此方案用在高速極時,因電動機轉(zhuǎn)速較高,電動機繞組線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較大,通過調(diào)整圖4可調(diào)電阻RW的大小來滿足制動強度的要求。當(dāng)電動機低速轉(zhuǎn)時,如制動線路完全按高速極的線路,因電動機轉(zhuǎn)速較低,電動機繞組線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較小,因此出現(xiàn)制動強度不足的現(xiàn)象,此時要改變RW的大小來滿足制動強度的要求。當(dāng)電動機低速轉(zhuǎn)時,可在電阻RW上并上另一個電阻,調(diào)節(jié)此時的制動強度,來滿足快速制動的要求。

        4 結(jié)語

        電動機制動控制的設(shè)計方案很多,每種方案都有各自的適用范圍與特點,但是必須首先要滿足快速制動功能的需要,其次要滿足安全可靠的需要。本文提供一種線路簡單、低成本、安全可靠的設(shè)計方案。其線路簡單在于所使用的電器元件少,線路組裝容易;其低成本在于與其他制動控制系統(tǒng)相比,總的費用更低;其安全可靠在于使用地電器元件性能可靠,控制穩(wěn)定。該設(shè)計方案對于雙速電動機低速時出現(xiàn)制動強度不足的現(xiàn)象,提出了解決方法,可供廣大電氣、機械工程設(shè)計人員及技術(shù)人員參考使用。

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