【正文】 數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的研究及設計第1章 緒 論 直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 課題背景與研究目標 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 此次課題設計一個直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由單片機，檢測電路，驅(qū)動電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構(gòu)成，檢測電路又包括電流檢測，轉(zhuǎn)速檢測，電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。 課題的實際意義 隨著微電子技術(shù),微處理機以及計算機軟件的發(fā)展,使調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機,借助軟件來實現(xiàn)。即從過去的模擬控制向模擬數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實現(xiàn)全數(shù)字化。 在數(shù)字化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調(diào)速功能外,還具有故障報警,診斷及顯示等功能,同時,數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力,通過選配適當?shù)耐ㄐ沤涌谀０?可方便地實現(xiàn)主站(如上一級PLC或計算機系統(tǒng))和從站(單機交,直流傳動控制裝置)間的數(shù)字通信,組成分級多機的自動化系統(tǒng)。為易于調(diào)試,數(shù)字系統(tǒng)的軟件,一般設計有調(diào)節(jié)器參數(shù)的自化優(yōu)化,通過啟動優(yōu)化程序,實現(xiàn)自動尋優(yōu)和確定系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù),以及實現(xiàn)如直流電動機磁化特性曲線的自動測試等,有利于縮短調(diào)試時間和提高控制性能。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)整系統(tǒng)相對應的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用,新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。與模擬系統(tǒng)類似, 全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為緊湊式和模塊式兩大類，但全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)還是有模擬調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點,技術(shù)更先進,操作方便。 數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對比,技術(shù)性能有如下優(yōu)點: (1) 靜態(tài)精度高且能長期保持； (2) 動態(tài)性能好,借助于豐富的軟件,易于實現(xiàn)各類自適應和復合控制； (3) 調(diào)速范圍寬； (4) 電壓波動??； (5) 參數(shù)實現(xiàn)軟件化,無漂移影響； (6) 所用元件數(shù)量少,不易失效； (7) 設定值量化程度高,且狀態(tài)重復率好； (8) 放大器和級間耦合噪聲很小,電磁干擾?。?(9) 調(diào)試即投產(chǎn)靈活方便,易于設計和修改設計； (10) 標準及通用化程度高,除主CPU模塊外,僅數(shù)種附加模塊； 可實現(xiàn),包括工藝參數(shù)在內(nèi)的多元閉環(huán)控制； (11) 適用范圍廣,可實現(xiàn)各類變速控制及易于實現(xiàn)與單片機或PLC系統(tǒng)通信。 由此,數(shù)字化將在未來的調(diào)速設備中得到大量應用。 數(shù)字化是調(diào)速系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)，特別是當前網(wǎng)絡技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及與發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導地位，因此研究該課題具有實際意義。 第2章 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設計 本設計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行。 系統(tǒng)控制對象的確定 本次設計選用的電動機型號Z 232 型，額定電壓230V，,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵磁電壓220V,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 電動機供電方案的選擇 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱GM系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱VM系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設計的技術(shù)要求和特點選VM系統(tǒng)。 [1] 在VM系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓Ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)速通過光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計數(shù)，再直接連到單片機。交流側(cè)電流通過電流互感器的作用，經(jīng)采樣，A/D轉(zhuǎn)換連到單片機。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。 與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于I dm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖21所示。 圖21 單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的工作原理 在此單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 第3章 主電路設計與參數(shù)計算 電動機的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。 工業(yè)供電電壓為AC 380V，而電動機的額定電壓為230V，所以必須通過降壓變壓器對使之達到系統(tǒng)要求。本設計采用的是直流電機，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。 變壓器二次側(cè)電壓U 2 的計算 U 2 是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： 式中U dmax 整流電路輸出電壓最大值； nU T 主電路電流回路n個晶閘管正向壓降； C 線路接線方式系數(shù)； U sh 變壓器的短路比，對10～100KVA，U sk =～； I 2 /I 2N 變壓器二次實際工作電流與額定之比，應取最大值。 [2] 在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： 式中A理想情況下，α=0176。時整流電壓U d0 與二次電壓U 2 之比，即A=U d0 /U 2 ； B延遲角為α時輸出電壓U d 與U d0 之比，即B=U d /U d0 ； ε——電網(wǎng)波動系數(shù)； 1~——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設計要求，采用公式： 由表查得 A=；取ε=；α角考慮10176。裕量，則 B=cosα= 取U 2 =120V。 電壓比K=U 1 /U 2 =380/120=。 一次、二次相電流I 1 、I 2 的計算 由表查得 K I1 =, K I2 = 考慮變壓器勵磁電流得： 變壓器容量的計算 S 1 =m 1 U 1 I 1 ； S 2 =m 2 U 2 I 2 ； S=1/2(S 1 +S 2 )； 式中m 1 、m 2 一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； S 1 =m 1 U 1 I 1 =3380= KVA S 2 =m 2 U 2 I 2 =3120= KVA S=1/2(S 1 +S 2 )=1/2（+）= KVA 整流電路采用晶閘管全控橋電路。由于它具有單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對過電壓，過電流以及過高的 和 敏感，在低速運行時，導通角很小等等缺點，結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當?shù)木чl管型號十分重要。 晶閘管的額定電壓 晶閘管實際承受的最大峰值電壓U Tm ，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓U TN ，即U TN =（2～3）U Tm [3] 整流電路形式為三相全控橋，而 ，則 取 晶閘管的額定電流 選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值 大于實際流過管子電流最大有效值 ，即 = 或 = =K 考慮（～2）倍的裕量 = （～2） K 式中 K= / （ ）電流計算系數(shù)。 此外，還需注意以下幾點： ①當周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應降低元件的額定電流值。 ②當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。 ③關(guān)鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。 由表查得 K=，~2倍的裕量 取 。故選晶閘管的型號為 。 晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。 過電壓保護 不能從根本上消除過電壓的根源，只能設法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓保護的基思想。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非先行元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。實用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時用兩種不同保護方法。以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。 （1）交流側(cè)過電壓保護 本設計采用阻容保護 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進行保護。如圖（31）所示： 圖31 RC保護電路 表31 變壓器連接及阻容選值 變壓器接法 單相 三相、二次Ｙ聯(lián)結(jié) 三相二次Ｄ聯(lián)結(jié) 阻容裝置接法 與變壓器二次側(cè)并聯(lián) Y聯(lián)結(jié) D聯(lián)結(jié) Y聯(lián)結(jié) D聯(lián)結(jié) 電容 Ｃ Ｃ 1/3C 3C C 電阻 Ｒ Ｒ 3R 1/3R R 對于三相電路，Ｒ和Ｃ的值可按上表換算。 本系統(tǒng)采用DY連接。 S=， U 2 =120V 變壓器勵磁電流百分數(shù)I em 取值：當 S=1~10KVA時，對應的I em =4~1，所以I em 取3。 C≥ 6I em S/U 2 2 = 633410 3 /120 2 = 選取20181。F的鋁電解電容器。 變壓器短路電壓比 選?。?S=1~10KVA， =1~5 ，所以 =3 R≥ U 2 2 /S = 120 2 / 10 3 = Ω 選取電阻為ZB110的電阻。 （2）直流側(cè)過電壓保護 直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護,如圖(32)所示。 圖32 壓敏電阻保護的接法 U 1MA =（）U DC =() 230=414460V 選MY31440/5型壓敏電阻。允許偏差+10％（484V）。 （3）晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 查下表： 表32 過電壓保護阻容選值 晶閘管額定電流/μA 10 20 50 100 200 500 1000 電容/μF 1 2 電阻/Ω 100 80 40 20 10 5 2 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 ～。 [4] 得 C=，R=100Ω。 。 P R =fCU m 2 10 6 =5010 6 ( 120) 2 10 6 =10 6 W 選R為20Ω普通金屬膜電阻器。 電流保護 快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 1） 交流側(cè)快速熔斷器的選擇 I 2 = 選取RLS10快速熔斷器，熔體額定電流6A。 2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇 I=I 2 =， I T = = = 選取RLS10快速熔斷器，熔體額定電流4A。 3）電壓和電流上升率的限制 電壓上升率 ：正相電壓上升率 較大時，會使晶閘管誤導通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應有一定的限制。 造成電壓上升率 過大的原因一般有兩點：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相當于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成 過大。 限制 過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使 降低。 電流上升率 ：導通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對晶閘管的電流上升率 必須有所限制。 產(chǎn)生 過大的原因，一般有：晶閘管導通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護電容充電；直流側(cè)負載突然短路等等。 限制 ，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制 相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。 限制 和 的電感，可采用空心電抗器，要求L≥（20～30）μH；也可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導線繞上