【文章內(nèi)容簡介】 5）參數(shù)實(shí)現(xiàn)軟件化，無漂移影響。 6）所用元件數(shù)少，不易失效。 7）設(shè)定值量化程度高，且狀態(tài)重復(fù)率好。 8）放大器和級間耦合噪聲很小，電磁干擾小。 9）調(diào)試即投 產(chǎn)靈活方便，易于設(shè)計和修改設(shè)計。 10）標(biāo)準(zhǔn)及通用化程度高，除主 CPU模塊外，僅數(shù)種附加模塊?？蓪?shí)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(shí)現(xiàn)各類變速控制及易于實(shí)現(xiàn)與 PLC 系統(tǒng)通信。 由此，數(shù)字化將在未來的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。 5 第二章 系統(tǒng)方案選擇 本設(shè)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(shí)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)用臺單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)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(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 調(diào)速方案的選擇 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)節(jié)的質(zhì)量。根據(jù)電機(jī)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(yùn)行。 系統(tǒng)控制對象的確定 本次設(shè)計選用的電動機(jī)型號 Z232 型，額定電壓 230V，額定電流 ，額定轉(zhuǎn)速1000r/min,勵磁電壓 220V，運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 電動機(jī)供電方案的選擇 變電壓調(diào)速 是直流調(diào)速系統(tǒng)的用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需要的可控電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波 器和脈寬調(diào)制變壓器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 gm系統(tǒng)，用交直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，已獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)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(shí)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)整交換器采用 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)制交換器產(chǎn)生可 變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點(diǎn)選 vm系統(tǒng)。 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?？紤]使用電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交直流器供電方案。因三 6 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(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)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(jī)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。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 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(shí)現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)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(jī)。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(jī)。 系統(tǒng)的工作原理：在此單片機(jī)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(jī)，計算機(jī)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(jī)的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速度降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]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(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)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(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)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(dá)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(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(shè)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(shí)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動過程中 7 只有電流負(fù)反饋， 而它和轉(zhuǎn)速反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋， 不靠電流負(fù)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(fù)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(fù)載電流小于idm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)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(hù)。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(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 主電路 電動機(jī)的額定電壓為 230v，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)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)整流變壓器。 工業(yè)供電電壓為 ac380v，而電動機(jī)的額定電壓為 230v，所以必須通過降壓變壓器對其降壓，使之達(dá)到系統(tǒng)要求。本設(shè)計采用的是直流電機(jī)，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。 晶閘管元件的選擇 整流電路采用晶閘管全控橋電路。由于它具有單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，對過電壓，過電流以及高的和敏感，在低速運(yùn)行時，導(dǎo)通角很小等等缺點(diǎn)，結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)木чl管型號十分重要。 一 .晶閘管的額定電壓 晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓 utm，乘以（ 2~3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn) 電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓 utn，即 utn=（ 2~3） utm[3]整流電路 形 式為三相全控橋。 二 .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(shí)際流過管子電流最大有效值 ，即 = 或 ==k 考慮 (~2)部的裕量 =（ ~2） k 式中 k=/()電流計算系數(shù)。 此外，還需注意以下幾點(diǎn) : 8 ①當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過 +40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。 ②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。 ③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。 三 .直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù) 晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)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(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 a． 過電壓保護(hù) 不能從根本上消除過電壓的根源，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度 之內(nèi)，這是國電壓保護(hù)的基本思想。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(shí)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(hù)方法。以過電壓保護(hù) 的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過壓 保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。 b．電流保護(hù) 快速熔斷器的斷流時間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)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 i2= 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=i2=, it=== 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(dǎo)通。因此作用于晶閘的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。 造成電壓上升率過大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶 閘管換相時相當(dāng)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(dǎo)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。 9 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(dǎo)通時，于晶閘管并聯(lián)的阻容保 護(hù)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(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。 限制，除在阻容保護(hù)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 1≥ (20 ~30)181。h；也可采用鐵心電抗器， 1 值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或是導(dǎo)線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替 橋臂 電抗器。所以為了防止和，每個橋臂上串聯(lián)一個 30181。h 的電感 。 控制電路 控制電路基本由單片機(jī)，觸發(fā)電 路， a/d 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集電路以及顯示電路構(gòu)成。 6RA24 SIMERG K 直流調(diào)速裝置。雙閉環(huán)系統(tǒng)由兩個 pi 調(diào)節(jié)器組成，由單片機(jī)通過 pi 算法實(shí)現(xiàn)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如 下 圖 21。 由圖可見，該系統(tǒng)有兩個反饋回路，構(gòu)成兩個閉環(huán)回路，（故稱雙閉環(huán)）。其中一個是由電流調(diào)節(jié)器 LT 和電流檢測 — 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個是 由速度調(diào)節(jié)器 ST 轉(zhuǎn)速檢測 — 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電流環(huán)，因此稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)（有成副環(huán)），稱速度環(huán)為外環(huán)（有稱主環(huán)）。在電路中， ST 和 LT 實(shí)行串級聯(lián)接，即由 ST 去“驅(qū)動” LT，再由“ LT”去“控制”觸發(fā)電路。圖中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均為比例加積分（ PI）調(diào)節(jié)器，其輸入和輸出均設(shè)有限副電流。 轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化而變化，而電流環(huán)要求維持電流不變。這種性能會 不利于電流對轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，有使靜特性變軟的趨勢。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是 外環(huán)，電流環(huán)的作用只相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部一種擾動而已，不起主導(dǎo)作用。只要轉(zhuǎn)速的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍能靠 ST 的積分作用。消除轉(zhuǎn)速偏差。 10 S TL TS FU g nU f if L HDU kU g iU f nnf d+++ 圖 2— 1 轉(zhuǎn)速 電流 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ST┈┈ 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 LT┈┈ 電流調(diào)節(jié)器 SF┈┈ 測速發(fā)電機(jī) LH┈┈電流互感器 Ugn, Ufn┈┈轉(zhuǎn)速給定和反饋電壓 Ugi, Ufi┈┈電流給定和反饋電壓 為了使轉(zhuǎn)速、流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的的動、 靜 態(tài)性能。電流、速兩個調(diào)節(jié)采用PI 調(diào)節(jié)器，均采用負(fù)反饋?？紤]到觸發(fā)裝置的控制電壓、算放大器又具有倒相作用，圖中標(biāo)出了相應(yīng)信號的實(shí)際極性。 速度調(diào)節(jié)器的輸入為轉(zhuǎn)速給定信號 Ugn 和轉(zhuǎn)速反饋信號 Ufi， 比較后的偏差信號 △Un=UgnUfi。 速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電 流環(huán)節(jié)給定信號 Ug，與電流反饋信號比較后行偏差信號 △ Ui=Ufi –Ug，其電流調(diào)節(jié)器的輸出信號 Uk 為觸發(fā)許多相電路的控制信號。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的給定電流的最大值，該值完全取決于電動機(jī)的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出正限幅值 +Uctm 則表