【正文】 等。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。 （ 1）變極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方 式來改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 速目的，特點(diǎn)如下： a具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； b 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價(jià)格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速； c可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 （ 2）變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。其特點(diǎn)： a效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； b應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)； c調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 (3)串級調(diào)速方法 串級調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式 ，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為： a可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； b裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 70％－ 90％的生產(chǎn)機(jī)械上； c調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； d晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 (4)繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī) 在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。 (5)定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。 調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： a調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； b調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。 (6)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對接稱從動(dòng)部分。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速 N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。 (3)起動(dòng)電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。 (5)易于實(shí)現(xiàn)過 程自動(dòng)化。 (7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和整流子，因而必須對其進(jìn)行檢查，電機(jī)安裝環(huán)境受到限制。此外，也限制了電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。 第二，直流電機(jī)由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機(jī)可做到 610kV。第四，直流電機(jī)的體積、重量、價(jià)格要比同等容量的交流電機(jī)大。一方面，交流拖動(dòng)的負(fù)荷在總用電量中占一半或一半以上的比重 ，這類負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時(shí)往往留有一定余量，電三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 機(jī)又不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時(shí)，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣 泛應(yīng)用。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。 (2)電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 在采用變頻調(diào)速時(shí)，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如：包裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)實(shí)行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動(dòng)操作器、電動(dòng)執(zhí)行器和給水閥門（或擋風(fēng)板），而且使得整個(gè)鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高的控制精 度和穩(wěn)定性。圖 31 為三相變頻器的功能示意 圖，其輸入端接至頻率固定的三相交流電源，輸出端輸出的是頻率在一定范圍了連續(xù)可調(diào)的三相交流電，直接驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)。 交 — 直部分： （ 1）整流管 VD1～ VD6 組成三相整流橋，它將三相交流電源全波整流成脈動(dòng)直流。 直 — 交部分： （ 1）逆變管 V3～ V6 組成逆變橋，它是變頻器的核心部分，它把 V1～ V6整流所得的直流電，再“逆變”成頻率可調(diào)的交流電。而逆變后的電壓頻率，則可以在上述導(dǎo)通規(guī)律不變的前提下，通過改變控制信號的變化周期來進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （ 2）續(xù)流二極管 VD7～ VD12 器主要功能有： a 電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無功分量 VD7～ VD12 為無功電路返回直流電源時(shí)提供“通道”。 cV1～ V6 進(jìn)行逆變的基本工作過程是，統(tǒng)一橋 臂的兩個(gè)逆變管，處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。 變頻器容量的確定 變頻調(diào)速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，對于變頻器的容量確定至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡便的方法有三種： (1)電機(jī)實(shí)際功率確定發(fā)首先測定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來選用變頻器的容量。 計(jì)算出 Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。在任何情況下，都不能在連續(xù)使三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 用時(shí)超過額定電流 I。 雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有其不利因素， 主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。 此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機(jī)負(fù)載變化不大，或深井泵配有水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光 電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。不透光的 用 “1” 來表示。如果編碼盤有 4個(gè)碼道， 每個(gè) 碼道 可以 表示 二進(jìn)制的 0或 1， 4位二進(jìn)制可形成 16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對應(yīng)一個(gè) 4位二進(jìn)制數(shù)，如 0000、 000 ? 、1111。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平 “0” ，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平 “1” ，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。它是由光源、透鏡、三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 主 光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計(jì)數(shù)脈沖信號。利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的位置和速度。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。具體的測速方法有 M法、 T 法和 M/T 法 3 種?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時(shí)間是 Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是 M1 圖 33 M法測速法 在實(shí)際的測量中，時(shí)間 Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1以減小誤差，可以增大檢測時(shí)間 Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在 秒 以下。 M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷τ诮o定的光電編碼器線數(shù) N機(jī)測量時(shí)間 Tc 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖 M1越大，誤差也就越小。例如時(shí)鐘頻率為 fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為 M2，光電編碼器是 N線的，每線輸出 4N個(gè)脈沖 。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長 ，時(shí)鐘脈沖數(shù)會超過計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出 。與 M 法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。采用 M/T 法既具有 M 法測速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有 T法測速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)，反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確的測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。在很多情況下， 并不一定需要三個(gè)單元，可以取其中一到兩個(gè)單元，不過比例控制單元是必不可少的。PID 控制器是最簡單且許多時(shí)候最好的控制器。由此可見， 在過程控制中，PID 控制的重要性是顯然的。比例控制器的傳遞函數(shù)為： ? ? PC SG K? （ 32） 式中， PK 稱為比例系數(shù)或增益（ 視情況可設(shè)置為正或負(fù)），一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（ Proportional Band， PB），來取代比例系數(shù) PK ，比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱為比例度。 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 36 所示 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 35具有比例控制器的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖 假定 ? ? ? ? ? ? ? ?011 2 1 5 1S S S SG ? ? ? ?， ? ?HS為單位反饋，如果用 MATLAB 做出系統(tǒng)在不同的 PK 取值下的階躍響應(yīng)曲線，我們就能看出，隨著 PK 值的增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量也隨之增加，調(diào)解時(shí)間也隨之增長，而且 PK 增大到一定值后，閉環(huán)將趨于 不穩(wěn)定。 比例微分 （ PD） 控制環(huán)節(jié) 具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為 PD 控制， PD 的傳遞函數(shù)為： ? ? sPPC SG KK ??? （ 34） 其中， PK 為比例系數(shù)， ? 為微分常數(shù)， PK 與 ? 兩者都是可 調(diào)的參數(shù)。微分控制反映誤差的變化率，只要誤差隨時(shí)間變化時(shí)，微分控制才會對系統(tǒng)起作用，而對無變化或緩慢變化的對象不起作用。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在客服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 這就是說，在控制中引入“比例”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有“比例 +微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。另外，微分控制對純時(shí)控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號的缺點(diǎn)。 比例積分 微分 （ PID）控制 具有比例 +積分 +微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即 PID 控制， PID 控制點(diǎn)傳遞函數(shù)為： （ 35） 其中， PK 為比例系數(shù)， iT 為積分時(shí)間常數(shù)， ? 為微分時(shí)間常數(shù)，三者都是可調(diào)的參數(shù)。 PID 控制通過積分作用消除誤差， 而微分控制可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)，是綜合了PI 與 PD 控制的長處并去除其短處的控制。 1() PPPC iSSSKG KKT ?? ? ?三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 三相異步電動(dòng)機(jī)的 閉環(huán) 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理 分析 三相異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由西門子 300PLC、 變頻器、編碼器、 異步電動(dòng)機(jī) 等構(gòu)成。 閉 環(huán)變頻調(diào)速工作原理圖如圖 36所示。對異步電機(jī)而言，以上三種方式雖都可以采用，但變極對數(shù)的調(diào)速是有級調(diào)速（不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速），電磁調(diào)速、轉(zhuǎn)子變阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，所以只有變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi) 大都使用交－直－交變頻器。 改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此有 1111 fUfE ??? （ 37） 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。為此我們要在降頻的 同時(shí)還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控