第四章調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整

1、第四章 調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整第一節(jié) 檢測環(huán)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)控制方案和主電路圖的連接形式、元件選擇確定以后，就應(yīng)進行系統(tǒng)控制單元的選擇和調(diào)整，它是保證系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。下面簡要介紹系統(tǒng)控制單元設(shè)計中的主要內(nèi)容和需注意的問題。一、檢測環(huán)節(jié)根據(jù)反饋控制原理為了構(gòu)成閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行指標(biāo)，必須對系統(tǒng)控制對象的多種參量進行檢測，其中最基本的轉(zhuǎn)速，電流電壓等反饋信號。精確、快速地檢測這些信號是調(diào)速系統(tǒng)可靠工作的基本保證。系統(tǒng)對檢測環(huán)節(jié)總的要求是:1）檢測環(huán)節(jié)本身精度高，誤差小，以保證系統(tǒng)的控制精度。2）檢測單元和反饋通道慣性小，反應(yīng)快。3）檢測環(huán)節(jié)本身工作要可靠。4）檢測環(huán)節(jié)的輸

2、入，輸出特性呈線性關(guān)系。(一)轉(zhuǎn)速檢測及其測速發(fā)電機。常用的轉(zhuǎn)速檢測裝置是各種測速發(fā)電機和脈沖測速裝置。由于直流測速發(fā)電機無需另設(shè)整流裝置，且無剩余電壓，故在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速反饋信號廣泛采用直流測速發(fā)電機，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓。直流測速發(fā)電機有他勵式，永磁式兩類。型號有ZCF，ZYS(永磁)，ZYSH(永磁)，YD(高靈敏度)幾種。他勵式測速發(fā)電機體積小，用穩(wěn)流源供給勵磁時，速度特性比較穩(wěn)定。永磁式測速發(fā)電機不需要專門的穩(wěn)流勵磁電源，性能穩(wěn)定，但體積稍大，價格較貴，使用時環(huán)境溫度不宜高，不能有強烈振動，否則將使永久磁鐵的磁性減弱，以至消失，這一點須引起注意。實際運用時，測速發(fā)電機的負載電流不得過

3、大，其外接電阻不得小于規(guī)定的最小負載電阻。如ZCF110型測速發(fā)電機，一般取負載電阻左右。為減小輸出紋波電壓影響，應(yīng)選用換向片數(shù)較多的直流測速發(fā)電機。如選用高靈敏度的測速發(fā)電機，它的線性精度可達到0.01%0.05%。選用測速發(fā)電機時還須注意使測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電動機轉(zhuǎn)速相匹配。由于測速發(fā)電機和電動機聯(lián)接的安裝質(zhì)量對轉(zhuǎn)速反饋的影響很大，故尤應(yīng)給予特殊注意。常用的安裝方式，測速發(fā)電機與電動機剛性聯(lián)接或采用特殊聯(lián)接的方法，在軸向硬聯(lián)接，橫向可以自由活動以克服偏心所造成的影響?？傊?，問題的關(guān)鍵是要保證兩個電機軸聯(lián)接時的同心度，當(dāng)測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電動機轉(zhuǎn)速不一致的場合要設(shè)置變速機，如用變速齒輪或履帶式塑

4、料皮帶相聯(lián)。二、電流檢測環(huán)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測元件有下面幾種：1.利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測元件MIdLrRcVTH3Ui圖4-1 利用直流側(cè)電阻的電流檢測線路 在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻以取得電流檢測信號，如圖4-1所示。這種電流檢測方法，在電阻上會產(chǎn)生壓降或損耗。有時可利用電動機的換向繞組和補償繞組上的壓降作為電流信號。上述方法主電路與控制電路在電路上需接入電流隔離器。將作為隔離輸入信號，隔離器的輸出再作為電流反饋信號。2.以交流電流互感器作為檢測元件 對于整流電路而言，輸出的直流

5、電流與交流側(cè)的輸入電流有一定的關(guān)系，即式中，為與整流電路型式有關(guān)的比例關(guān)系，如三相橋式電路，。 所以可以采用交流電流互感器檢測，然后經(jīng)整流后獲得，以反映直流電流的大小，但不反映電流極性。這種檢測方式線路簡單、經(jīng)濟、隔離性好，得到廣泛應(yīng)用。 電流互感器的聯(lián)接方法，在單相電路中其聯(lián)接比較簡單在三相電路中，一般有兩種，Y形（用三臺電流互感器）和V形（用兩臺）聯(lián)結(jié)，線路見圖4-2。 對于定型生產(chǎn)的電流互感器，額定容量是10（或15）VA，二次電流是5A，允許負載電阻很小，得不到一般控制系統(tǒng)所需10V以上的電壓，故應(yīng)采用LZK-1系列控制專用電流互感器。在200A以上的大容量系統(tǒng)中，常采用在標(biāo)準(zhǔn)互感器后

6、面再加一級5A：0.1A的互感器，以擴大互感器變壓比，使二次電流減小，負載電阻可達200以上，可滿足系統(tǒng)對反饋信號電壓較大的要求。線路見圖4-3。使用交流互感器應(yīng)注意下面幾點：圖4-2 交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法a)Y聯(lián)結(jié) b)V聯(lián)結(jié)圖4-3 兩級交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法 1)交流互感器一次電流應(yīng)根據(jù)整流裝置輸出最大電流來選擇。 2)工作時二次繞組不允許開路，以防人身和設(shè)備事故。 圖4-4 交流電流互感器的曲折聯(lián)結(jié) 3)二次繞組一端應(yīng)接地 4)帶負載情況下，拆除二次繞組時，首先應(yīng)將其短路 5)具有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路不能采用交流檢測 6)交流互感器正常工作時不允許飽和。如在三相零式整流電

7、路中采用交流側(cè)檢測方案，則電流互感器應(yīng)改為曲折聯(lián)接，以免引起交流互感器的直流磁化而無法工作，線路見圖44。 3以直流電流互感器作為檢測元件 直流電流互感器實際上是一個由交、直流同時控制的磁性元件，直流電流變化時，磁路中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而使其二次側(cè)交流輸出量發(fā)生改變，然后經(jīng)整流后得到反饋信號。圖45是其兩種形式的聯(lián)結(jié)方式。目前國產(chǎn)的直流互感器的兩個鐵心、直流母線及二次交流繞組已做成一體，外部引線只有兩個直流母線端子和四個交流繞組端子，使用時需設(shè)置整流橋及提供交流輔助電源。圖4-5 直流電流互感器的聯(lián)結(jié)方式 a)串聯(lián)線路 b)并聯(lián)線路采用直流互感器檢測比交流互感器復(fù)雜，快速性稍差但它用一臺直

8、流互感器取代三臺交流互感器，使檢測裝置大為簡化，且輸出信號功率大，具有電氣隔離目前國內(nèi)定型生產(chǎn)的BLZ系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用。 4以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測元件圖4-6 帶給定濾波和電流反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 霍爾變換器的線性度好、無慣性、裝置簡單，但是輸出電壓一般為mV級，使用時須附加電壓放大器。此外由于霍爾元件薄而脆，安裝和使用時須特別小心，并應(yīng)采取措施防止外界電磁干擾。其線路原理可參閱有關(guān)專業(yè)書刊。 由此可見，系統(tǒng)對于電流反饋環(huán)節(jié)的基本要求是： 1)電流反饋信號要保證10V左右。信號大小取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出限幅值的整定，即 。 2)對電流反饋信號要求進行濾波，濾掉交流分量。但濾

9、波時間常數(shù)不得過大，否則將使電流環(huán)的等效時間常數(shù)過大，限制了電流環(huán)頻帶的展寬，影響電流響應(yīng)的快速性為抵消電流反饋通道濾波慣性的影響，在電流調(diào)節(jié)器給定通道需設(shè)置給定濾波環(huán)節(jié)。并使兩者時間常數(shù)大小相等。見圖46。 三、電壓檢測環(huán)節(jié) 在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號，最簡單的方法是在盡量靠近電動機電樞兩端的位置（主回路平波電抗器之后），直接引出直流電壓反饋信號，但其輸入與輸出之間沒有電氣隔離，容易造成事故。這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中。 在較大容量系統(tǒng)中，主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上，而控制回路電壓一般都在±15v左右，故必須設(shè)置直流電壓隔離器。利用直流電壓隔離器，

10、將輸入的直流電壓U_調(diào)制成方波，通過變壓器的磁耦合，再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號，如圖47所示。圖47 直流電壓隔離器原理圖直流電壓隔離器常用的有二極管開關(guān)型、三極管開關(guān)型和利用晶閘管(1A以下)的反向開關(guān)特性組成的晶閘管型電壓隔離器。前兩種，不僅能反映直流電壓大小，又能反映電壓方向，故既可用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，也適用于可逆系統(tǒng)；而后者僅能反映電壓大小，故只能用于不可逆系統(tǒng)。由于后者具有電路簡單、調(diào)整方便、線性度好等特點，故在不可逆系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖4-8 直流電壓隔離器的線路圖 a)二極管開關(guān)型 b)晶閘管型電壓隔離器在直流調(diào)速系統(tǒng)中是標(biāo)準(zhǔn)的控制單元插件，線路設(shè)計一般采用標(biāo)準(zhǔn)的

11、典型線路。圖4-8是電壓隔離器的兩種典型線路，其工作原理讀者可自行分析。第二節(jié) 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控制電路的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)輸入輸出的P、I、D、PI、PD、PID等多種運算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計中極其重要的一環(huán)，它對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用。調(diào)速系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器的一般要求是： 1) 節(jié)器須能夠調(diào)零，如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零，當(dāng)輸入為零時，輸出較大，則應(yīng)更換器件。 2) 過調(diào)整消振電路參數(shù)，能消除高頻振蕩。 3) 節(jié)器的正、負輸出電壓不能過小，一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓(±15v)。對

12、于PI調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅。4) 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)。5) 節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源（±15v或±12v）。一、調(diào)節(jié)器實用線路示例 系統(tǒng)中所用調(diào)節(jié)器隨著電子元器件集成化的發(fā)展，使得線路大為簡化，且性能優(yōu)良、調(diào)試方便、運行可靠、成本降低，故目前已普遍采用線性集成電路運算放大器組成多種型式的調(diào)節(jié)器。圖4-9是由5G24線性組件組成的PI調(diào)節(jié)器。它由土15V直流穩(wěn)壓電源供電，其允許最大輸出電流為±10mA，一般不用功放電路。 5G24管腳功能： 2為反相輸入端，3為同相輸入端，7為+15v電源，4為-15V電源，6是

13、輸出端，8和9間接消振電容Cf ，1和5間外接調(diào)零電位器RP。放大器入口外接限幅二極管VD1、VD2用來限制非共模輸入信號幅值以保護組件；二極管VD3、VD4和電位器RP1、RP2組成柑位反饋限幅電路；反饋回路接入R1、C1，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器。圖4-9 5G24組成的PI調(diào)節(jié)器目前我國生產(chǎn)的線性組件型號很多，這里不再一一舉例，讀者可查閱有關(guān)專業(yè)書刊。二、調(diào)節(jié)器限幅調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護電氣設(shè)備和機械設(shè)備的安全，須限制電動機的最大電流、最大電壓以及晶閘管變流裝置的和角等，一般都要求對調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實現(xiàn)限幅的方法大體有兩類，即外限幅和

14、內(nèi)限幅，電路圖如圖4-10所示。圖4-9就是利用二極管箝位的內(nèi)限幅電路。 三、調(diào)節(jié)器鎖零前已述及，系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)在停車期間，未加給定信號，由于其積分作用，調(diào)節(jié)器在干擾信號作用下也會有較大的輸出電壓。這個輸出信號送給觸發(fā)裝置，就會使觸發(fā)脈沖從初始相位(90º)前移而使電動機起動，這在控制上是不允許的。所以在系統(tǒng)給出起動指令之前，必須對具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零，即把它的輸出鎖到零電位上。圖4-10 運算放大器的限幅電路 a)外限幅電路 b)內(nèi)限幅電路系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器鎖零電路的要求是：1) 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時，具有積分作用的調(diào)節(jié)器必須用鎖零電路將其輸出電位鎖到零電位上。 2）

15、系統(tǒng)接到起、停及反向指令之時，或處于正常運行狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器不能鎖零。根據(jù)上述要求，可以設(shè)計出多種鎖零電路，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)器鎖零。圖411是采用繼電器接點對雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)鎖零的原理圖。圖4-11 不可逆系統(tǒng)調(diào)節(jié)器鎖零 采用線性組件也可以組成不同形式的零速鎖零電路。具體電路這里不一一介紹了。還要明確的是，KP-M直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速給定信號和轉(zhuǎn)速反饋信號作為鎖零電路的輸入信號，只有當(dāng)=0時，才允許鎖零電路的輸出信號對調(diào)節(jié)器實現(xiàn)鎖零，其中任一信號不等于零，調(diào)節(jié)器不能鎖零，使用時必須注意。調(diào)節(jié)器鎖零通常采用場效應(yīng)管或干簧繼電器接點來實現(xiàn)，見圖4-12。圖4-12 調(diào)節(jié)

16、器鎖零 a)繼電器接點鎖零 b)場效應(yīng)管鎖零第三節(jié) 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器一、給定電源GS在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必績要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設(shè)計系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時，必須十分注意對穩(wěn)壓電源的設(shè)計與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實際中應(yīng)用越來越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動給穩(wěn)壓電源工作帶來的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器

17、。這些在設(shè)計時都需引起注意。 二、給定積分器圖4-13 給定積分器線路 在VTH直流調(diào)速系統(tǒng)中，突加轉(zhuǎn)速給定信號時，電動機在最大允許電流下實現(xiàn)恒流起動，轉(zhuǎn)速以最大加速度上升，滿足最短時間控制。但一般直流電動機不允許過大的電流上升率；有些生產(chǎn)設(shè)備本身不能承受過大的機械沖擊，或生產(chǎn)工藝過程要求系統(tǒng)起、制動平穩(wěn)，超調(diào)量小。所以這時系統(tǒng)不能采用階躍給定方法，而采用給定積分器作為給定裝置，利用其輸出得到不同斜率的斜坡速度給定信號，滿足系統(tǒng)的要求。 典型的給定積分器線路在控制系統(tǒng)中是一個通用的控制單元插件。圖413是一種給定積分器的典型線路。 轉(zhuǎn)速給定信號u0的上升率有三種方法：改變電阻R；改變電容C；調(diào)

18、節(jié)電壓u2。調(diào)整時，通過調(diào)節(jié)電位器RP或改變N1的輸出限幅(調(diào)整RPl、RP2)的方法改變u2比較方便靈活，故應(yīng)用時多采用這種方法。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，給定積分器的輸出信號與輸入信號大小相等。 為防止給定積分器輸出電壓出現(xiàn)超調(diào)，可在反饋回路引入R1、C1組成的微分負反饋。第四節(jié) 觸發(fā)電路的確定在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中，觸發(fā)裝置是十分重要的控制單元。目前觸發(fā)裝置的種類很多，具體電路各式各樣，設(shè)計者必須根據(jù)系統(tǒng)實際需要合理地選擇觸發(fā)電路。 一、選用觸發(fā)電路時須考慮的因素。 系統(tǒng)對觸發(fā)電路的要求是設(shè)計和選擇觸發(fā)電路的依據(jù)，我們在選用時應(yīng)考慮下列一些問題：1）觸發(fā)電路的工作一定要十分可靠。這一點對可逆系統(tǒng)

19、來說尤為重要2）移相范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。對于不同整流型式，不同負載性質(zhì)，其移相范圍要求也不同。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，電感性負載(電流連續(xù))，若采用三相零式或三相全控橋線路，對不可逆系統(tǒng)，要求=0900；對可逆系統(tǒng)，則要求=01800。實際系統(tǒng)中，因有min和min角的限制，故移相范圍小于1800。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，移相范圍可超過1800；同步信號為正弦波的觸發(fā)電路，其移相范圍小于1800；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的移相范圍只有1500左右。3）不同整流電路對脈沖寬度的要求不同。對單相、三相半波和三相橋式半控整流電路，應(yīng)選擇單脈沖觸發(fā)電路；對于三相橋式全控整流電路，應(yīng)選擇雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電

20、路。對于一些容量不大、對觸發(fā)要求不高的系統(tǒng)，選用結(jié)構(gòu)簡單的觸發(fā)電路；一般情況下可使用由分立元件組成的觸發(fā)電路或集成移相觸發(fā)電路；必要時可采用微機觸發(fā)電路。 4）觸發(fā)電路輸入輸出特性線性度要好，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路線性度好，適用于要求調(diào)速范周寬的系統(tǒng)；同步信號為正弦波的觸發(fā)電路線性度稍差；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，其線性度更差，且有一段死區(qū)，一般用于小容量單相晶閘管系統(tǒng)中。 5）要求觸發(fā)器工作對電網(wǎng)電壓敏感。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路和同步信號為正弦波的觸發(fā)電路相比較，前者較后者好。6）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有足夠的功率(電壓、電流)和一定的寬度。 7）在大功率裝置中，當(dāng)晶閘

21、管采用串、并聯(lián)時，應(yīng)采用強觸發(fā)，提高脈沖前沿陡度，保證同臂元件導(dǎo)通的同時性。 8）最好采用集成電路觸發(fā)裝置，使元件、焊點、接插件、走線數(shù)量減少，簡化控制線路，提高系統(tǒng)可靠性。9）在實際應(yīng)用中一般應(yīng)采取防止誤觸發(fā)的具體措施。10）對于共陰極接法的零式（半波）整流電路或半控橋式整流電路，可采用一套觸發(fā)裝置對所有的晶閘管同時進行觸發(fā)控制。其余的整流電路形式，一個觸發(fā)脈沖只能觸發(fā)一個晶閘管。例如，在三相半波共陰極整流電路中，可以用一套觸發(fā)裝置對VT1、VT2和VT3同時進行觸發(fā)控制，但是此時觸發(fā)電路的移相范圍減小了。二、不同觸發(fā)電路的特性不同的觸發(fā)電路有不同的結(jié)構(gòu)特點，所發(fā)脈沖適用于不同的整流電路，現(xiàn)將常見的觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)特點，脈沖特點和適用電路列舉如下：1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，采用延遲移相方法，所發(fā)脈沖為窄脈沖，主要用于單相或三相半波晶閘管整流裝置。2）余弦交點法垂直移相觸發(fā)電路可實現(xiàn)對輸出電壓的線性控制，每個觸發(fā)單元在一個周期內(nèi)只輸出一個脈沖，所發(fā)脈沖為寬脈沖，脈沖寬度可調(diào)，適用于電感性負載和三相全控橋的需要寬脈沖的整流電路。3）鋸齒波垂直移相觸發(fā)電路也為分離元件組成的電路單元，具有強觸發(fā)環(huán)節(jié)，所發(fā)脈沖為雙窄脈沖，適合與三相全控橋式電路等需要兩只晶閘管同時導(dǎo)通才能形成回路的整流電路。4）集成觸發(fā)電路具有性能穩(wěn)定、調(diào)試方便、功耗低、體積小等優(yōu)點，其應(yīng)