求大功率直流电机调速系统设计？_电动机_百科问答
求大功率直流电机调速系统设计？
提问者:石泉豪
基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 大功率直流电机调速系统大功率直流电机调速系统以大功率直流电动机为控制对象，以电力电子器件率变换装置，将电能转换成机械能，在自动控制理论指导下，实现弱电对强控制，最终达到调节电机转速的目的。【&sl大功率直流电机调速系统通过对电转速的控制，将电能转换为机械能，进而控制工作机械按给定的运动规律运使之满足各种具有特定要求的作业现场。调速系统的主要性能指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时转速波动的大小，从正转运行到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速的要求有以下三个方面:1.调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有级)或平滑地(无调节转速。2稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大速波动，以确保产品质量。3.加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率;不受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。上述三方面要求，可具体转化为调速系统的稳态和动态两方面的性能指标。.1稳态性能指标所谓稳态性能指标是指系统稳定运行时的性能指标，如调速系统稳定运行时速范围和静差率等。下面具体介绍调速系统中的稳态性能指标。I0]I&&!.1.1调速范围直流调速控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速&J转速之比，用D表示，即n_当竺(2.1)nmin其中。ma、和对于调压调速系统来说，电动机的最高转速。ma、等于其额定转速第2章大功率直流电机调速系统om。D越大，说明系统的调速范围越宽。2.1.2静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所引起的额定转降落从。，与理想空载转速no之比，称作静差率:，即(2.2)静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化的程度，它与机械特性的度有关，特性越硬，静差率越小，转速稳定度越高。然而静差率和机械特性硬又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是孤立的，必须同时提才有意。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时满足静差率要求下系统所能达到最大调节范围。脱离了对静差率的要求，任何调压调速系统都可以得到极高的速范围;脱离了调速范围，静差率要满足要求也就容易得多了。.2.2动态性能指标直流调速系统在动态过程中的指标称为动态性能指标。由于实际系统存在着磁和机械惯性，因此，当转速调节时，总有一个动态过程。衡量直流调速系统态性能的指标可分为跟随性能和抗干扰性能指标两类。120112&}.2.2.1跟随性能C(&)C~C~一C二土5%(或士2%)C二图2.1阶跃响应曲线和跟随性能指标Fig2.1.eurveofstePinPutresPondandfollowingPerformance基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计直流调速系统的跟随性能指标一般用零初始条件下，系统对阶跃给定输入信输出响应过程来表示。系统对给定输入的典型跟随过程如图2.1所示。其主要性能指标有:1.上升时间t;。在阶跃响应过程中，输出量从零开始，第一次上升到稳态值C二历的时间称为上升时间，它反映了系统动态响应的快速性。2.超调量a%。在阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之百分值，称为超调量，即C____一C_a%==二二些匕一~二二，x100%(2.3)C二超调量反应了系统的相对稳定性，超调量小，相对稳定性好，即动态响应比稳。3.调节时间t:。在阶跃响应过程中，输出衰减到与稳态值之差进入士5%或士2%许误差范围之内所需最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。调节是用来衡量系统整个调节过程快慢的，调节时间t，越小，系统响应的快速性越在实际系统中，快速性和稳定性往往是互相矛盾的。减小了超调量往往就延过渡过程调节时间:加快过渡过程却又增大了超调量。对于一般要求的系统，根据生产工艺的要求，哪一方面的性能是主要的，就以哪一方面为主。对于要求的较高性能的系统，还可以考虑采用一些综合型的优化性能指标。2.2抗扰性能指标上5%(或土2%)C二2}}}}}}}}}}军军}}}}}}}}}}}}}}}}}}}lllll{{{.....III!!!!!}}}.....lll图2.2突加扰动的动态过程和抗扰性能指标Fig2.2.dynamieProeessofdisturbandthePerformanceofanti一amming第2章大功率直流电机调速系统当控制系统在稳定运行过程中受到电动机负载变化，电网电压波动等于干扰素的影响时，会引起输出量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的态。这一恢复过程就是系统的抗扰过程。一般以系统稳定运行时突加一个使输出量降低的扰动以后的过渡过程作为典型的抗扰过程，如图2.2所示。抗扰性能定义如下:1?动态降落△Cma:%。系统稳定运行时，突加一个扰动量N，在过渡过程中引输出量的最大降落值△Cma、称为动态降落，一般用与输出量原稳态值C二，的百分表示，即△Cmax%=△CmaxC二-x100%(2.4)2.恢复时间t犷。从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到与新稳态值C二2之差进c二2的士5%或士2%范围之内所需要的时间，称为恢复时间tF，如图2.2所示。一来说，阶跃扰动下输出量的动态降落越小，恢复时间越短，系统的抗扰动能力强。.2直流电动机数学模型直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置，具有启动转矩大、调速能好、调速范围宽等优势，在工程船舶上得到广泛的应用，用于绞刀、锚机、缆机拖动，钻机驱动等。在直流电机调速系统中通常是以他励式直流电动机为控制对象，其等效控制电路如图2.3所示。Lc一一一一一一一了~了、产丫气厂、&&一一一卜la图2.3直流电机等效控制电路Fig2.3.modelcireuitofDCmotor系统的输入量x;为电机电枢电压。，控制系统的输出量x:为电机的转速。。根电压定律，可以得到电枢回路的微分方程式:基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计__di_e+i_R+L一二生=udt(2.5)，。为电动机电枢反电动势;R为电动机电枢回路电阻;L为电动机电枢回路;i。为电动机电枢回路电流。由于电机产生的反电动势为e=Con(2.6)，C。为直流电机在额定磁通下的电动势转速比(电动机电势常数)。因此，由式2.5和式2.6可以得到电机的动方程式:c。。+i。*+:玉一。dt(2.7)电动机的第二个方程为机械运动方程，无负载的理想机械运动方程的微分形__GDZdn1_一I，，&&375dt(2.8)M为电动机的转矩，GD&为电动机的飞轮惯量。电磁转矩为Te=C。ia(2.9)瓜为直流电机在额定磁通下的转矩电流比(电动机的转矩常数)整理得到::二业+二塑+。一二&&&dt&&&dtC。(2.10)，双_左是电动机的电磁时间常数;=旦旦二二上是电动机的机电琳嫦375C。Ce将式2.10在零初始条件下进行拉斯变化可以得到直流他励式电动机的传递函式数学模型:X附(s)=一X;1/Ce兀凡52+凡s+1(2.11)直流电机调速的基本方法第2章大功率直流电机调速系统直流电动机电枢回路的电压平衡方程为U=E+IaR电枢反电势为E=C。中n由此得到转速特性方程式如下(2.12)(2.13)(2.14)由式(2.14)可以看出，U一I。RC。中调节直流电动机的转速有如下3种方法:123]124]1.调节电枢电压调速2.改变电动机励磁调速3.改变电枢回路电阻调速如气认OT图2.4他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性Fig2.4.mechaniealeharacterofDCmotorwhenthearmaturevoltage15ehanged对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方为最好，其机械特性如图2.4所示，改变电压时，，。随电枢电压的降低而降低，机械特性的斜率则保持不变;改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速(即电动机额定转)以上作小范围的升速。.4大功率直流调速系统的可控直流电源变电压调速是直流调速的主要方法，调节电枢供电电压需要有专}&一」的一可控直电源，常用的可控直流电源有以下:种151120]基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计1.旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流。2.静止可控整流器用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器，以获调的直流电压。3.直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源或不可控整流电源供利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。旋转变流机组由于至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一磁发电机，因而设备多，体积庞大，日常运行和维护的费用高，至今只在少未进行设备更新的工厂采用;脉宽调制虽然可以得到脉动很小的直流电流，电动机的耗损和发热，但由于受到整流器件容量的限制，目前只用于中、小的调速系统(几十千瓦左右)。在电力拖动系统中，主要用晶闸管整流元件组成整流电源。晶闸管直流电动统是在各种工业场合应用极为广泛的一种电力拖动系统，是可控整流装置的用途之一。三相可控整流电路的类型很多，包括三相半波(零式)、三相全控、三相半控桥式等。这些电路中最基本的是三相半波可控整流电路，其余类可看作是三相半波电路以不同方式串联或并联组成的。125]1晶闸管三相可控整流电源网网网网网网SSSCRIIIIISCR444、、{日日日\目目网网网冈冈SSSCR333SCR666、、1月月习月月图2.5三相桥式全控整流土电路原理图Fig2.5.sehematiccircuitofallcontrolledthyristorrectifierofthree一Phase相桥式全控整流电路l&5!!261127】如图2.5所示，_l一业}几J&一泛应用的三相桥式整流电路从三相半波电路发展而第2章大功率直流电机调速系统为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，且控制角a完全相同。由于共阴极在负半波导通，流经变压器的是正向电流，而共阳极组在负半波导通，流经变器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁势，在正、负半波都有电流流变压器的每相绕组，这样便提高了变压器的利用率。在三相全控桥式整流电路中，由于共阴极组和共阳极组是同时控制的，各晶管的控制角a都相同。由于这种电路是两组三相半波整流电路的串联，因此整输出电压加大一倍，输出直流电压的脉动减少，从而进一步降低电机的发热，善换向。大电感性负载时，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是阮/3，故整流输电压为:Ud=a&拓乙2sin耐(。)一2.3叨2eosa一r.35u2:cosa(2.15)可见，电感性负载时，要求的最大移相范围为900。电感性负载时电流波形为矩形波，设其幅值为Id，流过晶闸管的电流有效值I二=、阵，了、互一乓一。.577乙V阮一3V3(2.16)晶闸管所承受的最大正反向电压都是线电压的峰值丫面。。三相有源逆变电路脚]在实际生产实践中，还需有相反的要求，利用晶闸管电路把直流电转变成交电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流变为同频率的交流电反送到电网去，叫有源逆变;如果变流器的交流侧不与连接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供载，则叫无源逆变。有源逆变的条件有二:一定要要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通一致，其值应该稍大于变流器直流侧的平均电压;其次要求晶闸管的。&二/2，、为负值。基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计三相桥式整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。逆变和整流别仅仅是控制角a的不同。0&a&二/2时，电路工作在整流状态，二/2&a&二时，工作在逆变状态。关于逆变电路各电量的计算归纳如下:U、=一2.34U2cos恤一a)输出电流的有效值:，一卜了+I露圣流过晶闸管的电流有效值为:=一1.35U2:cos恤一a)(2.17)(2.18)I_____&一石一。价7&(2.19)变压器二次侧线电流的有效值为:，2一二:一得一0.)2晶闸管可控整流电源下直流电动机的机械特性当电流连续时，系统的机械特性方程式为1____、n=&又U一一IJ尺)=C。中里一产u_C。中&兀兀Sln&优eosa一IdR)(2，21).........门口.......口........口.........口...........口..........门..，、，.匕_、、~拍/份图2.6电流连续时，V-M系统的机械特性Fig.2.6.eharaeteristieofV-Msystem改变控制角a(箭头方向表示a增大)，得一族平行直线，如图2.6所示。机性仁平均电流较小的部分画成虚线，因为这时电流可能断续，式(2.21)可能第2章大功率直流电机调速系统不再适用了。上述结论表明，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是个线&性的可控电压源。[l91128]当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波电为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示:了丁&_1.兀_、.，汀、_&，.V&U，&05切}s，n(万+&+&一切)一S，n(云+&一切)e一&&丫C。(l一。一鲡中(2.22)(2.23)中3次必:r，二、_声、C伽!IJ=&ICOSt一+al一C05吸一+a一切j一一一下二，--l诫l、6&、6&&寸2E2」*一、一&普;&为一个电流脉波的导通角。当阻抗角切已知时，对于不同的控制角a可用数值求解法求出一族电流断续机，，、t二，.，、、_，、，，，，、&，、.、、、、，2特性。这样的求解计算到。=上二为止，3曲线是电流断续区与连续区的分界线。_、，_.，、一_、一，二__，一_2囚为0丹人甩侃便连纹J。对皿士8=一兀3图2.7V-M系统机械特性Fig.2.7.eharacteristicofV-Msystem图2.7绘出了晶闸管一电动机系统完整的机械特性，其中包含了整流状态和逆状态、连续区和断续区。由图2.7可见，当电流连续时，特性比较硬;断续段特则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。一般分析调速系统时，基于PLC控制技术的人功率直流电机调速系统的研究与设计主电路电感足够大，可以近似地只考虑连续段，即用连续段特性及其延长线2.7中用虚线表示)作为系统的特性。.3晶闸管的可靠触发触发电路产生触发脉冲时晶闸管导通的必要条件之一，因此其性能的好坏，影响晶闸管整流装置的正常工作。晶闸管的触发电路很多，对它们的共同要准确和可靠，因此必须满足下述具体要求:卿][s011.在交流电源系统中，触发脉冲应与晶闸管主电路的电源同步，即触发信号流电源具有相同的重复频率，并保持固定的相位关系。2.触发信号应能在一定范围内移相，不同的主电路要求的移相范围也不同。相桥式全控线路，大电感性负载时，若只要求整流时，移相范围为0o一90&;整流又要逆变，则移相范围为0气1800。3.为了能准确、快速、可靠的触发晶闸管，对触发脉冲的波形(幅度、宽度、)都有一定的要求，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管控制极的触发电压流;在三相交流系统系统中，要求三相的触发脉冲堆成。对于三相桥式全控整流电路，习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺SCRI一SCRZ一SCR3一SCR4一SCRS一SCR6，因此晶闸管是这样编号的:SCRI和接A相，SCR3和SCR6接B相，SCRS和SCR:接C相。SCRI、SCR3、SCRS共阴极，SCRZ、SC凡、seR6组成共阳极，每隔600有一管换相。13&][32]为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，或者由于电续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此采取两种方法:一种是使每个触发脉冲的宽度大于600(一般取80气100&)，脉冲触发;另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉相当于用两个窄脉冲等效替代大于60&的宽脉冲，称双脉冲触发。哪】双脉冲触较复杂，但它可减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。用冲触发，虽然脉冲次数少半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁心体积要做些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡(这对多个晶闸并联时很不利)，增加去磁绕组可以改善这一情况，但又使装置复杂化，故通采用双脉冲触发。!25][s0}.4晶闸管的保护第2章大功率直流电机调速系统晶闸管元件有很多优点，但其过载能力差，很短时间的过电压、过电流都会元件损坏。所以使用时，除了合理选择晶闸管元件外，应特别重视其保护环节，取合理的保护措施。保护措施主要包括过电流保护、过电压保护以及对电流上率、电压上升率的限制。目前采用的保护方法及保护元件如下:125]I3，1l35]1.过电流保护在晶闸管整流电路中，产生过电流原因一般有三种情况:由于工艺和设备上故障，使电动机的电流超过正常数值数倍，即过负载，如不采取限制措施，就烧坏晶闸管;还有直流侧的短路，即直流负载(电动机电枢)产生了短路电流;为严重的是由于晶闸管元件击穿或烧坏，造成阳极和阴极的短路，结果引起交电源的短路。对于一般的过负载，常用电流调节器或电流截止环节以便自动限流。如发生流侧短路等故障时，应当封锁触发器的脉冲或把脉冲快速后移。有时候考虑到上述自动保护有失灵的可能，但又不希望快速熔断丝烧断，则在直流回路中装上快速自动开关(大容量用)或过电流继电器(小容量用)，出故障可使主电路跳闸。如果发生元件的直接短路事故或其它短路故障，其最后级保护措施，便是快速熔断器。过电流保护的动作顺序为:电流调节器、封锁脉冲或快速后移脉冲、快速开、快速熔断器。由于晶闸管热容量小，过流时节温上升快，用普通的熔断器满足不了保护的求，为此专门制造了快速熔断器，简称&快熔&。目前我国生产有大容量的RTK，SO，RS。型。由于RS，快熔的保护特性与晶闸管的过载能力匹配得比较好，所以前大多采用它保护晶闸管。快熔的特点是分断电流快，分断时产生的过电压又不大。晶闸管选择快熔的则是:正常运行和正常短时过载时，快熔应该不过热;当发生短路故障时，快应在晶闸管尚未烧断前先熔断。具体选用时应考虑以下几方面:(l)快熔的额定电压应大于线路正常工作电压(有效值)。(2)按实际需要选择熔体额定电流，熔断器额定电流应大于或等于熔体电流。(3)快熔的额定电流是有效值，而晶闸管的额定电流I、是正弦半波的平均值。基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计效值1.571，，因此如果根据正常工作时快熔不过热，以及长期工作发热情况的原则，应按L57I:选择快熔。但对于大容量的系统，短路电流较大，大容熔断弧、散热均较困难，为了保证快熔起到可靠的保护作用，都按IKR=一1.57)I:选择快熔。如果串接了电抗，I。则可增大一些。直流快速自动开关是一种快速动作的大电流开关，开关机构动作时间只有2，全部分断电弧的时间也不过25~30毫秒，适于做晶闸管整流电路的过载保和直流侧短路保护。接在被保护的直流电路内，一般按照电动机额定电流选过电压保护晶闸管整流电路正常工作的最大电压是线路的峰值电压，凡是超过这个峰值的都为过电压。一般过电压是由于拉闸、合闸、以及晶闸管元件关断所引起渡过程电压，这些都是经常发生而不可避免的，叫做操作过电压，保护措施把它们抑制在晶闸管元件正反向重复峰值电压允许范围之内。另一类过电压电网侵入的偶然性浪涌电压如雷击，它可能比操作过电压还要高。操作过电保护措施对这类电压也有抑制作用，所以可以减少过电压事故的几率。因此，按操作过电压选择保护设备和参数。操作过电压按其产生的部位共有三种:交流侧过电压、直流侧过电压及晶闸断过电压。(l)交流侧过电压整流变压器原边合闸或拉闸，引起的过渡过程。可能在副边产生过电压。当器空载，而电源电压过零时突然拉闸的过电压最为严重。为了抑制这种过电压，在变压器的副边并联电容，以吸收磁场释放出来的能转化为电容电场能量储存起来，但它可能和变压器的漏感一起构成振荡回路，时又会产生过电压，因此还要串接电阻，用以消耗能量，抑制震荡，这就构阻容装置。电容和电阻计算方法甚多，有的计算结果还相差甚大，但其出发点是一样的，考虑拉闸时磁场存储的最大能量的一部分被阻容装置吸收，另一部分则消耗关拉断时的电弧中。只是由于这两部分能量的分配和允许过电压倍数不同，第2章人功率直流电机调速系统出现了计算的差异。对于SKVA以上大功率单相、三相整流电路:c一{裔)微法一(耸卜(2.24)(2.25)凡一(2一3X犬尸，。2)2尺瓦(2.26)三相桥式整流电路时，K。=10000，K*=0.3，K，二o?25。电容的耐压值应大于所保护的交流侧电压峰值的1.5倍。阻容吸收装置一般能把操作电压抑制在允许的范围之内。但发生雷击而出现高的浪涌电压时，虽有阻容吸收装置，仍会突破允许值，所以只有阻容保护装置还是不可靠的，常用硒整流片组成硒堆，在过电压击穿后又可恢复其特性，来实现这种过电压保护。在三相整流电路中，阻容保护接成三角形，硒堆保护接成星形。三相整流电路每组硒堆片数为:，，彻n=八&(2.27)U，中U*为硒片每片反向电压有效值，常取1.8一2.4伏;K为动作电压倍数，一般1.5一2。硒片面积一般采用60x60mm&，容量大的可用r00x10omm&。硒堆体积大，伏安特性不陡，而且长期放置会发生&存储老化&，正向电阻增大，向电阻降低，因而失去效用。使用时，必须经过&化成&才一能复原，&化成&的方法先加50%的额定交流电压10分钟，再加额定交流电压2小时。近来发展了一种金属氧化物压敏电阻，它具有很陡的稳压管特性，抑制过电能力强，平均漏电流很小(微安级)，几乎没有耗损，而放电容量很大，可通过达数千安的冲击电流，对浪涌电压反应快，体积又小。其主要缺点是持续的平功率太小(仅数瓦)，正常的工作电压超过了它的额定电压，短时间内就会烧坏。敏电阻的正反向特性是对称的，在交流单相电路中只用一个，在三相电路中要三个，接成星形或者三角形。(2)直流侧的过电压基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计生直流侧过电压的可能性有两种:一种是直流回路安装的快速开关切断了流，变压器漏感储能的释放产生了过电压;另一种是直流回路没有开关(或而没有断开)，由于快速熔断器熔断，直流电抗器释放储能，这时如没有续管，也会产生过电压。快速开关和熔断器选配合适，直流侧的过电压保护是不必要的。否则需要设置阻容吸收装置。其参数可参照交流侧阻容计算方用，但是需要校验电容的耐压和电阻的瓦数，并且最好采用整流接法。(3)晶闸管元件侧的保护晶闸管在关断时其电流变化很大，会在变压器漏感中感应出较高电压，抑制管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法。加上阻容后，闸管关断时，变压器电流可通过RC续流，减小了di/dt，从而抑制过电压。阻容吸收装置的电容C和电阻R的计算公式如下:C=(2.5一5)x10一，I*微法(2.25)一。5一30)僵欧(2.29)凡一川二10一6瓦(2.30)耐压二2.2U。伏流上升率和电压上升率的限制晶闸管导通时，如果电流上升率太大，虽然电流绝对值未超过额定值，也可&，_、_.，___._._、~、I，、、_，_，.、~，、，一di__一，，&，~为局部烧穿而损坏，通常希望正向电流上升率竺&20安/微秒。，-------一dt被触发的晶闸管导通时，电流逐步增长，阻断的晶闸管电流逐步减少，这时了一个电流上升率巫，由于变压器的漏感通常是比较大的，换向过程中产生dt受漏感的限制，一般不会太大。在阻容吸收装置中(包括交直流侧吸收装置晶闸管直接并联的吸收装置)，电容的充、放电电流只受串联电阻的限制，其_.、_.___、_、、_、~，，二&。二。di，。:.二，。。一no.。、体~~、。。、上升率取决于晶闸管导通的快慢，一般半很大，增大阻容吸收装置的电阻值_..一，--一dt限制它，但又会降低吸收装置的吸收效果。采用整流式吸收装置或者在每个第2章大功率直流电机调速系统，~一一，人，_一__.、.~一二L_一，，d艺，，_、。，一壁甲软一个电忌L，叫以显者阴阵1氏一阴致但。、刊_L、、~一di，._一，、、，_一一~_种精况卜一1百异公八，如卜农PIr不。表2.ldi/dt估算公式Tab2.1.evaluationofthedi/dt交交交直流侧均无无仅直流侧有有仅交流侧有有交、直流侧都有有RRRRR、C吸收装置置R、C吸收装置置R、C吸收装置置R、C吸收装置置dddiiiUZLI+2LLLU6LI+SLLL2UUU5UUUdddttt3L2LI+LLLZL6LI+3LLL3LLL6乙乙，为变压器的漏感，u为晶闸管未导通前承受的正向电压。。。。~~、，、二~一。人一一、，，、.一di，_，、:，一一_:、，一一_，&。一~。曲1利官坐况装直甲，际J电况上井单一外，向们电庄上井革，&匕叫脆寻玖品dt管的误导通。在整流电路中或逆变电路中，当晶闸管的正向电压上升率大于20伏/微秒时，可能发生误导通。在有整流变压器的整流电路中，由于有变压器的漏感和阻容收装置，它能起过电压保护，当合上电源开关时，也可以限制电压上升率。但无整流变压器的整流电路中，为了防止合闸时，过大的正向电压上升率，必须电源输入电路中串接电感，为了防止由于电感而引起的过电压，还必须加上阻吸收装置。一般取电感L感抗为(3一5)%的负载电阻，即:L_塑全型巨塑鱼坷(2.31)中凡为整流装置输入端的等效负载电阻，对三相整流系统来说，凡为每相等负载电阻，即相电压与线电流之比，欧。当工频50赫兹的时候，电感为L二(95一160)xlo一6R*亨(2.32).5闭环控制的大功率直流调速系统.4.1转速一电流双闭环调速系统基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计为了同时满足动态性能指标和稳态性能指标，晶闸管一直流电动机电力拖动系常引入电机转速、电枢电流等反馈量，并设计合适的动态校正装置，来满足负载对系统的要求。110][z0]刀刀刀AAASRRRRRACRRRRR111CCCCCCCCCCCrrraaaaa图2.8双闭环直流调速系统的稳态结构图Fig2.8.stablestructurediagramofdouble一looPDCmotorsPeedeontrolsystem图2.8所示为转速一电流双闭环调速系统稳态结构图，在系统中设置了两个调，分别调节主要被调量转速和辅助被调量电流，二者之间实行串级联接，把调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环;转速调节外面，叫做外环。设计时，先设计电流调节器，然后把整个电流环当作转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。为了获得良好的静、动态性能转电流两个调节器一般都采用PI调节器。这便要求转速给定电压U二和转速反馈u。的极性相反;电流给定电压U厂和电流反馈电压U，的极性相反。由晶闸管装置移相特性要求，可决定电流调节器ACR输出电压Uc，的极性。为了保证放大作用并保护系统各环节，对运算放大器设置输出电压限幅是非常必要的。调节器ASR的输出电压U户是电流调节器ACR的电流给定电压，其限幅值对最大电流给定值，这完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需电流调节器ACR输出电压的正限幅值主要是限制最小a角(ami。)。实际上，在正常运行时，电流调节器ACR是不会达到饱和状态的，只有转速器ASR饱和与不饱和两种情况。调节器饱和时，调节器的输出为恒值，输入变化不再影响输出，即隔断了输入和输出的联系，只有在输入端加方向的△U第2章大功率直流电机调速系统可以使调节器退出饱和;调节器不饱和时，输出小于限幅值，比例积分作用可输入偏差电压△U在稳态时总是零，转速和电流可以认为是无静差的，但由于调节器ASR和ACR的积分保持作用，ASR和ACR都有恒定的输出电压。静特性分析向向...一-一一{--一:::一一一ttt:::::lllttttt!!!IIIIIlllllllllll}}}}}lllllllllll!!!!!&&lllllll图2.9双闭环直流调速系统的静特性Fig2.9.stableeharacteristieofdouble一looPDCmotoreontrolsystem双闭环系统的静特性如图2.8所示。在负载电流小于I，时，转速调节器ASR不饱和，依靠ASR的调节作用，保证系统具有转速无静差的特性。这时电流调节器只起辅助作用。随着负载电流的增大，ASR的输出在增大，当负载电流达到Idm时(电动机过载或被卡住堵转时)，ASR的输出进入饱和状态，失去调节作用，转速环呈开环状态。这时，在最大给定电流作用下，依靠电流环对电流进行调节，系统由恒转速调节变为恒电流调节。由于电流调节器ACR也是一个PI调节器，故实现电流的无静差调节，得到理想的下垂特性，使系统得到保护。这便是采用了电流控制内环再套上转速控制外环的串级结构的效果。实际上，由于运算放大器的开环放大系数不是无穷大，再加上零点漂移，静性的两端都略有很小的静差率，如图2.8中虚线所示。2.动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重的动态性能是抗扰性能。抗扰系能主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计叱叱翻(s)))))毗。(s)))))K，，，，，，，，，，，，111lllllllllllllll/RRRRRRRRRR叹叹TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT-sssssssTTTTTTTTTTT.s+11111不s+图2.10双闭环直流调速系统的动态结构图Fig2.IO.dyna而cstructurediagramofdouble一looPDCmotorsPeedcontrolsystem图2.10为双闭环直流调速系统动态结构图。可以看出，负载扰动作用在电流后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。因此，在设计ASR时，求有较好的抗扰性能指标。相对于单闭环直流调速系统，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流得到比较及时的调节，抗电网电压扰动系能大有改善，由于电网电压波动引转速动态变化也会小得多。工程设计方法设计电流调节器和转速调节器[361137}作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，节器的设计过程分作两步:(l)先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。(2)再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。这样做，就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，步先解决主要矛盾&动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中再进一步满它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统(见附录A)la81，它的参数与性标的关系都己事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据一下就可以了。这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。流调节器参数的选择第2章大功率直流电机调速系统UJ。(s)1/R不s+1Id(s)s一+乙n一公U一不.U:(s)刀To&s+1U。(s)ACR刀To&s+1图2.11电流环动态结构图FigZ.11.dynamicstrueturediagramofeurrent一lo0P如图2.n所示为电流环的动态结构图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数几按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号道中加入一个同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节，让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题就是反电动势产生的交叉反馈用，它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数不一般都远小于机电时间常数凡，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多，反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。这样在计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，将电动势反馈作用断开。把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移动到环内，最后，兀和To，一般都比不小得多，可以看成一个惯性坏节，取飞，一兀+To，，电流环结构图最终简化成图2?&2。AAACRRRRR解，/RRR(((((((不s+&)(飞&，+&)))IJ(s)图2.12简化后的电流环动态结构框图Fig2.12.dynamiestructurediagramofcurrent一looPaftersimPlified电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而突加控制作用时不希望有超调、或者超调量越小越好，因此一般多按典型I型基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计设计电流环。电流环的控制对象是双惯性的，采用PI调节器，其传递函数可写成T，?，、。了15+1昨，。。叹S，=人&/t&八、工止(2.33)K&为电流调节器的比例系数;二&为电流调节器的超前时间常数。让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择&，=不(2.34)流环的动态结构图便成为附录A中典型工形式，其中电流环开环增益:K，K，K，刀(2.35)比例系数K、取决于所需的。ci丁iR和动态性能指标。在一般情况下，希望超调量&5%时，查相关资料，可取阻尼比雪=0?707，凡飞、二0.5，因此1K;=毋，、=&2飞、(2.36)再根据上两式得不RK、=&=UZK?刀飞，R不、匕&(一)K?卢&飞、&(2.37)速调节器参数的选择在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个，它的等效传递函数为二21/刀*、二、;田二、、ha习:、、*，:*。二，，。&，全琶一l寸韧J乏以川IJ刁冈习L口，J乙夕J下乙;乡口1玛「到丛目「习&.IJ。飞&s+&RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRAAAAAAAAAAAAASRRRRR1/刀刀刀刀1飞飞飞飞飞飞飞刃刃刃刃刃刃刃刃刃+lllllCe兀sssrrrons+口口口几几s+111图2.13车专速环动态结构图Fig.2.13.dynamiestructurediagramofspeed一loop第2章大功率直流电机调速系统把给定滤波和反馈滤波环节等效地移动到环内，同时将给定信号改为，)&&，再时间常数为几和2飞，两个小&惯&性环节合并起来近似看成一个时间常数为协的&赓胜环节(飞。二Ton+2牡，)，则转速环结构图可简化成图2.1&。U刃(s)a+I&(s)}U，(s)ASR卜一a/刀2飞。&+卜&(，jRCe凡sn(s)图2.14简化后的转速环动态结构框图Fig.2.14.dynamiestrUeturediagramofsPeed一looPaflers而Plified基于稳态无静差和较好的抗扰动性能的要求，转速环校正成典型H型系统，用Pl调节器，传递函数为叽研(s)=KnT。S+1rns(2.38)中凡为转速调节器的比例系数;r。为转速调节器的超前时间常数。样，调速系统的开环传递函数为班(s、=K。aR(r。s+1)K，行。s+1)丁?刀C?凡，2(飞。，+&)，&(飞。&+&)(2.39)中，转速环开环增益K万凡aR丁，那。凡(2.40)按典型n型系统的参数选择方法丁一&飞(2.41)KNh+12h2吸。(2.42)因此，ASR的比例系数K。=(h+l)那e几ZhR飞?(2.43)基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计中频宽h由系统对动态性能的要求来决定，一般选择h二5。.2调压调速基础上的弱磁调速由于在额定状态下，电动机磁场已接近于饱和，增磁的余地很小，所以调磁主要是以减弱磁场来升速。但是由于弱磁调速范围有限(一般不允许超过1:为了充分利用电动机，所在在额定转速以下，一般不采用调磁的办法。在额速以上，由于再升压将超过额定电压，而这是不允许的，所以采用弱磁升速。在变压调速系统的基础上进行弱磁控制，变压与弱磁的给定装置不应该完全，而要互相关联的。在励磁控制系统中也有两个控制环，按照串级联接方式构成反电动势调节环和励磁磁通调节环，!，0l励磁磁通调节环是内环，反电动节环是外环。为实现反电动势和励磁磁通的无静差调节，所以两个调节器皆PI调节器。在图2.15中，U;是反电动势给定值，它是一个固定的数值，整90%一95%的额定电压值，并且不再调节。反电动势整定后，调节速度给定就变电动机转速。只要转速小于95%额定转速，则反电动势反馈信号就小于反势给定值U;，反电动势调节器AER总是处于饱和限幅值U子，相当于反电动开环。此时，AER的输出限幅就是励磁磁通调节器的满磁给定值，依靠磁通器AFR的调节，保证额定励磁电流不变。AAAERRRRRAFRRRVFC图2.15励磁环结构框图Fig.2.15.strueturediagramofexeited一looP当速度给定电压继续升高，使转速升高到95%额定转速以上时，反电动势反压U。就超过了UJ值。这时AER的输入偏差电压变负，使AER的输出U，减退出饱和，同时励磁磁通调节器的输出也减小，开始弱磁调速。只要实际转有达到给定值(即U。&U;)，则通过电枢区的串级控制，使电枢回路电压继高，反电动势反馈量继续升高。经过反电动势调节器、励磁磁通调节器使励第2章大功率直流电机调速系统孺瘫赢获面融覆画;谊至稳态。稳态时u。一试，U亡一叫，反电动调节也是无静差的，可见弱磁升速过程也是维持电动机反电动势E为恒值的调过程。I&9]6直流电动机的可逆运行由于晶闸管的单向导电性，它只能为电动机提供单一方向的电流，电动机只单向运行。有些拖动机械(如锚机、绞缆机)需要正反向运行，在减速和停车还要有制动作用，以缩短制动时间。对于这些拖动设备就需要对自动调速系统行可逆运行的设计。119jlzoj此外，可逆自动调速系统在制动时，除了缩短制动时间外，还能将拖动系统机械能转换成电能回送电网，这对大功率的拖动系统，可以节约大量能量。由电动机的工作原理可知，要改变直流电动机的转向，就必须改变电动机产转矩的方向。由于电动机的转矩Md=c。何d，可见改变电动机转矩的方向有两方法:一是改变电枢电流Id的方向，即需改变电动机电枢供电电压Ud的极性;一种方法是改变电动机励磁磁通中的方向，即改变励磁电流的方向，则需要改励磁电压Uif的极性。130】5.1电枢反接可逆线路如图2.16所示，采用两组晶闸管装置反并联，实现电动机的正方向运行。电机正转时，由正组晶闸管装置VF供电;反转时，由反组晶闸管装置VR供电。组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、速。VF.十亨▲…一一图2.16电枢反接可逆线路Fig.2.16.reversibleofamatureeircuit基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计由于电枢回路电感小，时间常数小，(约几十毫秒)，反向过程进行得快，因用于频繁起动、制动和要求过渡过程尽量短的拖动机械上。但是这种方案需要两套容量较大的用于主回路的晶闸管整流装置，往往投资，特别时大容量可逆系统更为突出。另外，一般情况下不允许让两组晶闸管同时都处于整流状态，否则将造成电路，因此，这种线路对控制电路提出了严格的要求，这也是反并联可逆线路个极重要的问题。l&ll.2励磁反接可逆线路巡|文曰屯图2.17励磁反接可逆线路Fig.2.17.reversibleofexeitedeireuit如图2.17所示，励磁绕组则由另外的两组晶闸管装置反并联供电，正反两组装置交替工作来改变励磁电流的方向，使磁通方向改变，达到改变电动机转目的。由于励磁功率只占电动机额定功率的1一5%，显然反接励磁所需的晶闸管装置要小得多，只在电枢回路用一组大容量的装置就够了。这样对于大容量电动励磁反接的方案投资较少、在经济上是比较便宜的。但是由于励磁绕组的电大，励磁反向的过程要比电枢反向慢得多，大一些的电动机，其励磁时间常达几秒的数量级，那么电流反向就可能需要105以上的时间。因此励磁反接的只适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统。!421第3章现代PLC控制技术第3章现代PLC控制技术.1PLC的组成和分类从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU、刀O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。块式PLC包括CPU模块、刀0模块、内存、电源模块、地板或机架，这些模块以按照一定规则组合配置。四]编编程器/监视器器输输入入入入入入入入入输入入模模块块块微处理器器器模块块存存存存储器器器器电电源供应应图3.1PLC系统设计与连接Fig3.1DesignandconneetionofPLCmodule图1.1给出了PLC系统的4个主要单元，以及它们的连接方式，4个主要的部说明如下:1.中央处理器(CPU)。它是系统的大脑，不断的采集输入信号，执行用户程，刷新系统的输出，包括三个子部分:(l)微处理器。它是进行数学和逻辑操作的计算中心。(2)存储器。CPU中数据和信息存储和获取的地方，保存着系统软件和用户程。
回答者:毛大岷
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