直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)
直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，并能在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以它一直是電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要角色，在軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、起重機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、紡織機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
幾種直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹：
通過學(xué)習(xí)，我們了解到改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法。早期是由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)(G)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)(M)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在四象限運(yùn)行。由于該系統(tǒng)至少需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、噪聲大、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，20世紀(jì)60年代開始采用更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。晶閘管變流器的功率放大倍數(shù)及控制作用的快速性也遠(yuǎn)優(yōu)于變流機(jī)組。由晶閘管變流器V向電動(dòng)機(jī)M供電的系統(tǒng)簡稱V—M系統(tǒng)。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控制關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件——全控式器件。如電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(POWER MOS—FET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)等。采用全控型開關(guān)器件很容易實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小30％以上．裝置效率高，功率因數(shù)高。同時(shí)由于開關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制傳動(dòng)系統(tǒng)與v—M傳動(dòng)系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電動(dòng)機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)速精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。基于上述的各種優(yōu)點(diǎn)，自關(guān)斷電力電子器件作為主開關(guān)器件的直流脈寬調(diào)制傳動(dòng)控制系統(tǒng)將逐步取代v—M系統(tǒng)。所以本節(jié)將以較少的篇幅介紹G-M系統(tǒng)和V—M系統(tǒng)，對(duì)直流脈寬調(diào)制傳動(dòng)控制系統(tǒng)則將在其他節(jié)中給予較詳細(xì)的介紹。
1、發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(G M系統(tǒng))
發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖5 2所示，發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由單獨(dú)的直流發(fā)電機(jī)供電給
直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的。直流發(fā)電機(jī)一般由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，在大容量時(shí)，使用同步電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁一般由單獨(dú)的勵(lì)磁電源供電。
在發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)使用了單獨(dú)的發(fā)電機(jī)供電，所以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁
回路中的附加電阻Rf，即可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)E1，從而改變了電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)了調(diào)
速的目的。
發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組的機(jī)械特性方程式具有以下形式：
式中E1——直流發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)(v)；
φn——直流電動(dòng)機(jī)的磁通(Wb)：
RF1——直流發(fā)電機(jī)的電樞電阻(Ω)；
RD1——直流電動(dòng)機(jī)的電樞電阻(Ω)：
KT—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)系數(shù)；
KE——電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)結(jié)構(gòu)系數(shù)。
由式(5—6)可看出，在電動(dòng)機(jī)磁通不變時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)，即改變了電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速即隨之改變，但機(jī)械特性斜率不變，在不同E1時(shí)特性是互相平行的，只是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比電網(wǎng)供電時(shí)的機(jī)械特性斜率大，這是由于主回路的總電阻增大(Rf1和RD1)的緣故。
這種調(diào)速方法由于投入設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、噪聲大、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，除非特殊場(chǎng)合和需要，現(xiàn)在一般很少使用。
2、晶閘管一電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)(V—M直流調(diào)速系統(tǒng))
如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率要求不高的話，那么采用開環(huán)系統(tǒng)就可滿足要求了。然而在工業(yè)部門中，許多調(diào)速系統(tǒng)都要求有較高的靜差率，如龍門刨床工作臺(tái)的拖動(dòng)要求有較高的靜差率s≤O 05，『]=20，開環(huán)系統(tǒng)是不能滿足此要求的，因此必須采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)反饋量的不同，可有轉(zhuǎn)速、電流等負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。圖5—3給出的是晶閘管直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)框圖。
該系統(tǒng)用與電動(dòng)機(jī)同軸相連的測(cè)速發(fā)電機(jī)TG作為速度反饋元件，其輸出En=KFn，正比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。從電位器RP2得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓uF。它與從轉(zhuǎn)速給定電位器RP、上取得的電壓u。比較后，得到偏差電壓△u=uG一uF，經(jīng)放大器放大后，便成為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓uC。晶閘管的觸發(fā)電路在uC的控制下改變晶閘管可控整流器的觸發(fā)延遲角
a，從而輸出一定的直流電壓u，使電動(dòng)機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓減小，從而使偏差電壓增大，uC增大，觸發(fā)延遲角a減小，使輸出到電動(dòng)機(jī)電樞的直流電壓變大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回升，于是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在原來的轉(zhuǎn)速上。當(dāng)機(jī)械負(fù)載減小列，系統(tǒng)也可以自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，使速度基本保持不變，故調(diào)速系統(tǒng)的靜差率非常小。由于該系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，故稱為單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。
在轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上，再增加對(duì)電樞電流負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，就構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流環(huán)主要發(fā)揮兩個(gè)方面的作用：
1)限制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和過載時(shí)的沖擊電流，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)和過載能力較低的晶閘管可控整流電路。
2)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)過程中保持****允許電流在一段時(shí)間內(nèi)不變，以使拖動(dòng)系統(tǒng)用****的加速度起動(dòng)，起動(dòng)電流成矩形，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速線性增長，從而實(shí)現(xiàn)****受限電流下的快速起、制動(dòng)。
晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制調(diào)速系統(tǒng)由于其電路簡單、控制靈活、體積小、效率高以及沒有旋轉(zhuǎn)噪聲和磨損等優(yōu)點(diǎn)，在一般工業(yè)應(yīng)用中，特別是大功率系統(tǒng)中一直占據(jù)著主要的地位。但是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在較低速時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)也很小，并產(chǎn)生較大的諧波電流，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，限制了調(diào)速范圍。必須加大平波電抗器的電感量來克服上述問題，但電感大又限制了系統(tǒng)的快速性。功率因數(shù)低、諧波電流大，還將引起電網(wǎng)電壓波形畸變。變流器設(shè)備容量大還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。
2、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)
隨著大功率電力電子器件的快速發(fā)展，直流脈沖寬度調(diào)制(PwM)型的調(diào)速系統(tǒng)的研制和應(yīng)用越來越廣。與V--M系統(tǒng)相L-L，直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：
1)由于可采用較高的開關(guān)頻率，電樞電流僅依靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電動(dòng)機(jī)損耗發(fā)熱都較小。
2)由于開關(guān)頻率高，系統(tǒng)的頻帶寬，快速性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。
3)低速時(shí)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)都很小，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。
4）主回路的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以損耗小，裝置的效率高。并且所需的功率器件少，電路簡單，控制方便。
1。脈寬調(diào)制調(diào)遮的基本原理
(1)不可逆脈寬調(diào)制調(diào)速電路不可逆脈寬調(diào)制調(diào)速電路如圖5—4所示。圖中v為功率晶體管，c為濾波電容，VD為續(xù)流二極管。直流電壓u可由三相交流電通過整流得到功率晶體管的基極用一個(gè)脈寬可調(diào)的電壓Ub驅(qū)動(dòng)。
在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0機(jī)兩端電壓ud等于U，如圖5—5所示。當(dāng)ton≤t二極管VD續(xù)流，電動(dòng)機(jī)兩端電壓ud等于零。這樣，電動(dòng)機(jī)上獲得的平均電壓為
式中的P為占空比，改變晶體管基極控制電壓Ub的脈沖寬度即可改變p。這樣就可以在電動(dòng)機(jī)電樞兩端獲得不同大小的平均電壓(即直流電壓)Ud，從而達(dá)到單方向調(diào)速的目的。這種通過調(diào)節(jié)晶體管基極控制電壓Ub的脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓大小的調(diào)速方法稱脈寬調(diào)速PWM(Pulse Width Moduia}10n)。
(2)可逆脈寬調(diào)制調(diào)速電路 目前應(yīng)用較廣的一種可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本電路如圖5—6所示。該電路通常稱為雙極式H形PwM變換器電路。三相交流電經(jīng)整流濾波變成電壓恒定的直流電壓，V1～V4為四只大功率晶體管，工作在開關(guān)狀態(tài)，其中處于對(duì)角線上的一對(duì)晶體管的基極因接受同一控制信號(hào)而同時(shí)導(dǎo)通或截止。
當(dāng)0端電壓為正，電樞電流id1沿回路I流動(dòng)；當(dāng)ton≤t體管V2和V3同時(shí)導(dǎo)通，在為負(fù)值的ub1=ub4驅(qū)動(dòng)下，V1和V4截止，這時(shí)直流電源電壓u加在電樞BA端，電樞兩端電壓為負(fù)．電樞電流id1沿回路2流動(dòng)，其各電壓和電流波形如圖5—7所示(id1對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，id2對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕的情況)。
雙極式可逆PwM變換器的“可逆”作用，由加在電樞兩端正負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬，即ton>T／2時(shí)，則電樞兩端的平均電壓uAB為正值，電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行；當(dāng)正脈沖較窄，即ton>T／2時(shí)，則電樞兩端的平均電壓uAB為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行；如果正負(fù)脈沖寬度相等，ton>T／2時(shí)，則電樞平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5—7給出的是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。
2．典型的雙閉環(huán)脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)
一個(gè)典型的晶體管雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)如圖5 8所示。它由速度調(diào)節(jié)器AsR、電流調(diào)節(jié)器AcR、三角波發(fā)生器、電壓一脈沖轉(zhuǎn)換電路uPw、脈沖分配和驅(qū)動(dòng)輸出電路、主電路、直流電動(dòng)機(jī)M、速度反饋、電流反饋、整流電源以及過電流保護(hù)、泵升限制等電路組成。下面分別對(duì)幾個(gè)主要組成部分進(jìn)行分析。
(1)主電路主電路采用雙極式H形PWM變換器電路，前面已經(jīng)進(jìn)行過較詳細(xì)的討論，這里不再復(fù)述。
(2)速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR速度給定電壓U。有兩種極性，為正時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。速度反饋電壓Unf的極性由測(cè)速發(fā)電機(jī)(或碼盤)對(duì)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向鑒別得到。電流負(fù)反饋的大小和極性由反映電動(dòng)機(jī)電樞電流大小和極性的電流互感器TA得到(如霍耳電流變換器)。
為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)連接。即把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電壓一脈沖轉(zhuǎn)換電路UPW的輸入電壓，控制輸出脈沖的寬度。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上來看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；速度調(diào)節(jié)環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。
為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)，其電路如圖5—9所示。在圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性。圖中還表示出兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是帶有限幅環(huán)節(jié)．
(3)三角波形發(fā)生器三角波形發(fā)生器電路如圖5一lO所示。
三角波發(fā)生器是由運(yùn)算放大A1和Az組成，A1處正反饋工作狀態(tài)，它的輸出電壓不是正飽和值就是負(fù)飽和值。電阻R3和穩(wěn)壓管Vs組成一個(gè)限幅電路，限制A1輸出電壓的幅值。A2為一個(gè)積分器，當(dāng)輸入電壓u1為正時(shí)．其輸出電壓u2向負(fù)方向變化；當(dāng)輸入電壓u1為負(fù)時(shí)，其輸出電壓u2向正方向變化。當(dāng)輸入電壓u1正負(fù)交替變化時(shí)，它的輸出電壓u2就變成了一個(gè)三角波，u1和u2的波形見圖5一11
改變積分時(shí)間常數(shù)R4c的數(shù)值可以改變?nèi)遣妷簎2的頻率，，改變電阻R5、R6的比值可以改變?nèi)遣妷簎2的幅值，調(diào)節(jié)電位器RP滑動(dòng)點(diǎn)的位置可以獲得一個(gè)對(duì)稱的三角波電壓。
(4)電壓一脈沖變換器(uPw) 電壓脈沖變換器電路如圖5—12所示。組成電壓脈沖變換器(uPw)的運(yùn)算放大器A工作在開環(huán)狀態(tài)，接成一比較器電路，所以輸出電壓只能在正飽和值和負(fù)飽和值之間變化。輸出的是脈沖信號(hào)。
電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)uC加到比較器的反向端，三角波加到同相端，改變uC的大小和極性，就可以調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓的寬度。三角波的線性度很好，可以保證脈沖電壓寬度同控制電壓uC的大小成正比。脈沖電壓寬度同控制電壓uC關(guān)系的見圖5—13。
(5)脈沖分配器 脈沖分配器的作用是把uPw電路產(chǎn)生的一串正的矩形脈沖電壓經(jīng)光電隔
離電路和功率放大電路分配到主電路中各被控晶體管的基極。其電路如圖5—14所示。
從電路可知，當(dāng)upw信號(hào)為高電平時(shí)，u1輸出低電平，u2輸出高電平，從而使發(fā)光二極管vL0
發(fā)光，光敏晶體管V0導(dǎo)通，通過功放電路送出基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub1、ub4直接驅(qū)動(dòng)圖5—6所示的雙極式H形PwM變換器電路中的晶體管v1和v4同時(shí)導(dǎo)通。與此同時(shí)，H形PwM變換器電路的晶體管v2
和V3因u2輸出高電平而截止。
當(dāng)upw信號(hào)為低電平時(shí)，u2輸出低電平，u1輸出高電平，從而使發(fā)光二極管VL1發(fā)光，光敏晶
體管V1導(dǎo)通．通過功放電路送出基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub2、ub3晶體管V2和V3同時(shí)導(dǎo)通：與此同時(shí)，
PwM變換器電路的晶體管V1和v4因u1輸出高電平而截止。讀者不難看出，處于對(duì)角線上的一對(duì)晶
體管導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)角線上的一對(duì)晶體管必然截止。隨著upw控制信號(hào)的周期性變化，主電路中的
晶體管交替導(dǎo)通、截止，達(dá)到脈寬調(diào)速的目的.
(6)泵升限制電路 當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí)，存儲(chǔ)在電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過PWM變換電路回饋給直流電源：一般直流電源由不可控的整流器供電，不可回饋的電能只好對(duì)濾波電容充電而使電源電壓升高，這種現(xiàn)象稱為“泵升電壓”。
“泵升電壓”過高時(shí)，將會(huì)對(duì)PWM主電路造成損害.因此通常在濾波電容兩端并聯(lián)一個(gè)泵升電壓限制電路，當(dāng)電容電壓(也就是直流電源電壓)超過預(yù)定電壓umax時(shí)，限制電路接通，把回饋能
量的一部分消耗在能耗電阻上，從而起到保護(hù)電路的作用。
應(yīng)當(dāng)指出，早期的PwM調(diào)速控制系統(tǒng)中的控制電路部分多采用分立元件和單元集成電路組成，近年來已經(jīng)有多種專用集成PwM控制芯片面世，并得到廣泛的使用。如摩托羅拉公司的Mc3420、Mc34060、西肯尼公司的sG3525、sGl527、SGl731、德州儀器公司的T1494等。集成PwM
控制芯片集我們前面講述過的各控制電路的功能于一身，而且對(duì)PWM調(diào)速控制主電路有多種保護(hù)功能。它的實(shí)用使PWM調(diào)速控制系統(tǒng)接線變得簡單，實(shí)用可靠，方便靈活，便于調(diào)試。在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)十分普遍，也推動(dòng)了PWM技術(shù)的發(fā)展。
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