可逆直流电动机（精选5篇）
可逆直流电动机 篇1
0 引言
冶金轧制工程建设, 如高速线材、棒材、中厚板、中厚板轧机前后的辊道、冷轧带钢、热轧带钢、型材热轧、钢轨热轧、无缝热轧钢管等生产线的轧机传动都是使用的直流电动机驱动, 其电动机功率大到几千千瓦, 小到几十千瓦。直流电动机的速度调节、电流调节和控制系统都离不开调试、试验、参数整定和试车。经过多年和多个工程的建设, 直流电动机调速调试试车已基本形成了一套可行地调试方法和步骤, 本文就是对直流传动调速系统的调试技术进行研讨。
直流电动机调速系统发展了三代, 电子技术发展后, 形成了第一代自动控制 (调节) 系统, 这个系统是由一块一块插件板构成系统, 插件板中的电子元器件基本都是分立的, 这些分立元件在生产后就存在参数离散性较大, 系统抗干能力扰较弱, 系统运行稳定性较差。为了解决分立元件存在的缺陷, 80年代中期成了第二代, 即大板结构, 将一些元器件集成在两大块板上, 这样就提高了电子元器件抗干扰能力, 从而提高了控制 (调节) 系统稳定性。但是, 用唯物辩证法去看, 用分立元器件组成的控制 (调节) 系统, 在调试、检查和措施整定, 能学以致用, 从而可提高电气调试工程师讲师水平, 在实际的应用中能够起到保证人身和设备安全。随着微电子科技研发和发展, 到了90年代, 直流传动调速系统发展成第三代, 控制 (调节) 系统中应用了微处理器和应用软件, 这是直流电动机传动控制系统技术革命。但是, 还是要进行试验和参数整定等特殊工作。无论是第一代还是第三代直流调速控制系统的调试都离不开本文所提及的调试试车的步骤和方法[1,2,3]。
1 系统原理框图简介
系统框图如图1所示。
轧机采用直流电动机驱动, 用于轧制生产线上, 其优势是轧制速度调节性能快, 从而达到稳定速度生产, 保证产品质量, 即使轧机接受到钢的热度不一时, 轧机在直流电动机控制系统自动调节下, 迅速进行速度、电流调节, 其轧制运行速度和功率得到快速调节, 保证了生产产量和品种质量。
直流电动机传动系统由三大部分组成。
1.1 主回路
包括交流主电源、双并联晶闸管整流桥、直流供电回路。
1.2 电流速度调节系统
速度、电流调节、脉冲发生和脉冲放大环节、主回路过电流和超速保护环节、励磁电流调节和保护环节。
1.3 保护系统
继电保护装置、过电流机械保护装置 (快速开关) 、介质情况等。
2 调试方法及其操作
调试分为静态和动态。
2.1 静态调试方法及其操作
(1) 熟悉设计 (包括工厂和设备设计图纸) 和设计意图, 了解生产工艺;
(2) 编制调试、试验方案;
(3) 准备调试试验仪器仪表;
(4) 按设计技术要求和施工规程规范检查和校对设备安装情况和系统主回路、一二次线路、各元器件;
(5) 检查直流电动机物理中心线, 其目的是防止电动机旋转换向器还火, 而损坏换向器;
(6) 搭设调试试验台, 检查仪器仪表准确度, 试验线路搭接;
(7) 上述第 (1) 项~第 (6) 项工作完成后, 分系统给受电部位一步步上电 (不要送出) , 检查各受电部位的电压值, 并做好记录。每完成一步的检查工作必须切断电源, 保证人身安全, 此项正确无误工作完成后, 便可按设计技术要求分系统进行正常受送电和调试试验;
(8) 交流电源主回路在各种检查工作完成, 确认正确后方可上电, 并设置好安全警示标识, 保证人身和设备安全;
(9) 操作、调节和继电系统上电, 按调试方案开始一步步进行静态检查、调试、实验;
(10) 控制系统的保护环节要首先调整好, 如过电流保护、截止电流整定, 过电压保护、失磁和欠磁保护等各种保护。
2.2 电流和速度调节系统调试
直流电动机调节系统有三环:电流环、电压环、速度环, 在此只讨论电流环和速度环。控制系统的静态调试是为了打通各个调节环节和电子保护的各种信号通路, 也就是为动态调试作可靠的准备工作。
2.2.1 电流环调试准备:将电动机转子堵转 (不让其转动) , 励磁电流不送入电动机;
2.2.2 电流环调试:将电流反馈回路断开, 电流调节器的比例积分环节换接成线性比例环节, 即输入与输出信号按线性比例控制, 按设计要求和电动机电流参数设置整流电流的截止值和保护值, 并调整整流回路保护装置快速 (机械) 开关;
2.2.3 电流闭环:在第2.2.2项工作完成后, 将电流比例环节换回比例积分调节, 电流反馈信号加入调节器, 在调节器的输入端突加信号, 在调节器反馈端用示波器观察反馈信号的波形;
2.2.4 第2. 2.2项工作完成后拆除转子的固定装置, 使转子成自由状态;
2.2.5 速度环调试:将速度环比例积分 (PI) 器的比例积分环节接成输入与输出的信号按1:1线性控制, 速度反馈信号断开, 在输入端施加给定信号 (由0 V上升至满给定值10 V) , 用示波器观察触发脉冲移项角α和逆变角β, 并将α和β设置完成;
2.2.6 电动机失励磁保护调整;
2.2.7 在完成第2.2.4项调试试验设置完成后, 将全部电源送上, 在速度调节器的输入端缓慢施加速度 (+) 给定信号, 使电动机 (空载) 由低速旋转至额定速度, 同时在低速试运转时检查速度反馈信号大小和极性, 并检查系统有无异常现象, 再在速度调节器的输入端施加速度-给定信号, 使电动机由低速至额定速度反转;
2.2.8 第2. 2.5项调试工作完成后, 将速度反馈信号接入调节器;
2.2.9 速度闭环:将比例积分调节器接成比例积分调节环, 在速度给定输入端施加阶跃按10%、30%、50%、100%给定信号, 用示波器观察电动机速度响应的过渡过程;
2.2.1 0 电动机带轻负载 (机械) 精调试。
2.3 调试实验方法 (案例)
(1) 整流角α和逆变角β设定 (定相) 试验简图见图2。
(2) 脉冲序列检查调试试验简图见图3。
(3) 电流环调试试验简图见图4。
电流调节动态响应特性曲“0”是电流信号给定, “3”是电流反馈信号。
(4) 速度环调试试验简图。
如图5, 速度调节动态响应特性曲线中的0……阶跃给定信号;1……R1值过大, C1值过小;2……R1值过小, C1值过大;3……R1值和C1值最佳。
(5) 电动机速度动态精调试
电流和速度调节系统是采用成熟了的可控硅可逆调速控制系统, 它们都有一套相同的比例积分调节器。如图6所示。
动态精度调试系统:包括调节系统, 控制系统。在空中板面突加满速度给定信号 (10 V) , 并用视波器打印出速度反馈信号与速度给定信号的响应临摹曲线图7, 比较速度响应时间的快慢, 是否满足工艺运行要求。
静态参数已选好, 由于电子元器件的参数分散性较大, 因此, 速度比例积分调节器的比例电阻R1和比例积分电容C1要根据多次试验才能确定这两个元件的合适参数, 这也就是动态调试。
3 调节系统原理分析
由于速度比例记分调节器是一阶惯性环节, 不可能有在突加速度给定信号时, 电动机的转速在0+时刻上升到额定速度或超速的特性, 而是非要在一段时间内电动机转速才能建立起来。
速度比例记分调节器在静态时, 比例记分电容C1积分回路相当于开路状态 (相当于频率特性上ω=0) 。放大器的放大倍数Kp≈R1′/R0, 这时PI的放大倍数很大, 近似开环状态, 使静差减少到几乎等于零。这时对启动有好处, 但调节器的随动特性不佳, 在动态时, 电容器C1相当于短路 (相当于频率特性ω=∞) , 这时侯放大器的放大倍数Kp≈R1′/R0, 放大倍数大大降低, 这时对调节器的随动性有益。
在具体调试时, 关心的是R1和C1这两个元件参数的配合。用示波器观察电动机在突加速度给定信号情况下的速度反馈信号波形, 即电动机的速度特性。速度调节器R1的数值过大, C1的数值过小, 电动机的启动时间就长, 反之则电动机启动过程振荡的厉害, 对机械不利。前面提到过, 计算的理论值只是R1C1是理想值, 由于电子元器件参数分散性较大。因此, 只有通过反复的调试试验才能得到或选出R1C1实际最佳值, 即电动机启动和运行状态才能最佳。
3.1 电动机速度调节基本原理如下:
直流传动整流装置和调节系统是世界上比较先进的可控硅整流装置和调节系统, 见系统框图图1。
这套整流装置的控制、调节、保护系统各有一个Z80CPU微处理机, 它们各负其责, 并相互通迅, Z80CPU程序是可调试和设定的, 试运行后便存入RAM固化。
3.2 试运行速度特性曲线 (临摹)
通过多次精调试和热负荷试运行, 调试的结果满足生产要求。
4 结束语
本文是通过多个工程建设的电气调试经验而总结, 阐述了直流传动系统控制系统, 及其自动化从理论到实践的一个转化, 把书本理论运用到实际工作中。工厂电气系统无处不存在电气理论中所说的电容、电感、电阻三大参数, 这些参数是无法测得的, 系统设计参数只是理论数据, 是未考虑系统电气元器件参数分散性, 也是无法考虑的。因此, 这些设计的参数是不能直接设置到系统中的, 要靠调试试验和试车来设定适合本系统的参数。实践证明运用该文所述的方法和步骤, 既可以节省调试工期, 又能够做到设备和人身安全。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 1999.
[3]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.
可逆直流PWM调速系统设计 篇2
微机技术的快速发展,在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究,从直流调速系统原理出发,逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型,用微机硬件和软件发展的最新成果,探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法,研究工作在对控制对象全面回顾的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容[1]。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富,运算速度快的特点,采取软件和硬件相结合的措施,实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。
1、可逆直流PWM调速系统的原理及系统组成
1.1 PWM脉冲发生器的工作原理
PWM脉冲发生器脉宽调制的原理是以三角波(载波)与调制波进行比较,在三角波与调制波的相交处产生脉冲的前后沿。调制原理如图1所示。
1.2 直流PWM-M调速系统的主电路
由4个电力场效应晶体管VT1～VT4和4个续流二极管VD1～VD4组成H型桥式连接。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。这里采取的是双极式H型PWM变换器,VT1和VT4同时导通和关断,VT2和VT3同时动作。电路工作原理如图2所示。
2、直流PWM-M系统主电路的仿真
2.1 模型
图3中的H型变流器采用多功能桥(Universal Bridge)[2],参数设置为2相桥臂,ABC在交流输出端,开关器件为MOSFET,多功能桥模块参数设ABC在交流输出端时是用来逆变,现在用于直流电机的变流,驱动电路需要另外设计。双极式驱动电路如图4所示。
图4的输入端Inl接脉宽调制信号Uct,输出端Outl输出4路MOSFET驱动信号。脉宽调制由两个PWM发生器进行,上方的PWM发生器用于产生VT1和VT2驱动信号,下方的PWM发生器用于产生VT3和VT4驱动信号。为了使PWM发生器输出驱动信号顺序与多功能桥驱动顺序一致,加入选择器模块(Slector),调制脉冲序列。
为了避免上下桥臂两个管子同时导通或截止,造成桥臂直通现象,需要有“死时”限制,这里采取的办法是是下方的PWM发生器输入控制信号为(Uct+0.001)。
主电路模型中控制信号Uct通过互动开关与PWM分支电路模块连接,双击互动开关就可以选择控制信号Uct和-Uct,控制电机的正反转。
2.2 仿真结果
由图5可以看出:伺服电机的转速上升平稳,这符合PWM调制的特点。在开机启动1.4s后,电机的转速达到额定转速并趋于稳定。
图6表明:电动机的响应迅速,起动电流最大值为29A,大约是额定电流的10倍。1.4s后,电机的电流下降到3A左右,接近额定电流,并趋于稳定。
图7表明:电动机的起动最大输出转矩约为12N*m,1.4s后,电机的输出转矩下降到1.5N*m左右,并趋于稳定。
图8为电机电枢电流和输出转矩的关系曲线,因为电磁转矩Te和电枢电流1a有关,所以它的变化过程和电枢电流一模一样。
图9是变流后的输出信号Uct信号的局部展开,Uct的波动反映了电流调节器的调节作用。
3、结论
本次设计的可逆直流PWM调速系统与由晶闸管相控整流构成的直流调速系统的区别在于主电路和PWM控制电路。至于闭环控制系统,静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力,完善相应的保护电路后,PWM系统还可用于一般直流电机的调速。可逆PWM调速系统结构简单,省去了复杂的换流装置,因此体积小,成本低,加之采用PIM来完成直流电动机PWM调速控制器,不仅简化了系结构,提高了系统性价比、灵活性、可靠性和抗干扰性,还可有效克服以往直流调速中谐波大、功率因数低的问题,是一种节能的调速方案,在应用中取得了令人满意的结果。
参考文献
[1]李仁定.电机的微机控制.北京:机械工业出版社,1999
可逆直流电动机 篇3
关键词：CPLD,远程控制,直流调速,双向可控硅
直流电机由于具有速度控制容易, 启、制动性能良好, 且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用[1]。在这些场合常需要通用、可靠性高、成本低、负载能力强、应用简单的直流调速模块, 而且某些时候可进行远程操作。本文针对常见调速应用, 采用可控硅做为调速元件, 采用EPM570T100C5设计和实现了一个通用直流调速模块, 为实现远距离控制内置了RS 485通信和简单通信协议。采用EPM570T100C5作为控制核心, 电路简洁, 输出控制脉冲精确, 硬件实现相对单片机程序可靠性高、实时性好。
1 系统设计
模块组成框图如图1所示。主回路可控元件选用双向可控硅, 成本低、控制电路简单、调压方便可靠。为实现电机双向运行, 采用两组反并联的整流单元。双向可控硅调压后经桥式整流模块变换成直流电, 输出给电动机进行调压调速。调压采用移相方式, 所以设计了电源过零脉冲形成电路。为增加模块可靠性, 强电与弱电全部用光电耦合器隔离;双向可控硅单元内有简单的RC缓冲电路, 用以抑制du/dt。考虑到某些应用场合需要远程控制, 增加了RS 485通信单元, 用MAX3485E芯片进行电平转换。测速选用直流测速发电机, 相对于光电编码器更经济, 测速发电机输出的直流电压经降压、滤波预处理后进行V/F变换。6位LED显示当前速度。电源电路为整个系统提供+3.3 V电源。
主控芯片EPM570T100C5是Altera的MAX Ⅱ系列低成本的复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 产品, 其密度高且性能优良, 内置用户非易失性FLASH存储器块, 内部时钟频率高达[2]300 MHz, 100脚MBGA封装, 570个逻辑单元 (LE) 。 MAX Ⅱ器件具有创新的查找表 (LUT) 逻辑结构, 突破了传统宏单元器件的成本和功耗限制。设计人员可以利用MAX Ⅱ器件来替代低密度FPGA, ASSP和标准逻辑器件, 支持在系统编程 (ISP) , 很容易在现场重新进行配置。使用EPM570T100C5开发调速装置, 大大降低了系统功耗、体积和成本。另外, Altera提供免费的Quartus Ⅱ基础版软件, 支持所有MAX Ⅱ器件, 它是基于MAX Ⅱ器件引脚锁定式装配和性能优化而设计的[3]。
2 可控硅调压调速原理
移相触发就是通过改变晶闸管每周期导通的起始点即触发延迟角α的大小, 达到改变输出电压、功率的目的[4]。图2给出了双向可控硅调压波形, 电源电压
式中:α和θ满足
双向可控硅输出电压整流后加到主电机电枢回路, 构成降压调速系统, 调压调速机械特性硬度不变, 调速范围大, 能量损耗小。电压与速度关系满足式 (2) 的机械特性。
式中:U为电机电枢电压, 来自双向可控硅输出电压Uo;Ra为电枢回路电阻;T为电磁转矩;φ为每极磁通;Ce为电动势常数;CT为转矩常数。
设磁通保持不变, 电枢电路中也没有串联可调外电阻, 减小电动机电枢供电电压时, 由于转速不立即发生变化, 反电动势也暂不发生变化, 此时电枢电流减小, 转矩也减小, 若阻转矩未变, 则合成转矩小于零, 转速下降, 反电动势减小, 电枢电流和电磁转矩也随之增大, 直到达到转矩平衡时为止, 但此时转速已较原来的降低了。由于调速时磁通不变, 故也为称之恒转矩调速[6]。
3 FPGA核心设计
3.1 主模块
采用自顶向下的设计方法, 主模块原理图如图3所示。包括speed_detection为速度检测、speed_control为速度控制、RS 485为串口通信、gate_control为主控子模块4部分。speedpulse为V/F转换后的速度脉冲信号;start和stop分别为起动和停止按键的输入信号; inc和dec分别为加减速按键的输入信号;zeroin为同步过零脉冲的输入信号;rxd, txd, notre和de连接到RS 485接口芯片MAX3485E;alarm为超速报警信号;led0～led5为速度显示6位数码管的输出信号;maincj为主接触器的控制信号;redled和greenled分别为红绿灯输出信号; pulse Ⅰ和pulse Ⅱ为正反组双向可控硅控制信号。
速度检测子模块在单位时间内对speedpulse计数, 得到速度值speedvalue, 并经过译码送到6位LED显示。速度控制模块根据设定速度和检测速度用PID算法调节输出脉冲, 改变移相角来控制速度;设定速度为reg变量, 可用inc和dec按键调节, 也可以来自RS 485模块;根据速度设定值的正负得出direction信号, 控制脉冲信号加在两组双向可控硅之一, 使电机正反两方向转动。主控子模块负责控制整个系统的起动和停止, 复位各个子模块, 提供1 Hz, 25 600 Hz, 10 Hz脉冲信号。RS 485模块负责通信管理、解析通信协议, 从而接收16位速度设定值。
3.2 速度检测
速度检测模块主要包括频率计和译码电路, 如图4所示。enable为速度检测使能信号, clr为输出清零信号, speed_in为输入速度脉冲信号, led0～led5为6位数码管输出信号。
3.3 速度控制
速度控制的原理是根据设定速度与实际速度的偏差用PID算法产生控制量, 根据控制量的大小把过零检测脉冲移相后加宽作为输出控制信号, 如图5所示。
enable为输入使能控制信号; f25600hz为决定移相单位时间的输入信号;delay_f1hz为按键加减的单位时间输入信号;key_inc和key_dec分别为加速和减速按键的输入信号;zeroin为输入同步过零脉冲信号, 频率为100 Hz;outpulse为输出的移相脉冲信号;direction为转向信号。
3.4 RS 485通信模块
RS 485总线是一种多点差分数据传输的电气规范[7], 其通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信, 具有噪声抑制能力强, 高速数据传输, 且电缆比较长及可靠性高的特点[8]。
RS 485子模块主要实现UART功能, 并通过notre和de信号控制发送和接收。串行通信固定设为9 600波特、8位数据、无奇偶校验、1位停止位。数据格式:地址码、数据、结束字符, 其长度分别为8位、16位、8位。当总线上挂接多个调速模块时, 采用广播方法发送消息, 地址码可根据实际情况约定。由于RS 485总线是异步半双工的通信总线, 一个时刻总线只可能呈现一种状态。因此在空闲状态时, 将RS 485总线始终设置为接收状态[9]。
3.5 仿真
功能仿真又称前仿真, 其目的是检查HDL代码所描述的逻辑功能是否和预期的功能一致[10]。全部模块已在Quartus Ⅱ中仿真通过, 图6给出速度控制模块功能仿真波形。仿真时间为30 s, 假设期间实际速度为常数, 在3.9 s按下加速按键, 使key_inc变为高电平, 10 s后 (13.90 s时刻) 加速按键释放变为低电平, 据图6的仿真波形图中可知, 在13.90 s时刻, 输出脉冲下降沿相对于过零脉冲从180°向前移相约70°, 表明移相调速功能正常。
4 实际系统运行数据
为调试和分析系统运行状况, 测得如表1所示系统运行数据。主电动机型号110ZF53, pN=100 W, UN=220 V, IN=0.50 A, 1 600 rpm。delaydata[15..8]是速度控制模块中元件CONTROL_FPGA的延时, 输出数据高8位。
从表1中数据看出, 控制系统可有效、连续地调整电机速度, 稳态误差较小, 负载转矩的变化使移相角与转速之间呈非线性关系, 但移相角与输出电压一一对应。
5 结 语
该设计具有通用性、经济性、可靠性, 是常规直流速度控制的较好解决方案。由于采用CPLD芯片作为控制核心, 可方便地进行各种改进。若要进一步提高控制性能, 可以增加电流闭环;或稍加改动, 可以控制两台直流电机的单向运行;可以实现组成分布式网络控制系统等。
参考文献
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[9]刘宪伟, 李秀娟.基于CPLD的RS 485通用HUB设计与实现[J].电子技术, 2007 (3) :74-76.
可逆直流电动机 篇4
冷轧机是轧钢行业中的核心设备[1],可逆扎钢机主要用于各种薄钢板(带)的冷压扎制,通过一对压辊,把各种厚度不同的钢板(带)压制到所需的规格。可逆,顾名思义即钢板(带)可以双向通过压辊,经过多次的压制,不用换卷,一次使钢板(带)压制成型。与单向压机相比,大大提高了工作效率,降低了劳动强度,提高了自动化程度。正因为如此,可逆压机对控制系统也提出了比较高的技术要求[1]。
2 控制要求
可逆冷轧机的两边都有卷轴,一边为收卷,另一边为放卷,当扎制方向改变时,转换收放卷的运行方向,收卷改成放卷,放卷改成收卷,因收放卷过程中卷径会发生变化,所以收放卷一般都用力矩控制方式。其次,根据扎制要求,为了使压制后的钢板(带)保持平直,收放卷都需要保持一定的张力,使钢板在进出扎辊时都保持平直。一般根据实际的张力大小,需要实时调整张力,使钢板(带)既保持一定的张力,又不致被拉断。第三,为了调整钢板(带)的厚度,在开始阶段,系统的工作速度通常会很慢,但这时候压制力不会因为速度慢而减少,反而会因为速度慢而增加静态摩擦力,所以,低速时候所需要的力矩会比高速时更大。这给传动和控制提出了很高的要求,特别是传动系统的低速力矩要足够大,保证低速时运行的平稳,张力的稳定。当然,控制系统还应有钢板(带)厚度测量装置以及调整厚度系统,直观的显示并能方便地调整进出压辊的钢板厚度,如图1所示。
可逆冷轧机的传动大多数是传统型直流传动系统,由直流传动系统的特性可知,在额定转速以下,直流系统是恒力矩输出,通过双闭环控制,可以很好的保证低速输出力矩。但是,直流电机的结构,决定了直流电机的维护工作量比较大,检修难度大。所以,在最新的控制系统中,已开始逐步使用直流调速器[2];通过直流调速器及PLC作一些辅助控制和运算[1],实现恒张力的工作要求。下面介绍本单位四棍可逆轧机中应用欧陆590+系列直流调速器的最基本的控制方法。
3 系统概述
从电机学知道直流电动机的转速为[3]:
n———电机转速;———磁通量;CE———电势常数;CM———力矩系数;Mde———电磁力矩;RS———电枢内阻。
均匀地、连续不断的改变施加在电动机两端的供电电压可以改变直流电动机的转速[3]。在这套系统中通过内部或外部电位器给定0~10V的电压信号到PLC中,再由PLC进行数据处理后给定到直流调速装置来调节电机的输出转速,系统具体控制原理图如图2所示,虚线部分为直流调速器系统。为了保证系统有较高的动态性,采用了双闭环的结构通过测速发电机反馈电机实际转速信号-Un和给定的电压信号Un共同给定速度调节器,经速度调节器PI整定后输出Ui和电流的反馈信号—Ui共同给定电流调节器,经Pi整定后在输入给控制晶闸管整流器的触发装置来控制加在电机两端的电压。这种控制方式使转速n跟随给定电压Un变化,对负载起抗干扰的作用,而且对电网电压波动起及时抗干扰的作用,还保证获得允许的最大电流[5];在转速调节过程中,还使电流跟随其给定电压Un变化,并且当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全保护作用[4]。
4 功能实现
(1)电机的选用
主机选用Z4-315-32 355kW直流电机,左右卷取选用Z4-315-32 200kW直流电机,电机如何选用为合适这里就不详细说了,这里主要介绍的是电气控制部分。
(2)直流调速器的选用
在冷轧机的系统中,控制要求要有相当好的精确度,系统的稳定性当然是越稳定越好,所以正确的选择好直流调速器是很关键的,这里选用欧陆590C。
欧陆590C的性能如下[1]。
1)友好的用户界面。控制面板人机界面用于参数设置,编程和传动控制。液晶显示器32个字符,带背景光,可以按字母顺序菜单显示,不需要记忆的多种言语显示菜单以便快速查阅所有功能模块。
2)快速设置。简单应用时可以略过高级功能模块设置。
3)电流自整定。满转矩自定义调整,无需转换电机负载。
4)自定义参数显示。可显示自定义的特定应用的参数组。
5)自定义编程。各功能模块可以按应用要求任意连接。
6)联网方便。通讯接口模块可以直接安插在传动装置上,支持Profibus通讯,使用户能够通过各种标准现场总线网监控传动系统。
7)功能强大、完善。使用内置的软件功能模块几乎可以无限制地满足任何传动要求。所有的功能模块都可以内部连接用来实现某种特定的功能。
(3)其它用选型
电扩器选用SLK系列三相电扩器,主机用8.8V-800A,左右卷取用8.8V-600A。反馈用通用的110V2000r/min的模拟直流测速电机。
(4)分析控制方案
轧机的工作过程:通常由主机牵引带从工件中穿过,通过下压电机或液压系统对棍第产生巨大压力,从而使带钢产生变形,在左右收卷产生的足够延伸应力作用下,使出口的带钢变薄。
轧机的速度稳定性要求较高,由主机来带动左右卷取的运行,主机运行在精确的速度控制方式下,左右卷取则工作在恒转矩下。
主机的速度控制主要做到精确的速度闭环控制就可以,本例中用110V 2000r/min的测速电机基本上能达到要求的控制精度。左右卷取主要要求的是稳定的张力控制,张力的控制本例不使用张力仪,用间接运算。张力的控制实质就是电机的转矩控制,即电流控制。在间接的张力控制中,为保证张力控制的准确性,要充分考虑卷取机的在加减速过程中转动惯量以及机械本身固有的摩擦力对转矩的影响。所以,要有加减速和摩擦转矩补偿环节,590在这方面的性能相当好。要达到精确的张力控制,就要有两个重要的变量:线速度及卷径。在590功能块中有一个完善的卷径运算器及张力动态补偿运算器[2]。
(5)主机控制原理图
如图3所示,主机使用了按钮两地控制加减速,使用测速电机人为反馈源,有电机过热保护功能,有机械润润滑保护功能,有断带系统急停功能,有590故障指示。
B8作为系统急停,B9为机械润滑油保护。
A7为主机速度反馈输出,在本例中,卷取机的线速度给定由主机的速度反馈代替,线速度一般是由安装在导向棍上测速仪获得,一般情况下张力控制要求的精度不高可以直接使用主机速度反馈来代替;C3为590合闸,也为主电源吸合。
C4、C5为加减速度。正转时,C4为正转加速,C5为正转减速;反转时,C5为反转加速,C4为反转减速;C6为正转,C7为反转。
C8为输入复位,在每一次的正反转转换中,以安全起见都要对输入复位为零,在系统进行急停操作时,也要对输入复位为零。
(6)速度设定值(或说成主速度设定值)指的是在电机在闭环控制电路中,对电机的转速作一个指定输入值,使电机转速运转在某一指定值。辅助速度设定值指的是对速度设定值进行修整的值,它与速度设定叠加起来(负号或正或负)成为总的速度设定值。在590的五个模拟输入中,模拟输入2(A3)是不可组态的,其它四个模拟输入是可以组态成各种不同的功能,说明书所介绍的是系统默认的功能,比如可以把模拟输入1(A2)组态成斜坡速度设定值,或将模拟输入3(A4)组态成速度设定值,又或将模拟输入1(A2)组态成张力设定值等功能。
模拟输入2(A3)的功用是辅助速度设定值或电流,指的是同一输入端的输入值通过系统的不同设置可作为速度设定值输入,又可作为电流设定值输入,系统默认是通过C8数字输入端来转换其功能,也可以通过内部组态来改变为其它的数字输入口,比如C6、C7等。
5 系统调试
完整的机电系统调试方案,包括组织机构图及岗位职责,调试纪律,交接班制度,通风空调系统,空调水系统,给排水系统,热水系统,电气照明及动力系统调试过程。这里只叙述直流调速器基本的、常规的调试过程。
(1)励磁调试:合上控制电源,先把系统励磁的控制方式定在电压控制上(默认是电压控制),把电压比率从较小开始,一般可以从20%开始;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590,这时励磁电压会以380V×20%=76V的电压加到电机励磁线圈上,此时,把电压比率慢慢的加大,一直加到电机的励磁额定电压的90%,例如,额定励磁电压为180V就加到40%左右,从万能表上可以看到电压很平稳的慢慢加大380V×40%=152V,电压显示很平稳不会中跳动,表明一切正常。正常之后,分闸停止590,把是电压比率调为额定励磁电压对应的比率,把励磁控制方式改为电流控制,把电流调为励磁的额定电流。再次合闸启动590,能看到励磁电流慢慢的加到额定电流,从诊断中,励磁电流给定与励磁电流反馈相差不到0.1%,励磁触发角在1~2角度内变动,表明励磁电流控制正常。完成励磁调试,分闸停止590。保存参数。
(2)电枢调试:上590控制电源,先把励磁调置为禁止,把590的输出电流调为电机电枢额定电流的30%,把电流极限参数设置为20%,电流限幅设置为0%,速度环的反馈方式选为电压反馈;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590。此时,先从诊断中看速度反馈是否有数值,正常数值应为0%,如有一不停变化的值在里面,表明反馈有零飘,这种原因多数是地线没有接好,检查地接是否接好,对地电阻是否达到要求(不大于8Ω);然后,再加10%的速度给定,但电机不会转动,因为没有给出励磁,电流限幅为0,从诊断中应看到有100%的电流给定,电流反馈为0,这时表明590启动正常;此时,再回到电流环里的电流限幅里,从0%慢慢的加上来,一直加到20%,对应电流极限中的20%,这时从电流表中能看到电流慢慢的加大,从电抗器传出电流流过的声音,在诊断中对比电流给定与电流反馈,相差不能超过5%(在没有做电流自整定之前这个值会大点)。一切正常之后,分闸停止590,把电流极限改为100%~150%之间,电流限幅设置为100%,励磁设置为启动,把590的输出电流设置为电机电枢额定电流。保存参数。
(3)电流环自动调谐:电流环自整定很简单,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零,590输出电流设置为电机电枢的额定电流后,上590的控制电源,在电流环中把自动调谐设置为ON,合闸启动590,开始进行自动调谐,一般会在10~30秒内完成自动调谐,没有出现报警,自动调谐参数自动恢复为OFF,表明自动调谐成功。然后保存参数就可了。
(4)方向的确认:完成上面3步之后,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,把速度反馈选为电压反馈,合闸启动590,加速度给定+10%,检查方向是否与工作方向一致,如果是反方向把励磁线反过来接,确认与工作方向一致之后,在诊断中,检查模拟测速电机数值(测速编码器数值)是否与速度反馈是同极性,如果不是同极性,用的是模拟测速电机反馈把两条接线反过来就可以了,用的是测速编码器在参数中把编码器符号改过来,改完之后,把速度反馈选为所需要的方式就可以了。然后保存参数。
6 故障解决
该调速器具有丰富的报警点可以随时监控电机的运行情况,可以减小电机及调速器受到大的伤害,调速器曾经出现过的和可能出现的原因如下:
(1)三相故障:检查调速器内高速晶闸管组件保护熔断器;检查调速器下面电源底盘编码熔断器;检查调速器的主电压。
(2)超速:速度反馈信号超过校准值的125%。
(3)励磁过流:电机的励磁电流超过校准值的120%。
(4)散热器过流跳闸:调速器的散热温度太高。检查风机是否正常,如不正常检查电源板上的熔断器和旋转方向;检查通风槽、过热器是否堵塞;检查电枢电流是否合乎调节器的校准值。
(5)速度反馈和电机电枢电压反馈之间的差值大于“速度反馈报警”电平的参数值。检查模拟测速发电机极性是否正常;测速发电机是否正常工作;测速发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
(6)编码器故障:无速度反馈。检查参数是否设置到编码器反馈;检查参数发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
7 结束语
直流调节控制器有许多优点,在许多行业都有直流调速控制系统的应用。而欧陆590+系列直流调速器,它过载能力强,保护性能完善,运行速度稳定,精度高,特别是用在扎制行业是非常理想的选择。
参考文献
[1]欧陆590调速器[M].电子科学出版社,1998.
[2]欧陆公司.590+全数字直流调速器中文操作手册[Z].2002.
[3]沈银宾.电机拖动基础[M].北京:冶金工业出版社,1993.
[4]陈伯时.电力拖动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1991.
可逆直流电动机 篇5
在电力拖动系统中,调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法,利用电力MOSFET等一些全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器[1]已逐步发展成熟,用途越来越广。本文主要研究了直流电机双极式控制直流PWM-M可逆调速系统的原理和控制方法,以及其在Matlab/Simulink中建模与仿真。
1 H型主电路在Matlab/Simulink的建模与仿真
1.1 H型主电路原理介绍
直流PWM-M调速系统[2]的主电路组成如图1所示,主电路由4个电力场效应晶体管VT1~VT4和四个续流二极管VD1~VD4成H型连接组成。当VT1和VT4导通时,有正向电流通过电动机M,电动机正转;当VT2和VT3导通时,有反向电流通过电动机M,电动机反转。VT1~VT4驱动信号的调制原理如图2所示,在三角波与控制信号Uct相交时,分别产生驱动信号Ub1、Ub4和Ub2、Ub3。
图1直流PWM-M调速系统主电路
图2直流PWM调制波形图
1.2 H型主电路的仿真模型
图1直流PWM-M系统主电路在Matlab/Simulink中的仿真模型如图3所示。图3中H型变流器调用多功能桥,其参数设为2相桥臂,abc在交流输出端,开关器件为电力MOSFET。当多功能桥模块参数设abc在交流输出端时,原本是用于逆变,现在用于直流PWM变流时,其驱动信号发生电路需另外设计。设计的驱动信号发生电路如图4所示,图中输入端In1接脉宽调制(PWM)信号,输出端Out1输出4路MOSFET的驱动信号。脉宽调制由两个PWM发生器模块进行,其中上方的PWM发生器产生VT1和VT2的驱动信号,下方的PWM发生器产生VT3和VT4的驱动信号,为了使PWM发生器输出的驱动信号顺序与多功能桥的驱动顺序一致,模型中加入一个选择器模块,调整了脉冲序列。因为MOSFET有导通和关断时间,为了避免上下桥臂的两个管子同时导通和关断,造成桥臂的直通现象,需要有“死时”限制,这里采取的办法是将下方的PWM发生器输入的控制信号为设为Uct+0.001,即将Uct略为抬高,使下方的PWM发生器信号变窄一些,这样上下两个管子就不会同时导通和关断。该PWM驱动信号发生电路经过打包后即成图3中的PWM分支电路模块。
在主电路模块中控制信号通过互动开关与PWM分支电路模块连接,因此双击互动开关模块就可以选择控制信号Uct和-Uct,控制电动机正转与反转[3,4]。
1.3 仿真模型使用模块参数设置
图3中伺服电动机参数设置为:UN=110V,IN=2.9A,nN=2400r/min,电枢电阻Ra的值为3.4Ω,电枢电感La的值为60.4m H,转动惯量0.014kg·m2,励磁电压110V,励磁电流0.5A。仿真该系统在额定负载时的工作情况。另外可根据伺服电动机参数计算得电动机励磁电阻Rf=220Ω,Laf=0.797H,Lf=0,将电动机参数输入电动机模型对话框,并通过计算公式(1)和(2)可以得到转矩常数Ce和额定负载转矩TL:
另外,在直流PWM模型中控制信号ua的取值方位为0~1,ua也就是双极性PWM的调制度,当取ua=0.8时,PWM变流器的直流电源电压。
1.4 仿真结果及其分析
在Matlab/Simulink中搭建好模型后并进行仿真可得到如图5所示的直流电机PWM-M调速系统的仿真波形。从波形中可以看出变流器输出电压呈良好的矩形波,如果不设一定的“死时”,由于上下桥臂管子的换流重叠现象,使输出电压呈梯形。图5中的Ud1为输出电压的平均值,输出电压略高于110V。图5中n为伺服电动机的转速响应,转速上升平稳,这是PWM调制的特点,图5中ia为电动机起动过程中的电流曲线,起动电流最大值为30A,约为稳定电流的10倍。
2 双极性控制直流PWM-M可逆调速系统在Matlab Simulink的建模与仿真
2.1 双极性控制直流PWM-M可逆调速系统的工作原理
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器:转速调节器ASR和电流调节器ACR,二者之间实行串级联接,如图6所示。即把转速调节器ASR的输出当作电流调节器ACR的输入,再用电流调节器ACR的输出去控制PWM调制器。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速调节器在外面,叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能,双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。
图6直流PWM-M可逆调速系统仿真模型
2.2 仿真模型使用模块参数设置
双极式控制直流PWM-M可逆调速系统的仿真模型如图6所示,模型在直流PWM-M系统主电路模型基础上增加了转速调节器ASR和电流调节器ACR[5],分别如图7和图8所示。ASR和ACR都采用带输出限幅的PI调节器。调节器参数取值见表1,模型的其他设置与H型主电路仿真相同,仿真算法采用ode23tb。
2.3 仿真结果及其分析
双极式控制直流PWM可逆系统的仿真结果如图9及图10所示。图9为系统从正转起动至反转运行过程中转速对给定Un*的仿真波形。在仿真中取电流的过载倍数=3,因此电动机的正转起动和制动时,反转起动过程中始终保持者最大电流12A左右。在正反转速达到额定值2400r/min后,电流下降到4A左右。图10为电流调节器ACR的输出信号Uct的仿真波形,Uct的波动反映了电流调节器的调节作用,Uct的变化使变流器的脉宽随之调整,输出电压值也随着变化,使电流保持不变。
3 结束语
本文在分析H型主电路原理的基础上,研究了增加经典的速度、电流双闭环PI控制方法,并在Matlab/Simulink进行了建模与仿真。仿真结果表明:波形符合理论分析,系统运行平稳,具有较好的静态和动态特性。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].5版,北京:机械工业出版社,2000.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统MATLAB的仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]李红伟,谌海云,王洪诚.基于Vissim的H桥可逆直流调速系统的建模和仿真[J].电气应用,2008,27(18):46-49.
[4]翟百臣,赵岩,李洪文,等.PWM功率放大器在直流伺服系统中的应用[J].电光与控制,2008,27(18):60-63.