三相全控橋整流電路供電的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃謀甫

(恩施州天樓地枕水力發(fā)電公司,湖北 恩施 445000)

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高等優(yōu)點(diǎn)，因而直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的到廣泛應(yīng)用.傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的觸發(fā)器及調(diào)節(jié)器都由模擬電路實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是：觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；觸發(fā)脈沖不對稱度較大；調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算誤差，模擬器件老化也會(huì)引起運(yùn)算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差.因而現(xiàn)代化的工業(yè)都陸續(xù)的采用了數(shù)字化的直流調(diào)速系統(tǒng).單片機(jī)具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用.利用單片機(jī)邏輯功能強(qiáng)和軟件靈活的優(yōu)點(diǎn)，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且可以同時(shí)對系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷、檢測和及時(shí)處理，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)維護(hù)和提高了控制系統(tǒng)的可靠性.它的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展[1-5].用單片機(jī)控制的晶閘管-PWM調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的控制系統(tǒng).由于晶閘管是一種高頻全控型器件，可方便的控制其通斷，因此由它組成的調(diào)速系統(tǒng)除結(jié)構(gòu)簡單外，更具有開關(guān)頻率高、主回路脈動(dòng)成分小、低速運(yùn)行性能好及調(diào)速系統(tǒng)中將有較大的發(fā)展和應(yīng)用[2].

圖1 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)繞組接線圖

圖2 系統(tǒng)的整體框圖

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng).系統(tǒng)用單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)，使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化.

1.1 調(diào)速方案選擇

并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖1所示.作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電，并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源.

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)如下式：

(1)

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性Τe=f(Ia)可用下式來說明：Te=CTΦIa.

由以上兩式可得并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，如式(2)：

(2)

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就是在同一負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速，以滿足不同的要求.

由式(2)可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種.

1)改變磁通Φ(調(diào)磁調(diào)速)

當(dāng)保持電源電壓U為額定值不變時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的電阻Rt，改變勵(lì)磁電流If而改變磁通Φ.

由式(2)可見，當(dāng)磁通Φ減小時(shí)，n0升高了，轉(zhuǎn)速降Δn也增大了；但與Φ2成正比，所以磁通愈小，機(jī)械特性曲線也愈陡，但仍有一定的硬度.由于電動(dòng)機(jī)一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負(fù)載下，通常是減小磁通調(diào)速(Φ<ΦN)，轉(zhuǎn)速上調(diào)(n>nN).調(diào)磁調(diào)速是恒功率調(diào)速，即轉(zhuǎn)速升高后，輸出轉(zhuǎn)矩必須減小，否則電樞電流Ia會(huì)超過原來的額定電流，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱燒壞.

2)改變電壓U(調(diào)壓調(diào)速)

當(dāng)保持并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If為額定值時(shí)，降低電樞電壓U，使轉(zhuǎn)速n降低.一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，在進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速時(shí)，為保證電動(dòng)機(jī)的絕緣，一般是將電動(dòng)機(jī)的電壓下調(diào)U

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示.

1.3 主電路設(shè)計(jì)

1) 整流變壓器的設(shè)計(jì)

工業(yè)供電電壓為380 V，所以通過三相降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)要求.為避免三次諧波電動(dòng)勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié).本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓.

2)晶閘管的選擇

整流電路采用晶閘管全控橋電路.由于它具有單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對過去電壓過電流敏感，在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小等缺點(diǎn).

選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值，且還需注意以下幾點(diǎn)：①當(dāng)環(huán)境溫度超過+40℃時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值；②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值；③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些.

3) 電流保護(hù)

快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施.快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián).

4)電壓和電流上升率的限制

電壓上升率：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通.因此作用于晶閘管的正相電壓上升率有一定的限制.

造成電壓上升率過大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于相電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大.限制電壓上升率過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使其降低.

電流上升率：導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞.因此對晶閘管的電流上升率必須有所限制.

產(chǎn)生過大的原因一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的RC保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等.

圖3 軟件定時(shí)中斷子程序框圖

3 直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 光電編碼器測速的軟件設(shè)計(jì)

本文采用M/T法對脈沖進(jìn)行測速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

(3)

式中fc表示高頻計(jì)數(shù)脈沖信號的頻率，本系統(tǒng)中為80C196KC內(nèi)定時(shí)器T1的時(shí)鐘信號，由于采用16 MHz晶振，fc=1 MHz；P表示光電脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，P=600；16表示倍頻次數(shù).

(4)

轉(zhuǎn)速脈沖信號被送到80C196KC的HSIO引起上升沿中斷，此時(shí)開始定時(shí)T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器T1的值，計(jì)算兩次計(jì)數(shù)器T1的差值得到高頻脈沖數(shù)m2，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測量周期.由此根據(jù)式(4)即可計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

3.2 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)

顯示部分的程序時(shí)采用軟件定時(shí)器來完成的，多少時(shí)間顯示一次可在軟件中設(shè)定.圖6是軟件定時(shí)中斷子程序.

3.3 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì)

把觸發(fā)器和脈寬所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值，寫入HSO時(shí)間寄存器，靠HSO的定時(shí)功能來控制角度的大小.

1) 同步中斷子程序

為了可靠觸發(fā)三相全橋6只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號，一個(gè)周期共需輸出24個(gè)HSO信號，包括HSO上升沿和下降沿.因?yàn)镠SO CAM只能存儲(chǔ)8個(gè)HSO事件，考慮到軟件定時(shí)器對HSO CAM的占用情況，把24個(gè)觸發(fā)時(shí)刻分為4組，每組6個(gè)出發(fā)時(shí)刻，分別由同步中斷與HSO中斷產(chǎn)生.同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號過零時(shí)刻引起(EXTINTI).同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計(jì)數(shù)基準(zhǔn)T2，產(chǎn)生A，B，C，D，E，F(xiàn)時(shí)刻的HSO輸出信號，允許HSO中斷，置A，B，C，D，E，F(xiàn)輸出結(jié)束標(biāo)志，在F時(shí)刻產(chǎn)生HSO中斷[7-9].

2) HSO終端服務(wù)程序流程

HSO中斷分別由F，L，R時(shí)刻的HSO輸出命令引起.HSO中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)就是根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志產(chǎn)生不同組的HSO輸出信號，并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志位.其控制流程圖如圖4所示.

3.4 主程序的設(shè)計(jì)

主程序功能是初始化常量和變量，開中斷，給一些寄存器設(shè)值等.圖5是主程序的流程圖.

圖4 HSO中斷服務(wù)程序流程圖

圖5 主程序流程圖

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