可控硅—直流電機調(diào)速系統(tǒng)的分析

廈門宏發(fā)電聲股份有限公司 陳國華

通過對比和比較直流電機跟以往的交流電機，發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在維修的過程中會遇到更多的困難，不過它的起、制動性能比較優(yōu)越，而且在調(diào)速的過程中還能在比較大的范圍里面保持平滑。本文所說的直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要包括的元件有：可控硅、磁放大器以及直流發(fā)電機等。在該系統(tǒng)中由于應(yīng)用到了可控硅，而可控硅能夠更高倍數(shù)的將功率放大，并且體積比較小，使用壽命相對較長，具有良好的快速性等，因此直流電機調(diào)速系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)在實際的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在某造紙廠中，有機的將可控硅整流器應(yīng)用到了設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中，有效的實現(xiàn)了平滑的調(diào)速過程，而且在自動控制在基礎(chǔ)上，保證了該廠的紙張生產(chǎn)產(chǎn)量，提高了紙張的質(zhì)量水平。

1.反饋控制系統(tǒng)的簡要概述

在結(jié)構(gòu)上，可以將自動控制系統(tǒng)明確的劃分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩部分。其中開環(huán)控制可以說是自動控制系統(tǒng)里最為簡單方便的控制方式，具有以下主要特點：系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制量產(chǎn)生影響，也就是說控制器跟被控制對象兩者之間只存在正向的控制，無法進行反饋控制。

在某些印染設(shè)備采用的控制方法就是開環(huán)控制，負載的大小以及電源電壓的波動情況會對電機在實際生產(chǎn)過程中的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生一定的影響，無法進行自動調(diào)節(jié)。

閉環(huán)控制的主要特征有：系統(tǒng)的輸出量會直接對控制量產(chǎn)生一定的影響，也就是說控制器和被控制對象二者之間除了有一定的正向作用之外，還能夠進行有效的反饋。圖1顯示了該控制方法的示意圖：

閉環(huán)控制大多數(shù)時候是通過反饋作用實現(xiàn)的，因此通常也把閉環(huán)控制成為反饋控制。一般在反饋控制系統(tǒng)里面，如果外界環(huán)境對輸出量產(chǎn)生一定影響，那么該系統(tǒng)會按照設(shè)計規(guī)定的要求自動進行調(diào)節(jié)。

2.可控硅-直流電機調(diào)速系統(tǒng)

在直流電機調(diào)速系統(tǒng)里面，被控制的對象是直流電機，轉(zhuǎn)動的速度是該電機的輸出量，所以計算直流電機轉(zhuǎn)動速度的表達式為：

由公式我們可以看出，我們可以利用三種方式對直流電機系統(tǒng)進行調(diào)整速度，分別是對電樞電壓V進行調(diào)節(jié)，對磁通φ進行調(diào)節(jié)，對電阻進行調(diào)節(jié)等。一般在調(diào)速的過程中會同時調(diào)整電壓和磁通，到目前為止自動化系統(tǒng)大力推廣利用可控硅電源對電壓和磁通進行有效的調(diào)整，以下是幾種比較常見的調(diào)速方法：

2.1 采用電壓負反饋的方式進行自動調(diào)速

圖1 閉環(huán)控制的具體示意圖

圖2 采用電壓負反饋的方式進行自動調(diào)速

圖3 采用電流正反饋和電壓負反饋二者相結(jié)合的方式進行自動調(diào)速

從圖中我們可以看出供給直流電機發(fā)電的電壓是來自于整流電路，而其輸出的電壓會受到控制角α的直接影響，觸發(fā)電路能夠提供系統(tǒng)中所需的控制信號。

在電壓Ug的值保持固定不變時，如果將負載持續(xù)的加大，將電樞電流也不斷的增大，那么電動機那端的電壓U就會不斷的降低，引起UF出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動速度也會隨之逐漸減慢，Ud4g－4F有升高的情況，在經(jīng)過放大之后，U持續(xù)上升，電機的轉(zhuǎn)動速度逐漸的趨近于原值，轉(zhuǎn)動速度逐漸降低。具體的調(diào)整過程如下所示：

負載

2.2 采用電流正反饋和電壓負反饋二者相結(jié)合的方式進行自動調(diào)速

如果電壓負反饋不能有效的進行自動調(diào)整轉(zhuǎn)動速度，那么可以在這種方式的基礎(chǔ)上，采用電流正反饋的方法進行自動調(diào)速，具體情況例如圖3所示：

圖3中我們可以看出電阻R引入的電流能夠正面的進行反饋，所以Ufa=Ia.而由于該電阻R來源于電動機中的電阻R，因此會跟電壓負反饋同時添加到輸入端。

Ud=Ug－Ufp＋Ufa

如果電動機的負載逐漸的增加，那么fp反而會降低，而Ufa會出現(xiàn)增高現(xiàn)象，并且都會最終導(dǎo)致Ud增加，能夠有效的擴大調(diào)正速度的范圍，主要是因為Ufa增加導(dǎo)致Ud增大的那一部分能夠在一定程度上補償由于電樞壓降的不斷增加而造成的轉(zhuǎn)動速度降低。

圖5 速度、電壓、電流三環(huán)控制方框圖

圖4 采用轉(zhuǎn)速負反饋的方式進行自動調(diào)速

圖6 飽和非線性狀態(tài)曲線

2.3 采用轉(zhuǎn)速負反饋的方式進行自動調(diào)速

在圖4中我們可以看出，電動機的轉(zhuǎn)動速度和測速發(fā)電機具有的電樞電壓呈現(xiàn)正比例的狀態(tài)進行增加會減少。如果電機受到的負載逐漸增加，那么測速發(fā)電機的電樞電流Ia也會增加，導(dǎo)致電動機的轉(zhuǎn)動速度減慢，測速發(fā)電機的UCF相應(yīng)的降低，如果Ug是一個固定不變的值，那么Ud=Ug－UCF的值會不斷的上升，放大器的輸出不斷的增大，逐漸的縮小了控制角а，最終導(dǎo)致可控整流輸出的具體電壓值U不斷增加，電機逐漸還原至原值。具體的調(diào)節(jié)過程如下所示：

負載

3.模擬控制靜動態(tài)參數(shù)和數(shù)字之間的分析對比

3.1 對可控硅直流進行的控制

如果通過電流，電壓以及速度進行控制的話，圖5是其具體的方框圖。一般來使，關(guān)于閉環(huán)系統(tǒng)，不管是其攏動量還是參考輸入都固定時，Id也就是被控量也基本固定了。不管是攏動量還是參考輸入，二者哪一個出現(xiàn)改變，參考輸入會和反饋量形成另一個作用誤差，在控制作用的基礎(chǔ)上，使輸出量根據(jù)新參考輸入值趨于穩(wěn)定，也有時候會慢慢恢復(fù)到以前的數(shù)值后在形成新平衡，可是因為系統(tǒng)的慣性作用以及儲能元件的存在，無法在短時間內(nèi)實現(xiàn)新的平衡，需要必要的過程。

在摸擬控制電路設(shè)計時，無論是在時域還是頻域考慮，都要求系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定，對超調(diào)量、過渡過程的時間、振蕩次數(shù)提出一定要求，再就是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)滿足?？蛇@三種要求之間又相互矛盾和制約，很難建立一個同時達到理想狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

3.2 對數(shù)字進行的控制

因為這個控制系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，因此對其設(shè)置的時候，選擇了飽和非線性，像圖6所展示的那樣。因為這個控制系統(tǒng)是通過數(shù)碼實現(xiàn)傳遞的，屬于數(shù)控系統(tǒng)，能采取差分方程過程的方式來說明這個系統(tǒng)的變化過程。關(guān)于非線性系統(tǒng)，其信號并沒有將輸入信號頻率的正弦分量包含在內(nèi)；從物理角度而言，非線性系統(tǒng)發(fā)生振蕩是能夠存在的，可是振幅和初始條件沒有任何關(guān)聯(lián)，是固定的；不管是系統(tǒng)的參數(shù)還是結(jié)構(gòu)都不能對數(shù)字控制非線性系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面產(chǎn)生影響；關(guān)于非線性系統(tǒng)，輸入信號的實際幅值是影響暫態(tài)響應(yīng)曲線具體形狀的原因之一，主要是由于非線性系統(tǒng)不滿足迭加原理導(dǎo)致的。

PLC對模擬量信號的處理，是將模擬信號變換成數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)。A/D變換精度取決于A/D變換器的位數(shù)，如10V電壓要求以1mV精度變換時，精度1mV/10V=0.01%，即1/3200十進制的3200用二進制表示10位，該系統(tǒng)精度等級足以滿足控制系統(tǒng)要求。且該系統(tǒng)中采用6RA7018整流裝置均以積分方式變換，可使信號尖峰平均化，從而使系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠。

本文大概描述了幾種常用的調(diào)速系統(tǒng)，在實際的聲場過程中為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，還會采取引入電壓微分負反饋以及電壓積分負反饋等方式進行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，如果實際需要還會將上述幾種反饋方式進行有機的結(jié)合應(yīng)用。

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