可編程控制技術(shù)在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘 要】本文介紹了轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，分析了調(diào)速系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，然后系統(tǒng)的論述了現(xiàn)代PLC控制技術(shù)，說明了PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，采用可靠性高的大功率晶閘管為調(diào)速系統(tǒng)可控整流電源，依據(jù)現(xiàn)代控制理論，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)、PLC邏輯控制、調(diào)速系統(tǒng)的主電源、控制電源進(jìn)行說明，并對(duì)PLC在調(diào)速速系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的主要問題—電磁干擾做了進(jìn)一步闡釋。

【關(guān)鍵詞】可編程控制器；直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；晶閘管

0.引言

直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到各種拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備。大功率直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控制與強(qiáng)電控制相結(jié)合的系統(tǒng)。系統(tǒng)弱電部分檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)溫度、晶閘管溫度等信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)出控制信號(hào)；強(qiáng)電部分根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)絞刀、鉆機(jī)等機(jī)械負(fù)載進(jìn)行作業(yè)，以滿足不同作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要?？删幊炭刂破鱌LC是通用的自動(dòng)化控制裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制的核心控制元件。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計(jì)，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高、使用靈活方便，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

1.直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1.1轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

為了同時(shí)滿足動(dòng)念性能指標(biāo)和穩(wěn)念性能指標(biāo)，晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)常常引入電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等反饋量，并設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，來滿足不同負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的要求。在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)主要被調(diào)量轉(zhuǎn)速和輔助被調(diào)量電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和與不飽和兩種情況。調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，即隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，只有在輸入端加方向的△U才可以使調(diào)節(jié)器退出飽和；調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，輸出小于限幅值，比例積分作用可使輸入偏差電壓△U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零，轉(zhuǎn)速和電流可以認(rèn)為是無靜差的，但由于調(diào)節(jié)器ASR和ACR的積分保持作用，ASR和ACR都有恒定的輸出電壓。

1.2調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

調(diào)速基本要求是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)定位精度等。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：

1.2.1調(diào)速

在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

1.2.2穩(wěn)速

以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2.3加、減速

頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。

2.PLC控制的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的要求

（1）直流電動(dòng)機(jī)安裝空問的尺寸受到很大的限制，其軸向尺寸受到船舶工況的限制，所以要求電動(dòng)機(jī)及控制結(jié)構(gòu)緊湊。

（2）直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于負(fù)載經(jīng)常突變和動(dòng)力裝置的振動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)承受很大的沖擊和振動(dòng)，要求電動(dòng)機(jī)的零部件連接牢固、機(jī)械強(qiáng)度高。

（3）直流電動(dòng)機(jī)使用環(huán)境惡劣，很容易受鹽霧、潮濕、污泥、溫度變化等因素的影響，所以它的絕緣材料和絕緣規(guī)格應(yīng)具有與上述因素相適應(yīng)的能力，并具有一定的抗腐蝕能力。

（4）直流電動(dòng)機(jī)需要經(jīng)常啟動(dòng)、過載、制動(dòng)以及在磁場(chǎng)削弱條件下高速運(yùn)行，換向條件差，因此電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，必須對(duì)換向問題特別注意，采取抑制措施，防止換向器上產(chǎn)生火花甚至環(huán)火。

2.2 PLC的調(diào)速系統(tǒng)邏輯控制的實(shí)現(xiàn)

調(diào)速系統(tǒng)的主電路、調(diào)速控制電路以及信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了晶閘管直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速功能，以及電流、電壓、溫度等反饋信號(hào)的檢測(cè)，基于PLC控制技術(shù)的邏輯控制部分的設(shè)計(jì)則實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的邏輯起停、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、速度給定、故障保護(hù)、報(bào)警等自動(dòng)控制功能。

2.3常用的直流調(diào)速系統(tǒng)電源

（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。

（2）靜止可控整流器用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。

（3）直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組由于至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多，體積龐大，日常運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用高，至今只在少數(shù)尚未進(jìn)行設(shè)備更新的工廠采用；脈寬調(diào)制雖然可以得到脈動(dòng)很小的直流電流，減少電動(dòng)機(jī)的耗損和發(fā)熱，但由于受到整流器件容量的限制，目前只用于中、小功率的調(diào)速系統(tǒng)。

3.輔助電源的設(shè)計(jì)

輔助電源是控制系統(tǒng)的心臟，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)的電源都來自于輔助電源，觸發(fā)電路、調(diào)速控制電路的±15V電源，PLC的24V直流電源，檢測(cè)電路中芯片需要的±12V電源等。輔助電源質(zhì)量的好壞直接影響調(diào)速系統(tǒng)的性能，因此本系統(tǒng)采用開關(guān)電源為控制系統(tǒng)供電。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)管通斷的時(shí)間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，與線性穩(wěn)壓電源相比，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴(kuò)容等優(yōu)良特性。

PLC的抗干擾設(shè)計(jì)：

3.1電源的抗干擾措施

電源是干擾進(jìn)入PLC的主要途徑之一，電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用電設(shè)備是主要的干擾源?？梢栽赑LC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器。

3.2安裝的抗干擾措施

PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，大型動(dòng)力設(shè)備等。PLC不能與高壓電器安裝在同一開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線，兩者之間的距離應(yīng)大于200mm。與PLC裝在同一個(gè)開關(guān)柜的電感元件，例如繼電器、接觸器的線圈，并聯(lián)RC消弧電路。良好的接地是PLC可靠運(yùn)行的重要條件，PLC與強(qiáng)電設(shè)備分別使用不同的接地，接地線的截面積大于2mm2，接地點(diǎn)與PLC的距離小于50m。

4.結(jié)論

直流電機(jī)調(diào)速發(fā)展趨勢(shì)主要集中在控制理論的不斷完善和控制元件水平的不斷提高兩方面。在控制力理論方面，自適應(yīng)控制、模糊控制、PID控制等控制理論被引入。在控制元件方面，電力電子器件向集成化、模塊化、數(shù)字化方向發(fā)展，隨著第二代、第三代功率變換器件的不斷自我完善，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能也會(huì)得到進(jìn)一步的完善，基于PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)的邏輯控制系統(tǒng)將越來越智能化。本論文對(duì)以后的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究具有一定的參考價(jià)值。要深入研究整個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，里面所涉及的工作量和研究?jī)?nèi)容是相當(dāng)豐富的。由于作者的研究時(shí)間和研究水平的限制，會(huì)有許多考慮不到的地方。這項(xiàng)研究需要更多的人來參與和完善。

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