（轮机工程专业论文）基于plc控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要 大功率直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛的应用到 各种工程船舶上，拖动机械设备，是工程船舶工程作业的动力核心。大功率直流 调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的 转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信 号；强电部分根据控制信号调节电动机转速，拖动绞刀、钻机等机械负载进行作 业，以满足不同作业现场的需要。 可编程控制器p l c 是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能化控 制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一 体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩 展等优点，在工程船舶上得到了广泛的应用。 本文首先详细的介绍了大功率直流调速系统的基本原理，分析了调速系统的 基本组成以及基本调速方法；然后系统的论述了现代p l c 控制技术，介绍了p l c 控制系统的基本设计方法；接着本文以经济性好、可靠性高的大功率晶闸管为调 速系统可控整流电源，根据现代控制理论，采用转速一电流双闭环调速与弱磁调速 相结合的方法对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路以及信号检测电路 进行设计，结合现代p l c 控制技术对调速系统运行进行控制，对电动机、晶闸管 等元件主要参数进行监视、保护；最后利用a l t i u m 公司研发的电路图绘制软件 p r o t e ld x p 对相关电路图进行绘制、直板、静态调试，取得了满意的效果。 关键词：可编程控制器；大功率直流电机调速系统；晶闸管；闭环控制 英文摘要 p l cb a s e dd e s i g no fh i 曲- p o w e rd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t h j g h p o w e rd cm o t o rv a r i e ds p e e dc o n t r o ls y s t e m i sw i d e l yu s e do n b o a r dt h e e n g i n e e r i n gs h i p ，b e c a u s eo fi t sh j i g hv a r i e ds p e e dq u a l i t ya n di t sh i g h e rr e l i a b i l i t y i t c o n s i s t so fs t r o n gp o w e rs e c t i o na n dw e a ke l e c t r o n i cp l a n t n ew e a ke l e c t r o n i cp l a n ti s u s e dt og e tt h es i g n a lt h a ts y s t e mn e e d e d ，s u c ha ss p e e d ，a r m a t u r ec u r r e n t ，m o t o r t e m p e r a t u r ea n dt h 【y r i s t o rt e m p e r a t u r ee t c b a s e do nt h e s es i g n a l s ，t h ew e a ke l e c t r o n i c p l a n tg i v ec o n t r o ls i g n a l st o t h es t r o n gp o w e rs e c t i o n s t r o n gp o w e rs e c t i o na c t a c c o r d i n gt o t h es i g n a l sa n dc h a n g et h es p e e do ft h ed cm o t o r , t os a t i s f i e dt h e r e q u i r e m e n to f t h ew o r k i n gs i t u a t i o n p l cs h o r tf o rp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ri so n eo ft h em o s tp o p u l a r a u t o - c o n t r o le q u i p m e n to n b o a r dt h es h i p i tc o m b i n e so ft h er e l a yc o n t r o lt e c h n i q u ea n d c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dc o m m u n i c a t e st e c h n i q u e i t sm o d u l ed e s i g nc a ns a t i s f ya n y i n d u s t r yc o n t r o ls i t u a t i o nj u s tb ya s s e m b l em o d u l e so fd i f f e r e n tf u n c t i o nt o g e t h e r b e c a u s eo fi t ss t r o n gc a p a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n do t h e rm e r i t s ，i ti su s e dw i d e l y o n b o a r dt h ee n g i n e e r i n gs h i p t h i sp a p e rf w s t l yi n t r o d u c e st h et h e o r ya s s o c i a t e dw i t ht h eh i g l l p o w e rd cm o t o r c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o no ft h es p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dt h em a i ns p e e d c o n t r o lm e t h o d s ；s e c o n d l ys u f f i c i e n t l yd i s c u s st h ep l cc o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h ew a y t h ed e s i g nap l cb a s e dc o n t r o ls y s t e m ；t h i r d l y , t h i sp a p e ru s e st h eh i g h p o w e rt h y r i s t o r a st h ec o n t r o l l a b l ep o w e rs o u s eo ft h eh i g h p o w e rd cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m ， d e s i g n st h em a i nc i r c u i t ，s p e e ac o n t r o lc i r c u i t ，s i g n a lt e s tc i r c u i tb a s e so nt h em o d e r n c o n t r o lt h e o r y , p l ci su s e dt om o n i t o rt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h em a i ne l e m e n t s s u c ha s m o t o ra n dt h y i i s t o r , p r o t e c tt h e ma c c o r d i n gt ot h es i g n a lg e tf r o mt h et e s tc i r c u i t f i n a l l yim a k et h e s ec i r c u i ta s s o c i a t e di n t or e a l i t ya n da d j u s tt h e mt os a t i s f yt h es y s t e m r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p l c ：h i g h - p o w e rd c m o t o r ；t h y r i s t o r ：c l o s e d l o o pc o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 墨王堕揎剑堇查的太功奎直逾电扭遢适丕缠殴 班塞生遮盐：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明 的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：犯龟男砷年i 1 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密留( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：弛金男 导师签名： 猁d 日期：柳年1 1 月，7 日 基于p l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 第1 章绪论 1 1大功率直流电机调速发展史概述 电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的，电机调速和电力电子 技术相互结合，相互促进，实现了现代的电气传动控制：以弱电检测、判断并发 出控制信息，用强电来执行控制的使命。从这个角度上看，可以说，现代电气控 制技术是强电与弱电相结合的技术。f 1 j 【2 】 早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的起动、制动、正反转和分级调 速。随着技术的进步，生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求，诸如精确稳 定的运行速度、无级调速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速 可以比较好的满足这些要求，于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系统 ( w a r d i _ 肋n a r d 系统) 。对调速性能要求再高时，则引入电机型放大器、磁放大器、 电子放大器等放大装置进行反馈控制。到上世纪五十年代，机组供电直流调速系 统的控制技术发展到了巅峰的阶段，也j 下是它的缺点暴露得最充分的时候：它的 设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、维护不方便等等 日益称为生产上的负担。为了解决这些矛盾，人们开始采用水银整流器( 大容量) 和闸流管( 小容量) 等静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子传动 控制系统。1 9 5 7 年，可控的大功率半导体器件一晶闸管问世，由它组成的静止式 可控整流装置无论在运行性能上还是在可靠性上都具有明显的优势，6 0 年代成了 晶闸管的时代。7 0 年代以来，国际上电力电子技术( 即大功率半导体技术) 突飞 猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极可关 断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管( g t r ) 场效应晶闸管( p m o s f e t ) 等。p l l 4 】 新型的脉宽调制式( p w m ) 变压装置使直流电源以1 4 k l - i z 的频率交替地导通和 关断，用改变脉冲电压宽度来改变平均输出电压，从而调节电动机的转速。与老 式电器开关控制相比，新的p w m 开关在形式上是静止的，开关频率高，装置体积 小，调节性能好，运行十分可靠。 电机传动控制不断发展的同时，控制技术和器件的发展也是很引人注目的。 由模拟电子器件、数字电子器件，发展到采用功能很强的控制计算机和p l c ( 可 编程控制器) 。计算机作为工业控制机的应用标志着控制技术发展的一个崭新阶 蔓! 兰堑堡 段。工业生产中需要大量的顺序性和逻辑性的动作，过去要用大量继电器，现在 采用以微处理机为基础的p c ，使控制设备结构简单，改编程序灵活方便，可靠性 大大提高。有不少生产设备需要自动调节与控制，采用微型计算机以后，除能实 现常规的p i d 控制规律以外，还能很方便地实现非线性控制、变结构控制，并进 一步实现最优控制、自适应控制等等，大大扩展了电气控制的功能。此外，还从 单一的控制作用，发展到控制、保护、诊断( 在线自诊断、离线诊断、开机条件 诊断、故障诊断) 三结合，充分发挥计算机逻辑判断和记忆功能强的特点。由于 微型计算机的体积小而功能强，使得控制装置小型化，从而促进了电气控制装置 与生产设备的机电一体化，改变了设备的面貌。但是，随着控制规模的增大，集 中控制对硬件可靠性的要求越来越高，计算机设备故障对生产装置甚至全厂的影 响越来越大，采用双机并用的方法可以提高可靠性却又使自动化的投资越来越贵。 于是，又兴起了集中与分散控制相结合的分级分布控制系统。用小型或中型计算 机对整条生产线或车间实行监督控制( s c c ) 和协调管理，再用中型甚至大型计算 机负责整个工厂和全企业的经营管理，构成分级分布控制系统。分级的集中控制 与分散的直接数字控制，特别是以微型计算机和p c 为基础的直接数字控制，是这 种系统的特征。1 2 1 1 s l 1 2 直流电机调速控制技术发展趋势 运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统，在工程实践中，有许多生产 机械要求一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。 直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的 动态性能。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动 系统。 目前，我国直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面：1 6 】 ( 1 ) 提高调速系统的单机容量。 ( 2 ) 提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单、紧凑。 ( 3 ) 提高控制单元水平，使其具有控制、监视、保护、诊断、及自复原等多种 功能。 1 3p l c 及其在大功率直流调速系统中的应用 基于p l c 控制技术的人功率直流电机调速系统的研究与设计 可编程控制器( p l c ) 发展到今天，已经成为了通用的自动化控制装置，它将 传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为体，具有控制功能强，可 靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点，其应用也越来越广泛。 1 3 1p l c 的特点 1 ，高可靠性 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。【7 l ( 1 ) 所有的输入、输出接口均采用光电隔离，使工业现场的外电路和p l c 的内 部电路之间实现电气隔离。 ( 2 ) 各输入端均采用r c 滤波器，滤波时间常数一般为1 0 2 0 m s ，对高速输入端 采用数字滤波，其滤波时自j 常数由p l c 指令设定。 ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措箍，以防止辐射干扰。 ( 4 ) 采用性能优良的开关电源。 ( 5 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常，c p u 立即采取有效 措施，以防止故障扩大。 ( 6 ) 大型p l c 还采用双c p u 构成冗余系统或由三个c p u 构成表决式系统，进 一步提高可靠性。 由于上述一系列措施，使p l c 的平均故障运行时间可高达几十万小时，被业 界称为无故障设备。 2 丰富的i o 接口模块p l c 针对不同的工业现场信号( 如交流、直流、开 关量或模拟量、电压、电流、脉冲或电位强电或弱电等) 与相应的i o 模块和工业 现场的器件或设备直接连接。 3 采用模块化结构包括c p u 、直流电源、加等均采用模块设计，由机架及 电缆将各模块连接起来，系统的规模可根据用户需要自行组合，应用与各种规模 的工业控制场合。近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p i e ：渗透到了位置控制、 温度控制等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展， 使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 第1 章绪论 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来 5 安装简便，维修方便p l c 无需专门的机房，可以在各种工业环境下直接 就近安装。使用时只需将现场的各种设备与p l c 相应的i o 端相连，系统便可以 投入运行。模块化结构也方便了故障查找与恢复。 1 3 2p l c 在直流调速系统中的应用 在电力传动系统中，系统的逻辑控制部分必不可少。逻辑控制主要包括电机 的起停控制、正反向运行、系统运行时主要性能参数的监视、电机的保护等等。 传统的直流电机调速系统采用以继电器接触器为主要控制元件，其接线多而复杂、 体积大、功耗大、开关闭合时易产生火花、故障率高，而且由于控制元件采用硬 接线逻辑，一旦系统构成后，想要改交或增加功能都很困难，系统的维护傈养成 本高。 s i t 9 i t 加i p l c 是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使 之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。p l c 与继电器逻辑控制系统的比较 如下表所示。1 1 l 表1 1p l c 与继电器控制系统的比较 t a b l 1c o m p a r i s o nb e t w e e np l ca n dr e l a yc o n t r o ls y s t e m 比较项目继电器控制可编程控制器( p l c ) 控制逻辑硬件接线多，体积大，连线复杂软件逻辑，体积小，接线少，控制灵 活 控制速度通过触点开关实现控制，动作速度受继电由半导体电路实现控制，指令执行时 器硬件限制，一般几十毫秒间短，一般为微秒级 定时控制由时间继电器控制，精度差由集成电路实现，精度高 设计与施设计、施r 、调试必须按照顺序进行，周系统设计完成后，施，i ：与程序设计同 工期长时进行，周期短 可靠性和继电器触电寿命短无触点，寿命长，可靠性高有白诊 维护性断功能 价格使圳继电器，、接触器等元件，价格低使用大规模集成电路，价格高 基tp l c 控制技术的大功率直流电机调遽系统的研究与设计 1 4选题背景及论文主要内容 1 4 1 选题背景 在船舶种类中，工程船船型多，用途广泛。工程船主要从事航道保证、港口 服务、抢险救助、水域施工、水底开采、产品加工、船舶修理和疏浚挖泥等工作， 是目前新建和扩建港口、增加和维护航道尺度的主要手段。在港口服务方面，进 入9 0 年代以后，我国加大了内河干直流河道的整治力度，港口航道的建设与维护、 江河湖库的清淤整治等一大批工程纷纷上马，这些工程急需技术性能先进、功能 齐全的工程船舶( 如挖泥船等) ；在海底开采方面，随着世界性能源危机的临近， 世界海洋石油工业装备与技术飞速发展，目前海洋石油钻采向深水推移，钻井作 业向深水、深井、大斜度井、大水平位移井、孔底多支井( 1 口井中有多口水平井) 、 控制自动化、电脑化、低成本、高效率发展。1 1 2 l 【1 3 】【1 4 1 目前我国工程船舶处于新老交替的阶段。一方面，上个世纪八九十年代从国 外引进的工程船舶开始步入老龄化，而且随着科学技术的不断发展，相关控制系 统也急需改造与升级，1 1 5 l 由于国内相关配套设备不能满足系统性能要求，需要花 大量资金从国外购入；另一方面，我国正在加紧国产工程船舶的研发步伐，并取 得了一定的成果。以挖泥船为例，截止2 0 0 3 年止我国有近千余艘挖泥船，国产 挖泥船占9 成。0 6 1 但我国生产的挖泥船多为2 0 0 m 3 d , 时左右的小型船舶，对于大 型挖泥船的一些关键技术还处于攻坚阶段，一些性能要求较高的设备也需要花巨 额资金从国外引入，失去了国产化挖泥船的根本意义。 大功率直流电动机调速系统相对于交流电机调速系统来说，具有控制理论成 熟，调速性能优异，系统可靠性好等优点，因而被广泛的应用到各种工程船舶上， 用来拖动绞刀、钻机、绞缆机等动力设备，是工程船舶的动力核心。 鉴于以上原因，本文对工程船舶上大功率直流调速系统进行研究，并对系统 进行升级和改造。从船舶配套产品国产化和大型工程船舶国产化方面来讲，具有 一定的实际意义。 1 4 2 论文的主要内容 大功率直流电机调速系统通常采用基于晶闸管整流电源的a c s c r d c 电机 驱动模式。i i7 l 晶闸管是一种大容量功率变换器件，是电机调速系统中实现弱电控 兰! 兰丝丝 制强电的关键元件。晶闸管作为第一代电力电子器件，从上个世纪6 0 年代开始发 展到今天，其元件控制理论成熟、效率高、经济性好、工作可靠，是大容量调速 系统中整流电源的首选。 p l c 作为工业控制中的通用的自动化控制装置，将传统的继电器控制技术、 计算机技术和通讯技术融为一体，近年来，由于其结构紧凑、抗干扰能力强，改 造性能好等优点，被广泛的应用到船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控 制系统、机舱监控系统等重要设备上。 本文采用晶闸管一直流电动机调速系统与p l c 逻辑控制系统相结合，对大功率 直流调速系统进行了研究和设计，具体做了以下的工作： 1 对闭环控制的晶闸管一直流电动机拖动系统进行了理论研究。 2 对现代p l c 控制技术进行了研究。 3 采用p r o t e ld x p2 0 0 4s p 2 软件对相关电路板进行设计、绘制。 4 对调速系统的p l c 逻辑控制部分进行设计。 基fp l c 控制技术的人功率直流电机调速系统的研究与设计 第2 章大功率直流电机调速系统 大功率直流电机调速系统以大功率直流电动机为控制对象，以电力电子器件 为功率变换装置，将电能转换成机械能，在自动控制理论指导下，实现弱电对强 电的控制，最终达到调节电机转速的目的。1 1 8 1 大功率直流电机调速系统通过对电 动机转速的控制，将电能转换为机械能，进而控制工作机械按给定的运动规律运 行，使之满足各种具有特定要求的作业现场。 2 1 调速系统的主要性能指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例 如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时 允许转速波动的大小，从正转运行到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允 许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速 控制的要求有以下三个方面： 1 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地( 有级) 或平滑地( 无 级) 调节转速。 2 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大 的转速波动，以确保产品质量。 3 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不 宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。 上述三方面要求，可具体转化为调速系统的稳态和动态两方面的性能指标。 2 2 1 稳态性能指标 所谓稳态性能指标是指系统稳定运行时的性能指标，如调速系统稳定运行时 的调速范围和静差率等。下面具体介绍调速系统中的稳态性能指标。1 6 】1 1 9 j 2 2 1 1 调速范围 直流调速控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速与 最低转速之比，用d 表示，即 j d = 逸 ( 2 1 ) n _ 其中n 。和对于调压调速系统来说，电动机的最高转速n 一等于其额定转速 苎! 皇查堕奎堕堕皇垫塑垄墨竺 甩一。d 越大，说明系统的调速范围越宽。 2 2 1 2 静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所引起的额定转 速降落，1 ，与理想空载转速开。之比，称作静差率s ，即 s 。竺堕( 2 2 ) 厄o 静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化的程度，它与机械特性的 硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速稳定度越高。然而静差率和机械特性硬 度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对 于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就 越差。 由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是孤立的，必须同时提才有意 义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时满足静差率要求下系统所能达到 的最大调节范围。脱离了对静差率的要求，任何调压调速系统都可以得到极高的 调速范围；脱离了调速范围，静差率要满足要求也就容易得多了。 2 2 2 动态性能指标 直流调速系统在动态过程中的指标称为动态性能指标。由于实际系统存在着 电磁和机械惯性，因此，当转速调节时，总有一个动态过程。衡量直流调速系统 动态性能的指标可分为跟随性能和抗干扰性能指标两类。【2 0 l 【2 1 l 2 2 2 1 跟随性能 c ( i c 图2 1 阶跃响应曲线和跟随性能指标 f i 9 2 1 c u i v co fs t e pi n p u tr e s p o n da n df o l l o w i n gp e r f o r m a n c e 一 基tp l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 直流调速系统的跟随性能指标一般用零初始条件下，系统对阶跃给定输入信 号的输出响应过程来表示。系统对给定输入的典型跟随过程如图2 1 所示。其主要 跟随性能指标有： 1 上升时间f ，。在阶跃响应过程中，输出量从零开始，第一次上升到稳态值c 。 所经历的时间称为上升时间，它反映了系统动态响应的快速性。 2 超调量盯。在阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之 比的百分值，称为超调量，即 盯；垒二生1 0 0 ( 2 3 ) c 。 超调量反应了系统的相对稳定性，超调量小，相对稳定性好，即动态响应比 较平稳。 3 调节时间t 。在阶跃响应过程中，输出衰减到与稳态值之差进入5 或2 的允许误差范围之内所需最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。调节 时间是用来衡量系统整个调节过程快慢的，调节时间t 越小，系统响应的快速性越 好。 在实际系统中，快速性和稳定性往往是互相矛盾的。减小了超调量往往就延 长了过渡过程调节时间；加快过渡过程却又增大了超调量。对于一般要求的系统， 可以根据生产工艺的要求，哪一方面的性能是主要的，就以哪一方面为主。对于 特殊要求的较高性能的系统，还可以考虑采用一些综合型的优化性能指标。 2 2 2 2 抗扰性能指标 5 ( 或2 ) c 。t c i i r c i _ 0 幽2 2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 f i 9 2 2 d y n a m i cp r o c e s so fd i s t u r ba n dt h ep e r f o r m a n c eo fa n t i - j a m m i n g 9 笙! 兰叁垫奎皇堕皇翌! 塑堡墨竺 当控制系统在稳定运行过程中受到电动机负载变化，电网电压波动等于干扰 因素的影响时，会引起输出量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的 稳态。这一恢复过程就是系统的抗扰过程。一般以系统稳定运行时突加一个使输 出量降低的扰动以后的过渡过程作为典型的抗扰过程，如图2 2 所示。抗扰性能定 义如下： 1 动态降落a c 一。系统稳定运行时，突加一个扰动量，在过渡过程中引 起输出量的最大降落值c 。称为动态降落，一般用与输出量原稳态值c 。，的百分 数表示，即 a c 。；争1 0 0 ( 2 4 ) l t l 2 恢复时间0 。从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到与新稳态值c 。：之差进 a c 。：的5 或2 范围之内所需要的时间，称为恢复时间0 ，如图2 2 所示。一 般来说，阶跃扰动下输出量的动态降落越小，恢复时间越短，系统的抗扰动能力 越强。 2 2直流电动机数学模型 直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置，具有启动转矩大、调速 性能好、调速范围宽等优势，在工程船舶上得到广泛的应用，用于绞刀、锚机、 绞缆机拖动，钻机驱动等。 在直流电机调速系统中通常是以他励式直流电动机为控制对象，其等效控制 电路如图2 3 所示。 点 瓦 4 -l、 1 、 图2 3 直流电机等效控制电路 f i 9 2 3 m o d e lc i r c u i to fd cm l o r 系统的输入量工，为电机电枢电压“，控制系统的输出量为电机的转速 。根 据电压定律，可以得到电枢回路的微分方程式： 基于p l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 川加工争“ ( 2 5 ) 式中，e 为电动机电枢反电动势；r 为电动机电枢回路电阻；l 为电动机电枢回路 电感；i 为电动机电枢回路电流。 由于电机产生的反电动势为 e c e n ( 2 6 ) 式中，e 为直流电机在额定磁通下的电动势转速比( 电动机电势常数) 。 因此，由式2 5 和式2 6 可以得到电机的动方程式： c 一+ r + 工吾d i 一 ( 2 7 ) 电动机的第二个方程为机械运动方程，无负载的理想机械运动方程的微分形 式为 t 一瓦= 丽g d 2 石d n ( 2 8 ) 式中m 为电动机的转矩，g d 2 为电动机的飞轮惯量。 电磁转矩为 t c i 。 ( 2 9 ) 式中q 为直流电机在额定磁通下的转矩电流比( 电动机的转矩常数) 整理得到： i l 窘+ l 警枷 式中，王一去是电动机的电磁时间常数：l 数。 将式2 1 0 在零初始条件下进行拉斯变化可以得到直流他励式电动机的传递函 数形式数学模型： 啡等= 赫 - ， 2 3直流电机调速的基本方法 常 删 心 电的动电是 生 芑翌扔 = 崔 第2 章大功率直流电机调速系统 直流电动机电枢回路的电压平衡方程为 u 。e + l a r ( 2 1 2 ) 电枢反电势为 e c 锄 ( 2 1 3 ) 由此得到转速特性方程式如下 甩。u - i r( 2 1 4 ) 甩一一 k z i 珥， c 中 由式( 2 1 4 ) 可以看出，调节直流电动机的转速有如下3 种方法：【2 3 j 1 2 4 l 1 调节电枢电压调速 2 改变电动机励磁调速 3 改变电枢回路电阻调速 图2 4 他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性 f i 9 2 4 m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fd cm o t o rw h e nt h ea r m a t u r ev o l t a g ei sc h a n g e d 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方 式为最好，其机械特性如图2 4 所示，改变电压时，随电枢电压的降低而降低， 但机械特性的斜率则保持不变；改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑 调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速( 即电动机额定转 速) 以上作小范围的升速。 2 4 大功率直流调速系统的可控直流电源 变电压调速是直流调速的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直 流电源，常用的可控直流电源有以下三种【3 】【2 0 】 基于p l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 1 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流 电压。 2 静止可控整流器用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器，以获 得可调的直流电压。 3 直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源或不可控整流电源供 电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。 旋转变流机组由于至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一 台励磁发电机，因而设备多，体积庞大，日常运行和维护的费用高，至今只在少 数尚未进行设备更新的工厂采用；脉宽调制虽然可以得到脉动很小的直流电流， 减少电动机的耗损和发热，但由于受到整流器件容量的限制，目前只用于中、小 功率的调速系统( 几十千瓦左右) 。 在电力拖动系统中，主要用晶闸管整流元件组成整流电源。晶闸管直流电动 机系统是在各种工业场合应用极为广泛的一种电力拖动系统，是可控整流装置的 主要用途之一。三相可控整流电路的类型很多，包括三相半波( 零式) 、三相全控 桥式、三相半控桥式等。这些电路中最基本的是三相半波可控整流电路，其余类 型都可看作是三相半波电路以不同方式串联或并联组成的。t 2 5 l 2 3 ，1 晶闸管三相可控整流电源 c b i 旰w nn s c r !s c i o * n1 1 s s c r 6 w nn s c r 5s r c 2 厂、，=、 图2 5 三相桥式全控整流主屯路原理图 f i 9 2 5 s c h e m a t i cc i r c u i to fa l lc o n t r o l l e dt h y r i s l o rr e c t i f i e ro ft h r e e p h a s e 1 三相桥式全控整流电路1 2 5 1 1 2 6 j 1 2 7 l 如图2 5 所示，工业上广泛应用的三相桥式整流电路从三相半波电路发展而 笙! 主查垫皇皇堕皇塑塑垄墨竺 来，为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，且控制角a 完全相同。由于共阴极 组在负半波导通，流经变压器的是正向电流，而共阳极组在负半波导通，流经变 压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁势，在正、负半波都有电流流 过变压器的每相绕组，这样便提高了变压器的利用率。 在三相全控桥式整流电路中，由于共阴极组和共阳极组是同时控制的，各晶 闸管的控制角a 都相同。由于这种电路是两组三相半波整流电路的串联，因此整 流输出电压加大一倍，输出直流电压的脉动减少，从而进一步降低电机的发热， 改善换向。 大电感性负载时，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是h 3 ，故整流输 出电压为： u 一= ；去岳4 , 4 - 6 j v zs i n 删( 耐) l2 - 3 甜z c o s a = 1 3 5 0 z t s 口 ( 2 1 5 ) 可见，电感性负载时，要求的最大移相范围为9 0 。 电感性负载时电流波形为矩形波，设其幅值为，。，流过晶闸管的电流有效值 为 一j 去，；等- 击；o s 例。 q j s ， 晶闸管所承受的最大正反向电压都是线电压的峰值, - 6 u ，。 2 三相有源逆变电路【2 5 】 在实际生产实践中，还需有相反的要求，利用品闸管电路把直流电转变成交 流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。 变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流 电逆变为同频率的交流电反送到电网去，叫有源逆变；如果交流器的交流侧不与 电网连接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供 给负载，则叫无源逆变。 有源逆变的条件有二：一定要要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通 方向一致，其值应该稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的口 石2 ， 使以为负值。 基j 。p l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 三相桥式整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。逆变和整流 的区别仅仅是控制角a 的不同。o a 石2 时，电路工作在整流状态，万2 ( 口 丌时， 电路工作在逆变状态。关于逆变电路各电量的计算归纳如下： u ，一- 2 3 4 u 2 c o s ( 石一a ) = - 1 3 5 2 c o s ( 一口) ( 2 1 7 ) 输出电流的有效值： ，阢+ ，； ( 2 1 8 ) 流过晶闸管的电流有效值为： 一音= 0 5 7 7 i ( 2 1 9 ) 变压器二次侧线电流的有效值为： 小西，= ；，- 0 8 ，6 ， ( z 2 0 ) 2 3 2 晶闸管可控整流电源下直流电动机的机械特性 当电流连续时，系统的机械特性方程式为 舾，。l 一叩( u d o - i d r ) 一丽1 i ml ，r 。s m i f t c o s a - i r ) ( 2 2 1 ) ，d 一、一i - 图2 6 电流连续时v m 系统的机械特性 f i g 2 6 c h a r a c t c f i s f i co f 、l ms y s t e m 改变控制角口( 箭头方向表示a 增大) ，得一族平行直线，如图2 6 所示。机 械特性上平均电流较小的部分画成虚线，因为这时电流可能断续，式( 2 2 1 ) 可能 第! 童查垫垩皇堕皇塑塑鎏至堕 就不再适用了。上述结论表明，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是 一个线性的可控电压源。1 1 9 1 1 2 8 1 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波电 路为侧，电流断续时机械特性须用下列方程组表示： 竹竺煎芸篙垒型旺2 ：， c 。( 1 一e 一* 留9 ) 扣訾k 侧扣训一面c f o n 】 泣2 s ， 式中 妒。t g 一1 譬；口为一个电流脉波的导通角。 当阻抗角妒已知时，对于不同的控制角a 可用数值求解法求出一族电流断续机 械特性。这样的求解计算到8 t 詈z 为止，因为8 再大电流便连续了。对应于8 - 专万 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。 o 、丹界线 叠d秩志 陵 、 闼 。 逆变状态 口增大 图2 7v - m 系统机械特性 f i g 2 7 c h a r a c t e r i s t i co f v - ms y s l e m 图2 7 绘出了晶闸管电动机系统完整的机械特性，其中包含了整流状态和逆 变状态、连续区和断续区。由图2 7 可见，当电流连续时，特性比较硬：断续段特 性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。一般分析调速系统时， 基丁p l c 控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计 只要主电路电感足够大，可以近似地只考虑连续段，即用连续段特性及其延长线 ( 图2 7 中用虚线表示) 作为系统的特性。 2 3 3 晶闸管的可靠触发 触发电路产生触发脉冲时晶闸管导通的必要条件之一，因此其性能的好坏， 直接影响晶闸管整流装置的正常工作。晶闸管的触发电路很多，对它们的共同要 求是准确和可靠，因此必须满足下述具体要求：1 2 9 1 1 3 0 l 1 在交流电源系统中，触发脉冲应与晶闸管主电路的电源同步，即触发信号 与交流电源具有相同的重复频率，并保持固定的相位关系。 2 触发信号应能在一定范围内移相，不同的主电路要求的移相范围也不同。 如三相桥式全控线路，大电感性负载时，若只要求整流时，移相范围为0 0 9 0 。； 既要整流又要逆变，则移相范围为o 。一1 8 0 0 。 3 为了能准确、快速、可靠的触发晶闸管，对触发脉冲的波形( 幅度、宽度、 前沿) 都有一定的要求，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管控制极的触发电压 和电流；在三相交流系统系统中，要求三相的触发脉冲堆成。 对于三相桥式全控整流电路，习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺 序是s c r l s c r 2 一s c r 3 一s c r 4 一s c r 5 s c r 6 ，因此晶闸管是这样编号的：s c r l 和 s c 凡接a 相，s c r 3 和s c r 6 接b 相，s c r 5 和s c r 2 接c 相。s c r l 、s c r j 、s c r s 组成共阴极， s c r 2 、s c r 4 、s c r 6 组成共阳极，每隔6 0 。有一管换相。1 3 1 1 1 3 2 1 为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，或者由于电 流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此 可以采取两种方法：一种是使每个触发脉冲的宽度大于6 0 。( 一般取8 0 。1 0 0 。) ， 称宽脉冲触发：另一种是在触发某一号晶闸管的同时给i ；i 一号晶闸管补发一个脉 冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于6 0 。的宽脉冲，称双脉冲触发。【3 3 】双脉冲触 发比较复杂，但它可减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。用 宽脉冲触发，虽然脉冲次数少一半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁心体积要做 得大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡( 这对多个晶闸 管串并联时很不利) ，增加去磁绕组可以改善这一情况，但又使装置复杂化，故通 常多采用双脉冲触发。1 2 5 1 1 刈 2 3 4 晶闸管的保护 第2 章大功率直流电机调速系统 晶闸管元件有很多优点，但其过载能力差，很短时间的过电压、过电流都会 将元件损坏。所以使用时，除了合理选择晶闸管元件外，应特别重视其保护环节， 采取合理的保护措施。保护措施主要包括过电流保护、过电压保护以及对电流上 升率、电压上升率的限制。目前采用的保护方法及保护元件如下：1 2 5 1 1 3 4 j f 明 1 过电流保护 在晶闸管整流电路中，产生过电流原因一般有三种情况：由于工艺和设备上 的故障，使电动机的电流超过正常数值数倍，即过负载，如不采取限制措施，就 会烧坏晶闸管；还有直流侧的短路，即直流负载( 电动机电枢) 产生了短路电流； 最为严重的是由于晶闸管元件击穿或烧坏，造成阳极和阴极的短路，结果引起交 流电源的短路。 对于一般的过负载，常用电流调节器或电流截止环节以便自动限流。如发生 直流侧短路等故障时，应当封锁触发器的脉冲或把脉冲快速后移。 有时候考虑到上述自动保护有失灵的可能，但又不希望快速熔断丝烧断，则 可在直流回路中装上快速自动开关( 大容量用) 或过电流继电器( 小容量用)