热收缩包装机调速电路分析.doc

热收缩包装机电气闭环调速系统工作原理分析热收缩包装机电气闭环调速系统工作原理分析 摘要 本文介绍了一款国产热收缩包装机电气闭环调速系统的工作原理，该设备使用220V单相交流电源，通过可控硅交流调压，对单相电容电机进行控制，实现调速运行的目的，与变频调速系统相比较投资少，有其优越的性能价格比。关键词 单相交流电容启动电动机 运算放大器 调节电位器 三极管 单结晶体管 硅桥 可控硅 反馈我单位用于药品包装的热收缩包装机其中一款由福建机械科学研究院研制生产，其电气闭环调速系统很有特点，现分析如下：由于工艺的需要，热收缩包装机有一传送带需要电机调速运行，这一电气调速系统采用的是220伏单相交流电容启动电动机驱动。利用交流调压的工作方式来调节电动机的转速，并以永磁式测速电机检测转速的反馈信号形成闭环调速系统。该系统由以下几个环节构成：1 单相电容启动电动机交流调压环节：这一环节由以下元器件组成：11 单相电容启动电动机：单相电容启动电动机又称为电容分相式异步电动机。在它的定子中放一个起动绕组B，它与工作绕组A在空间相隔90。绕组B与电容器C2串联，由于电容移相的作用，使两个绕组中的电流在相位上近于相差90，这就是分相。这样，在空间相差90的两个绕组，分别通入在相位上相差90。(或接近90。)的两相电流，就能产生旋转磁场。两相电流所产生的合成磁场也是在空间旋转的。在旋转磁场的作用下，电动机的转子就转动起来了。12 硅桥D1：硅桥其内部由4个整流二极管正负首尾串连而成，在交流电的正负半周两两交替导通，实现整流的过程。13 可控硅T3:可控硅是由PNPN四层半导体构成，它中间形成三个PN结：由最外层的P1、N2分别引出两个电极，成为阳极A和阴极K,由中间的P2引出控制极G。如果控制极不加电压，由阳极到阴极加正向电压时，有一个反向的PN结阻挡；反向加电压时，有两个反向的PN结阻挡，所以两个方向都不通，相当于一个开关在断开状态。如果当阳极加正向电压的同时，在控制极上也加一个正向电压，可控硅就变成导通状态，相当于一个开关在闭合状态，这时，可控硅两端压降很小，外加电压几乎全部降落在与可控硅串联的负载上，所以说可控硅就相当于一个反方向阻断，而正方向的导通是可以控制的单方向导电的开关。与一般的二极管相比，二极管只有一个PN结，它的单方向导电特性是不能控制的。而与晶体管有两个PN结相比，可控硅并不具有阳极电流随控制极电流按比例增大的作用。可控硅只是在控制极电流增大到某一定数值时(大约几个毫安到一、二百毫安不等)才实现阳极到阴极之间由阻断到导通的突变。可控硅导通后，可以通过几安至数百安的电流，并且一旦导通后，控制极已不再起控制作用，不论控制极有没有电压，它将保持继续导通，直到通过的电流减小到某一较小的数值，或再加上反向电压时，才恢复阻断状态。在这里，硅桥D1与可控硅T3构成交流调压回路。可控硅T3作为电子开关，在硅桥整流的正负半周内各自导通一次。电源由50赫兹单相交流220伏提供，作为交流负载的单相电容电动机上就得到非正弦的交流调节电压，对可控T3的导通角进行控制，就可以调节单相电容电动机上非正弦交流电压的大小，这就是交流调压。2 由三极管和单结晶体管组成的触发环节既然交流调压需要可控硅T3在交流电的正负半周各自导通一次，就需要在可控硅控制极上加触发脉冲，从图中可以看出，这一触发电路是由三极管T1、单结晶体管T2及电容C1、电阻R1、R2、R3、组成的。接通电源前，电容C1上电压为零，接通电源后，电容C1经由R5、C1充电而电压逐渐升高，当UC达到峰点电压时，单结晶体管T2的e-b1间变成导通，电容C1上的电压经e-b1而向电阻R2、R3放电，在R3上输出一个脉冲电压，由于R5加上T1的Rce阻值较大，当电容C1上的电压降到谷点电压时，经由三极管T1供给的电流，不能满足T2导通的要求，于是e-b1之间电阻迅速增大，单结晶体管T2恢复阻断状态。此后，电容C1又重新充电重复上述过程，结果在电容C1上形成锯齿状电压,在R3上则形成导通可控硅的脉冲电压。这就是单结晶体管自震荡（又称张弛震荡）电路组成的可控硅触发环节。改变三极管T1的导通程度，就可以改变电容C1充电的快慢，即改变锯齿波的震荡频率，用以改变可控硅的导通角，进而控制电动机上交流电压的大小。图中R5尚有减小电容C1充电电流的作用而能使单结晶体管T2的e-b1间可靠阻断。于是，本触发电路控制可控硅的导通角即由三极管T1的导通程度而决定。3.调节器、比较及反馈环节在本调速系统中，为了提高调速精度，减少静态转速降落以及改善系统的动特性，采用了集成运算放大器，集成运算放大器简称集成运放，是一种单片集成的高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的直接耦合式多级放大器，集成运放的输入级通常采用恒流的差动放大器，用以取得差动输入，并具有差动单端信号转换功能，它决定着集成运放的电压增益、输入阻抗及共模抑制比等性能。中间级通常采用由达林顿晶体管组成的单端共射极电压放大器，以提高集成运放的电压增益，并起到直流电平位移的作用。输出级通常采用AB类互补对称功率放大器，提供输出功率以提高集成运放的负载能力。电流源电路提供集成运放各部分电路的直流偏置，并作为有源负载使用，随着半导体集成工艺的发展及电路设计方法的变革，集成运算放大器的性能得到了改进和完善，并设计制造出性能及指标有所侧重的多种专用型集成运放，本系统所用的集成运放型号为：A741，是一种通用型集成运放，其主要参数的通用性比较强，应用灵活，价格便宜，基本上能兼顾到各方面的要求。具有高增益，在一般场合得到广泛应用。A741为单运放，系双列直插型8引脚集成电路，各引脚功能如下：（1）：失调调零端、（2）：反相输入端、（3）：同相输入端、（4）：地、（5）：失调调零端、（6）：输出端、（7）：U+、（8）：选通端运算放大器常在其输出端和输入端之间接入不同阻抗网络的负反馈用来实现信号的组合和运算，通常称之为“调节器”，这是因为它能对输入信号进行某种运算，使输出量按一定规律变化的缘故。本例就是由A741构成调节器，其2脚与6脚间接入由R7、R8、C3组成的负反馈回路。该调节器的电压输出由两个部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分，当输入电压加上时，在开始的瞬间电容C3相当于短路状态，等于反馈回路中只有电阻R7的情况，此时相当于比例调节，输出一个阶跃的电压信号，因而调节速度较快。随着电容C3被充电，输出量就开始积分，不断上升。也就是说，调节器能实现比例和积分的两种调节功能，故称为比例积分(PI)调节器。对于输入信号进行比例积分调节的方法，在可控硅自动调速系统中是经常采用的。因为这种调节作用既能提高系统的静态精度，又能提高系统的稳定性和改善系统的动态品质。但本系统电路中有一电阻R8与电容C3并联，形成近似积分环节，R8起到一个校正作用，避免系统产生震荡，有利于转速的稳定。 比较和反馈环节是这样构成的：硅桥D2对由F1、F2引入的测速反馈交流信号进行整流，送到运算放大器A741的反向输入端2脚。这里的F1、F2、是永磁式测速发电机的信号输出端，该测速机与单相电容电动机在机械上同轴连接。于是在电路上，硅桥D2与调节电位器DW及R9形成环路，成为系统的比较和反馈环节。4以下从两方面分析该闭环调速系统的调节原理：41电机转速调节：IC1运算放大器A741和调节电位器DW，及三极管T1，单结晶体管T2及电阻R1,R2,R3形成移相触发器，由移相触发器控制可控硅T3实现交流调压的工作原理可知，三极管T1的基极电压越低，相应电机转速越低。从调节电位器的角度来看，因DW的中点电压取自反馈硅桥D2的输出经二极管T6稳压的回路之中，所以DW电位器中点越调向本图上方，加在运算放大器反相输入端2脚的电压越高，相应6脚电压越低，经移相触发器控制电机转速越慢，反之电机转速越快。42其闭环稳定的控制调节过程是这样的：假设由外界干扰造成电动机转速下降测速机反馈电压下降硅桥D2输