可控硅—直流電機調速系統的分析

廈門宏發電聲股份有限公司 陳國華

通過對比和比較直流電機跟以往的交流電機，發現它的結構較為復雜，在維修的過程中會遇到更多的困難，不過它的起、制動性能比較優越，而且在調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速系統主要包括的元件有：可控硅、磁放大器以及直流發電機等。在該系統中由于應用到了可控硅，而可控硅能夠更高倍數的將功率放大，并且體積比較小，使用壽命相對較長，具有良好的快速性等，因此直流電機調速系統到目前為止已經在實際的生產生活中得到了廣泛的應用。在某造紙廠中，有機的將可控硅整流器應用到了設備系統當中，有效的實現了平滑的調速過程，而且在自動控制在基礎上，保證了該廠的紙張生產產量，提高了紙張的質量水平。

1.反饋控制系統的簡要概述

在結構上，可以將自動控制系統明確的劃分為開環和閉環控制兩部分。其中開環控制可以說是自動控制系統里最為簡單方便的控制方式，具有以下主要特點：系統的輸出量不會對系統的控制量產生影響，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。

在某些印染設備采用的控制方法就是開環控制，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過程中的轉動速度產生一定的影響，無法進行自動調節。

閉環控制的主要特征有：系統的輸出量會直接對控制量產生一定的影響，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：

閉環控制大多數時候是通過反饋作用實現的，因此通常也把閉環控制成為反饋控制。一般在反饋控制系統里面，如果外界環境對輸出量產生一定影響，那么該系統會按照設計規定的要求自動進行調節。

2.可控硅-直流電機調速系統

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

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進行調整速度，分別是對電樞電壓V進行調節，對磁通φ進行調節，對電阻進行調節等。一般在調速的過程中會同時調整電壓和磁通，到目前為止自動化系統大力推廣利用可控硅電源對電壓和磁通進行有效的調整，以下是幾種比較常見的調速方法：

2.1 采用電壓負反饋的方式進行自動調速

圖1 閉環控制的具體示意圖

圖2 采用電壓負反饋的方式進行自動調速

圖3 采用電流正反饋和電壓負反饋二者相結合的方式進行自動調速

從圖中我們可以看出供給直流電機發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，觸發電路能夠提供系統中所需的控制信號。

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出現下降的現象，轉動速度也會隨之逐漸減慢，Ud4g－4F有升高的情況，在經過放大之后，U持續上升，電機的轉動速度逐漸的趨近于原值，轉動速度逐漸降低。具體的調整過程如下所示：

負載

2.2 采用電流正反饋和電壓負反饋二者相結合的方式進行自動調速

如果電壓負反饋不能有效的進行自動調整轉動速度，那么可以在這種方式的基礎上，采用電流正反饋的方法進行自動調速，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會出現增高現象，并且都會最終導致Ud增加，能夠有效的擴大調正速度的范圍，主要是因為Ufa增加導致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動速度降低。

圖5 速度、電壓、電流三環控制方框圖

圖4 采用轉速負反饋的方式進行自動調速

圖6 飽和非線性狀態曲線

2.3 采用轉速負反饋的方式進行自動調速

在圖4中我們可以看出，電動機的轉動速度和測速發電機具有的電樞電壓呈現正比例的狀態進行增加會減少。如果電機受到的負載逐漸增加，那么測速發電機的電樞電流Ia也會增加，導致電動機的轉動速度減慢，測速發電機的UCF相應的降低，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。具體的調節過程如下所示：

負載

3.模擬控制靜動態參數和數字之間的分析對比

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，關于閉環系統，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，在控制作用的基礎上，使輸出量根據新參考輸入值趨于穩定，也有時候會慢慢恢復到以前的數值后在形成新平衡，可是因為系統的慣性作用以及儲能元件的存在，無法在短時間內實現新的平衡，需要必要的過程。

在摸擬控制電路設計時，無論是在時域還是頻域考慮，都要求系統首先必須是穩定，對超調量、過渡過程的時間、振蕩次數提出一定要求，再就是系統穩態誤差應滿足?？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系統結構和參數。

3.2 對數字進行的控制

因為這個控制系統屬于非線性系統，因此對其設置的時候，選擇了飽和非線性，像圖6所展示的那樣。因為這個控制系統是通過數碼實現傳遞的，屬于數控系統，能采取差分方程過程的方式來說明這個系統的變化過程。關于非線性系統，其信號并沒有將輸入信號頻率的正弦分量包含在內；從物理角度而言，非線性系統發生振蕩是能夠存在的，可是振幅和初始條件沒有任何關聯，是固定的；不管是系統的參數還是結構都不能對數字控制非線性系統在穩定性方面產生影響；關于非線性系統，輸入信號的實際幅值是影響暫態響應曲線具體形狀的原因之一，主要是由于非線性系統不滿足迭加原理導致的。

PLC對模擬量信號的處理，是將模擬信號變換成數字信號(A/D轉換)。A/D變換精度取決于A/D變換器的位數，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，該系統精度等級足以滿足控制系統要求。且該系統中采用6RA7018整流裝置均以積分方式變換，可使信號尖峰平均化，從而使系統運行平穩、可靠。

本文大概描述了幾種常用的調速系統，在實際的聲場過程中為了能夠將系統的動態和靜態進行適當的調整，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速的調整，如果實際需要還會將上述幾種反饋方式進行有機的結合應用。

[1]李文強,張榮剛.關于直流電機的結構和工作原理分析[J].科協論壇(下半月),2011(06).

[2]龔東方.可控硅整流器的調試及其對直流電機的影響[J].山西建筑,2004(18).

[3]黃俊,王兆安.電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社,2006.