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PLC在調(diào)速速系統(tǒng)中應(yīng)用時的主要問題—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)弱電部分檢測系統(tǒng)工作時的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)溫度、晶閘管溫度等信號，根據(jù)檢測到的信號發(fā)出控制信號；強(qiáng)電部分根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，拖動絞刀、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)場的需要。可編程控制器PLC是通用的自動化控制裝置，實(shí)現(xiàn)自動化、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)

為了同時滿足動念性能指標(biāo)和穩(wěn)念性能指標(biāo)，晶閘管一直流電動機(jī)電力拖動系統(tǒng)常常引入電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等反饋量，并設(shè)計(jì)合適的動態(tài)校正裝置，來滿足不同負(fù)載對系統(tǒng)的要求。在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(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，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器ACR不會達(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，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，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)行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運(yùn)行停止時定位精度等。對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：

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）或平滑地（無級）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，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2.3加、減速

頻繁起、制動的設(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對直流電動機(jī)的要求

（1）直流電動機(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，所以要求電動機(jī)及控制結(jié)構(gòu)緊湊。

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

（3）直流電動機(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）直流電動機(jī)需要經(jīng)常啟動、過載、制動以及在磁場削弱條件下高速運(yùn)行，換向條件差，因此電動機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，必須對換向問題特別注意，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檢測電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了晶閘管直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)的調(diào)速功能，以及電流、電壓、溫度等反饋信號的檢測，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與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(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很小的直流電流，減少電動機(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。可以在PLC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)離動力線，兩者之間的距離應(yīng)大于200mm。與PLC裝在同一個開關(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。要深入研究整個直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，里面所涉及的工作量和研究內(nèi)容是相當(dāng)豐富的。由于作者的研究時間和研究水平的限制，會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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