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晶閘管脈沖調(diào)速
起重機(jī)
- 摘要：由于轉(zhuǎn)子晶閘管脈沖調(diào)速具有調(diào)速范圍寬（一般可達(dá)10~15：1），速度波動(dòng)小（一般不大于5%）的優(yōu)勢(shì)，在起重機(jī)電氣系統(tǒng)無(wú)論起升機(jī)構(gòu)，平移機(jī)構(gòu)調(diào)速應(yīng)用，已經(jīng)取得良好使用效果，以下是轉(zhuǎn)子晶閘管脈沖調(diào)速在起重機(jī)起升和平移機(jī)構(gòu)中的調(diào)速應(yīng)用分析，供起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)同行參考。
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?一、調(diào)速基本原理
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轉(zhuǎn)子晶閘管脈沖調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的主電路如圖-1所示。在交流繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，串接電阻和兩個(gè)雙向晶閘管。當(dāng)晶閘管V11和V12導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)子串電阻的特性上，輸出電動(dòng)力矩。當(dāng)晶閘管V11和V12關(guān)斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)路，沒(méi)有力矩輸出。人為的控制晶閘管快速導(dǎo)通和關(guān)斷，可以使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在某一特定的速度區(qū)域間。
有主令控制器給出某檔速度的指令。
阻性負(fù)載（平移、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和起升、變幅的上升運(yùn)動(dòng)）：當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度小于給定速度時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，機(jī)構(gòu)在電動(dòng)力矩作用下加速。待速度超過(guò)給定速度很小值時(shí)，晶閘管關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)沒(méi)有力矩輸出，機(jī)構(gòu)在負(fù)載力矩（阻力矩）作用下減速。待速度低于給定值很小值時(shí)，晶閘管又導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)又輸出電動(dòng)力矩使機(jī)構(gòu)加速。如此反復(fù)，使晶閘管快速地導(dǎo)通和關(guān)斷，就能保持機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度在給定速度的附近變化。采用電子技術(shù)，進(jìn)行速度閉環(huán)控制，可以做到頻繁快速轉(zhuǎn)換，使機(jī)構(gòu)的速度脈動(dòng)很小，人眼感覺(jué)不到速度的變化。
位能負(fù)載（起升、變幅的下降運(yùn)動(dòng)）：下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)接通上升電源，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在倒拉反轉(zhuǎn)特性上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度小于給定速度時(shí)，晶閘管關(guān)斷，機(jī)構(gòu)在負(fù)載作用下加速。檔速度大于給定速度時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩作用下減速。當(dāng)速度再小于給定速度時(shí)，晶閘管又關(guān)斷，重復(fù)上述工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)下降慢速度運(yùn)行。
通常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子電壓等反饋形式作為閉環(huán)控制。前者常用于起升機(jī)構(gòu)，后者常用于平移機(jī)構(gòu)。
圖-1：轉(zhuǎn)子晶閘管脈沖調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化主電路圖
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二、脈沖調(diào)速控制介紹
1、 起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制
起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理框圖如圖-2所示。
圖-2：起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理框圖
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? 起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制有電源、給定、積分、速度反饋、速度和給定比較、觸發(fā)及空鉤邏輯判斷等環(huán)節(jié)組成。
給定環(huán)節(jié)確定各檔的速度，其中R505 R506 R507分別確定上升1、2、3檔的速度。R501 R502 R503分別確定下降1、2、3檔的速度。R504確定回零反接制動(dòng)力矩的大小。
積分環(huán)節(jié)對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行積分處理，使調(diào)速換擋時(shí)比較平穩(wěn)。R509、R510分別確定增速和減速的積分時(shí)間常數(shù)。
速度反饋環(huán)節(jié)是把來(lái)自測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓信號(hào)、經(jīng)過(guò)整形、變換后送入速度比較環(huán)節(jié)，其中R515確定速度反饋量的大小。
在速度和給定比較環(huán)節(jié)中，經(jīng)過(guò)積分的給定信號(hào)與速度反饋信號(hào)比較后發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)去控制觸發(fā)器。
觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)雙向晶閘管，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
還有一個(gè)比較特殊的環(huán)節(jié)，即空鉤邏輯判斷環(huán)節(jié)，在調(diào)速下降時(shí)，當(dāng)負(fù)載重量不能是電動(dòng)機(jī)加速到規(guī)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，空鉤邏輯判斷環(huán)節(jié)將延時(shí)動(dòng)作，使得繼電器J9吸和，從而使K11斷電，K21吸和。同時(shí)發(fā)出間斷的觸發(fā)信號(hào)使雙向晶閘管斷續(xù)導(dǎo)通，這樣就控制電動(dòng)機(jī)在空鉤狀態(tài)下強(qiáng)迫下放。當(dāng)速度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，再重新回到倒拉反接制動(dòng)調(diào)速狀態(tài)。其中R511、R512、R513分別調(diào)整控購(gòu)邏輯判斷環(huán)節(jié)的動(dòng)作值和延時(shí)時(shí)間。R514確定強(qiáng)迫下放時(shí)電動(dòng)機(jī)力矩的大小
2、 平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制
平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理框圖如圖-3所示。
圖-3：平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理框圖
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? 平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理適用于控制平移機(jī)構(gòu)的脈沖調(diào)速。有控制1臺(tái)、2臺(tái)和4臺(tái)電動(dòng)機(jī)之分。它們的控制原理基本相同，只是使用的元件數(shù)量有所不同。下面以控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制原理介紹。
平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制有電源、給定、積分、速度反饋、速度與給定比較、觸發(fā)以及零速度檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。
給定環(huán)節(jié)確定各檔的速度，其中R501 R502 R503 R504分別確定1、2、3、4檔的速度，R505確定回零制動(dòng)力矩的大小。
積分環(huán)節(jié)對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行積分處理，使調(diào)速換擋速度比較平穩(wěn)。R506、R507分別確定增速和減速的積分時(shí)間常數(shù)。
速度反饋環(huán)節(jié)是把來(lái)自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)變壓器降壓隔離后在經(jīng)過(guò)整形、變換后送入速度比較環(huán)節(jié)。其中R508確定速度反饋量的大小。
在速度比較環(huán)節(jié)中，經(jīng)過(guò)積分的給定信號(hào)與速度反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)比較后發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)去控制觸發(fā)器，觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)雙向晶閘管，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
零速檢測(cè)環(huán)節(jié)。當(dāng)主令控制器回零時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度大于0.05額定轉(zhuǎn)速，則繼電器J9吸和，系統(tǒng)開(kāi)始反接制動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度小于0.05額定轉(zhuǎn)速，則繼電器J9斷電釋放，結(jié)束反接制動(dòng)，主接觸器斷電，制動(dòng)器抱閘，使機(jī)構(gòu)平穩(wěn)停止。
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?三、起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖
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起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖如圖-4、5所示。
電路特點(diǎn)：
1、主令控制器檔位：4-0-4，可逆不對(duì)稱電路
2、轉(zhuǎn)自電阻為4級(jí)可切除電阻和1級(jí)常串電阻，一共5段電阻。
3、上升和下降的1、2、3檔為調(diào)速當(dāng)，第四檔為高速擋。
4、 K11、K21是電動(dòng)機(jī)定子接觸器，上升時(shí)，1、2、3、4檔K11始終吸和，下降時(shí)1、2、3檔仍然是K11吸和，只有在下降4檔，K21才吸和。另外下降的1、2、3檔，當(dāng)控購(gòu)邏輯判斷環(huán)節(jié)判斷出空鉤不能下降時(shí)，K21也間斷吸和。
5、 K44接觸器上升吸和時(shí)，短接掉一段轉(zhuǎn)子外接電阻。K43、K42、K41接觸器在上升第四檔時(shí)，按照時(shí)間原則逐級(jí)短接，在上升3、4檔間有兩條過(guò)度特性。下降1、2、3當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)子串接全部電阻，在下降第四檔時(shí)，K44、K43、K42、K41按照時(shí)間原則逐級(jí)切除，在下降3、4檔間有三條過(guò)度特性。
6、K45接觸器在晶閘管電路有故障時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)F32后就可吸和，此時(shí)，電路進(jìn)入有電阻器啟動(dòng)的不調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。
7、RV1、RV2是壓敏電阻，起著保護(hù)雙向晶閘管VT1、VT2的作用。F51是欠壓繼電器，作為主電路的失壓保護(hù)。F21、F22是過(guò)流繼電器，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，其整定值為電動(dòng)機(jī)定子電流的2.25倍。
8、S91為旋轉(zhuǎn)式多回路限位開(kāi)關(guān)，第一個(gè)觸頭11-12用作上升第二級(jí)保護(hù)；第二個(gè)觸頭21-22用作上升第一級(jí)保護(hù)；第三個(gè)觸頭31-32用作下降限位保護(hù)；第四個(gè)觸頭41-42用作上升預(yù)限位，第五個(gè)觸頭51-52用作下降預(yù)限位。當(dāng)負(fù)載達(dá)到預(yù)限位位置時(shí)，系統(tǒng)以上升（或下降）第一檔的慢速度繼續(xù)上升（或下降）。
9、 主電路用斷路器做隔離開(kāi)關(guān)，并具有短路保護(hù)功能。制動(dòng)器、調(diào)速控制器以及整個(gè)控制電路均用斷路器做短路保護(hù)。還具有失壓和控制零位連鎖保護(hù)。
圖-4：起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖
圖-5：起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖
圖-6：起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制PLC原理流程圖
平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖如圖-7、8所示。
電路特點(diǎn)：
1、 主令控制器的檔位：4-0-4，對(duì)稱可逆電路；
2、 轉(zhuǎn)子電阻為3級(jí)可切除電阻和1級(jí)常串電阻，共4段電阻；
3、 1、2、3檔為調(diào)速檔，第四檔為高速擋；
4、 K11、K21是電動(dòng)機(jī)定子接觸器。正向時(shí)，K11吸和，反向時(shí)，K21吸和。K71是制動(dòng)器接觸器；
5、 1檔調(diào)速運(yùn)行時(shí)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路任何接觸器均不吸和。2、3檔調(diào)速運(yùn)行時(shí)，只有K431、K432吸和，切除1段電阻。在第4檔高速運(yùn)行時(shí)，首先K421和K422吸和，經(jīng)過(guò)延時(shí)后K411和K412吸和，此時(shí)，切除串級(jí)電阻外均被切除。
6、 當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障或晶閘管元件損壞時(shí)，打開(kāi)F32，K441、K442就可吸和，雙向晶閘管VT11、VT12、VT21、VT22被短接，此時(shí)，電路進(jìn)入由電阻器啟動(dòng)的不調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。
圖-7：平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制原理圖
圖-8：平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制PLC原理流程圖
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四、總結(jié)
1、 轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制調(diào)速范圍寬，最高可到15：1；
2、 轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制調(diào)速速度波動(dòng)率小，一般小于5%，可以使機(jī)構(gòu)調(diào)速平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞小；
3、 轉(zhuǎn)子脈沖調(diào)速控制調(diào)速電路并不復(fù)雜，對(duì)技術(shù)人員維護(hù)要求不很高；
4、 缺點(diǎn)是電路存在一些易損件，如晶閘管、過(guò)流繼電器、欠壓繼電器，需要定期維護(hù)，確保使用性能可靠安全。
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