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    电动消防车不可逆调速系统的结构原理介绍

      发表时间2019-04-21 13:55  点击次数:【】


    (一)电动消防车开环、调速糸统
    最简单的直流电动机不可逆调速系统是开环调速系统。直流电机的励磁采用单独整流桥 供电,以保持基本恒定的磁通,电枢由可控整流器供电,如图1. 8所示。
    电动消防车不可逆调速系统的结构原理介绍
    调节可控整流器的移相角?改变它的输出电压仏就可以实现电机的调压调速。但是从图 1. 7所示的晶闸管供电直流电机机械特性可见,在移相角a保持恒定的条件下,随着负载的改 变电机的转速有明显的变化,特别是在负载较轻、电流出现断续时转速的变化更大。这样的调 速系统无调速精度可言,只能用于调速要求不高的场合。
    (二)电动消防车速度闭环调速糸蜣
    为了保证调速的精度,一般须采用速度负反馈的办法形成所谓速度闭环控制系统。图1. 9 系统中速度给定信号%与实际速度反馈信号⑽相比较,将它们的差额经放大以后去控制整 流桥的输出电压,使系统向消除差额的方向调节,最终使实际转速等于给定值。
    仅有速度负反馈的调速系统在速度给定发生突变时,整流桥的输出电压变化很大,可能会 引起电机电枢电流剧增,使晶闸管损坏。此时,电流的急剧变化也会导致直流电机换向恶化,并 引起电机转矩的剧变,对传动系统产生猛烈的冲击,这是不允许的。这都是因为这类系统只对 转速实现了控制而没有实现电流的控制。为此,在调速系统中还必须采取限制电流冲击的措 施,即再加人电流反馈闭环以构成所谓转速、电流双闭环调速系统的控制方案。
    (三)电动消防车速度、电流双闭环调速糸坑
    图1.10所示为典型的晶闸管供电直流电动机双闭环不可逆调速系统的结构框图。双闭环 调速系统中包括两个反馈控制闭环,其内环是电流控制环,外环是速度控制环。电流环由PI型 电流调节器LT,晶闸管移相触发器CF,晶闸管整流器和电动机电枢回路所组成。电流调节器 的给定信号^与电机电枢电流反馈信号^相比较,其差值Am送入电流调节器。调节器的输 出为移相电压^,通过移相触发器去控制整流桥的输出电压仏,在这个电压的作用下电机的 电流及转矩将相应地发生变化。电流反馈信号可能通过直流互感器或霍尔电流传感器取自电 枢回路直流,也可以用交流互感器取自整流桥的交流输人电流,然后经整流而得。由于交流互 感器结构比较简单,后一电流传感方式应用较多。
    电流调节的过程是这样的实现的:当电流调节器的给定信号认大于电流反馈信号⑽时, 经过调节器控制整流桥的移相角a,使整流输出电压升高,电枢电流增大;反之,当给定信号认 小于电流反馈信号时,使整流桥输出电压降低,电流减小,力图使电枢电流与电流给定值相等。
    速度环中速度调节器ST也是一个PI型调节器,它的一个输入端送人速度给定信号^,由 它规定电机运行的速度;另一端送人来自与电机同轴的测速发电机TG的速度反馈信号⑽,两 者之差△仏输入到速度调节器,经W调节后的输出信号队则作为电流给定信号输入送到电流 调节器,通过前面所讲的电流调节环的控制作用调节电机的电枢电流和转矩7%使电机转速 发生变化,最后达到给定转速。
    电动消防车调速系统中采用比例一积分型(PI)调节器可使被控制量获得静态无差和快速动态调节
    的控制效果。能实现静态无差调节是因为调节器中的积分运算具有记忆功能,对输入偏差初次 为零时刻的系统状态保持有“记忆”。这样,当调节器输人输出相等、系统达到无差时,调节器的 输出并不为零,其值用以维持调节器输入误差第一次为零吋刻的系统状态,即相应的触发角 «、整流器输出直流电压Ud、电枢电流/(1、电磁转矩r及转速采用这种误差控制机制控制调 节器的输出时,可保证被控制值与指令的严格相等。
    pi调节器的快速动态响应得益于调节器采取限幅输出的结果。这既从安全角度约束了被 控制量的数值范围,也保证了系统能以最大限幅值实现相应被控制量的快速调节。
    值得注意的是一旦调节器进入饱和限幅输出时,pi调节器将蜕变为一简单限幅器,失去 pi调节功能,相应闭环系统也将蜕变成幵环系统。
    双闭环调速系统连接上的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电动机 的电流和转矩。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时地控制电机的转 矩,使在速度差值比较大吋电机转矩大,速度变化快,以便尽快地把电机转速拉向给定值,实现 调速过程的快速性;而当转速接近给定值时又能使电机的转矩自动减小,避免过大超调,使转 速很快达到给定,做到静态无差。
    此外,由于电流环的等效时间常数一般比较小,当系统受到外来干扰时它能比较迅速地作 出响应,抑制干扰的影响,提高系统运行的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统有以速度调 节器的输出作为电流调节的输人给定值的特点,速度调节器的输出限幅值也就限定了电枢电 流,对过载能力比较低的晶闸管元件能起到有效的保护作用。因此双闭环系统在现代交、直流 电机调速系统中得到极广泛的应用。
    双闭环调速系统的丁作过程可以直流电动机 的起动过程为例具体说明。
    图1.11示出了双闭环调速系统起动吋的过 渡过程。图中(1)为开始起动阶段,在速度调节器 的输入端突然加上给定电压%时,由于电机还没 有转动,速度反馈电压W = 〇,这样速度调节器 ST中输入信号和反馈信号的差值^%相当大,经 调节器放大后,其输出将达到调节器的输出饱和 限幅值。因此ST蜕化成限幅器,实为速度幵环控
    制。ST的饱和输出值也就是电流调节器的最大输入信号,由于此时电流刚由零幵始增长,电流 反馈值远小于指令值,LT也饱和输出,蜕化为限幅器,失去PI调节功能,电流也实为开环控 制,使晶闸管整流桥的移相角《前移,整流输出电压增加,电枢电流就急剧上升,电机转矩r也 随之迅速增大,于是电机就很快起动起来。因此就起动阶段而言,调速系统实为双开环系统。由 于电枢回路参数经调节器适当校正后其等效时间常数比较小,电枢电流的增长很快就会达到 速度调节器输出所限定数值4^,于是就进入第(2)阶段——加速阶段。
    在加速阶段由于电枢电流已达到了限定值(通常就是电枢回路和晶闸管所允许的最 大电流),电流反馈信号与速度调节器的输出限幅值(电流调节器输入信号)相平衡,使整流桥 的移相角a保持在某一数值上。随着转速的升高,电机的反电势将增大,受其影响电枢电流可 能要下降。但只要A有所下降,电流反馈信号也将变小,电流调节器的输人信号差额“就会 增加,它的输出队也将随之上升,通过它对整流桥移相角的控制,使电枢电流又回到上。 这种电枢电流保持在最大值的动态过程一直要继续到电机的转速接近给定值时为止,然后转 入第(3)阶段。在第(2)阶段由于实际转速一直小于速度给定值,速度调节器始终处在饱和输 出状态,速度实为幵环控制。系统中实际上只有电流调节器在起作用,仅实现了电流的闭环控 制,动态地保持电流为最大值,从而使电机始终以最大转矩加速,转速直线上升。
    当电机转速达给定值时起就幵始进人第(3)阶段,这个阶段的特点是调速系统真正实现 了转速、电流的双闭环控制。这吋电机的转速达到并因惯性而超过了速度给定值,使速度反馈 电压w > 14,速度调节器的输出认,将退出饱和,实现速度的PI调节。退出限幅值后的认•作为 电流调节器的给定值将使电枢电流下降,随之电机的转矩也将下降。当它变得小于负载转矩 7Y吋,电机就会减速,有利重新回到速度给定值。当速度反馈值达到给定值吋刻调节器的输入 为零,即△仏=〇。由于一般都采用比例积分调节器,通过调节器的积分作用,虽其输入端信号 之差为零,但它的输出仏和队都并不是零,这就能使整流桥的A仏、/丨保持在一定的数值,以
    维持电机稳定地运行在由给定信号所规定的转速下。至此起动过程结束。
    双闭环调速系统对突加负载的反应过程可以用 来说明系统的抗干扰能力,如图1.12所示。
    假如负载突然增加,电机转速就要下降,于是速 度反馈电压⑽将小于给定电压&,在速度调节器的 输人端将出现正的偏差电压,经过调节器的作用将 使电流调节器的给定电流增大,整流桥的移相角a前 移,/I增加,电机电磁转矩增大。当71时电机转 速就又回升,使如,接近于原来的给定值%。由于速 度调节器是比例积分调节器,即使它的输人信号又 趋于平衡,但只要在调节过程中给定电压%和反馈 电压w之间一度出现偏差,经过积分它就会改变调 节器的输出,使电机的电流和转矩有所变化。一般经 过一、二次调整、振荡,最后能在n的条件下重 新达到平衡。
    某些机械,如挖土机等在运行过程中可能遇到特大的阻力,电机的转速会急剧下降,甚至
    堵转。这时
    电动消防车速度调节器的给定信号和反馈信号之间将出现很大的偏差,速度调节器将进人饱和 输出状态。通过电流调节器的作用,又使电机的电流和转矩达到最大限幅值和。如外 界阻力转矩大于,则电机就停止不转,进入所谓堵转状态。电机的堵转电流和起动电流一 样是由速度调节器的限值幅值所整定的,如该值整定适宜,可以对电机和晶闸管元件起到有效 的限流保护作用。
    双闭环pi型调速系统结构简单,设计和调试方便,具有良好的静态及动态特性,是一种得 到广泛下程应用的调速系统控制结构。唯一不足是转速有超调,抗干扰性能的进一步提高也受 到限制。对于某些高要求的应用场合必须加以改进,此时可在双闭环的pi型速度调节器上增 设速度微分负反馈功能,构成了带微分负反馈的pid型速度调节器,其电路结构如图1.13所 示。它是在原pi调节器的速度反馈输人端并联微分电容a,和滤波电阻a,,构成,使速度负反 馈信号再迭加了一个带滤波的速度微分负反馈信号。
    在转速调节过程中,速度负反馈和速 度微分负反馈信号同时与速度给定信号 相平衡,可使调节过程比普通PI型双闭环 系统更早地达到平衡和退出饱和。图1.14 比较了两种调节器系统在电动机起动过 程中的速度响应特性,可以看出,对于普 通PI型双闭环系统4时刻转速n已达到 给定值,点),速度调节器开始退出 饱和,其后转速势必出现超调。而带速度 微分负反馈的PID系统能预感转速的上 升趋势,将退出饱和点的时刻提前到r
    点,所对应的转速^比/小,提前进入了线性闭环系统的丁作状态,可使电机电流大于负载 电流(/(1 > h )时转速仍能继续上升,有可能在无超调的条件下趋于稳定。

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