機電傳動與控制第2版主講人：第七章機電傳動控制系統(tǒng)主講人：第一節(jié)機電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類機電傳動控制系統(tǒng)是以電動機為控制對象,對生產(chǎn)機械按工藝要求進行控制的系統(tǒng)。機電傳動控制系統(tǒng)從硬件上講可以包括電動機、控制電器、檢測元件、功率半導體器件和微電子器件等,還可能包含微型計算機。一個大型的機電傳動控制系統(tǒng)可能需要控制多臺電動機,往往采用多層微型計算機進行控制。機電傳動控制系統(tǒng)是以實現(xiàn)一種預定的自動控制功能為目的,以滿足生產(chǎn)工藝和過程的要求,并達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標。因此,這類系統(tǒng)總是整個生產(chǎn)設(shè)備中的重要組成部分之一,它的性能和質(zhì)量將在很大程度上影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和工人勞動條件。機電傳動控制系統(tǒng)從組成原理上可以分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。在一般的開環(huán)控制的傳動系統(tǒng)中,盡管系統(tǒng)輸入的控制信號保持不變,但在某種擾動作用下,會使輸出量偏離給定值。圖7-1所示為一個由晶閘管變流器、電動機和工作機械組成的機電傳動開環(huán)控制系統(tǒng),其中工作機械包含傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。通常情況下,這種系統(tǒng)的輸出量是工作機械中執(zhí)行機構(gòu)的速度或位移,當電動機與工作機械剛性連接時,它們分別對應于電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。根據(jù)工作機械的需要,在一些系統(tǒng)中除了控制輸出量以外,可能還需要控制系統(tǒng)內(nèi)部的其他變量,如直流電動機的電樞電流或交流電動機的定子電流、變流器電壓或頻率等。圖7-1所示的系統(tǒng)中晶閘管變流器向電動機供電并控制它的運行狀態(tài),從而可以控制工作機械和相應的工藝過程。當電網(wǎng)電壓波動、負載轉(zhuǎn)矩變化等擾動作用于變流器、電動機和工作機械時,會導致系統(tǒng)輸出量偏離給定值。該系統(tǒng)在擾動作用下的靜態(tài)和動態(tài)特性將由變流器、電動機和工作機械的特性決定。圖7-1機電傳動開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖7-2所示的閉環(huán)系統(tǒng),當輸出量的反饋值偏離給定輸入值時,由于系統(tǒng)輸出量信息反饋到系統(tǒng)輸入端,使得作用到調(diào)節(jié)器的輸入量發(fā)生變化,調(diào)節(jié)器根據(jù)這一信息產(chǎn)生控制信號,作用到變流器,確保系統(tǒng)輸出量變化具有預期的特性。圖7-2機電傳動閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖7-2所示的閉環(huán)系統(tǒng),當輸出量的反饋值偏離給定輸入值時,由于系統(tǒng)輸出量信息反饋到系統(tǒng)輸入端,使得作用到調(diào)節(jié)器的輸入量發(fā)生變化,調(diào)節(jié)器根據(jù)這一信息產(chǎn)生控制信號,作用到變流器,確保系統(tǒng)輸出量變化具有預期的特性。第二節(jié)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定1.繪制電氣原理圖的規(guī)則電氣原理圖只表示電氣線路工作原理以及電氣元件間的相互作用和關(guān)系,并不按照電氣元件的實際位置來繪制,也不反映電氣元件的大小。繪制電氣原理圖時,一般應遵循以下規(guī)則:1)原理圖一般分主電路和輔助電路兩部分畫出:從電源到電動機等大電流通過的電路稱為主電路;輔助電路包括控制電路、信號電路、照明電路及保護電路等。一般主電路畫在左側(cè),輔助電路畫在右側(cè)。2)原理圖中,不畫各電氣元件的實際外形圖,而采用國家規(guī)定的統(tǒng)一圖形和文字符號標準。3)原理圖中,各電氣元件在電氣控制線路中的位置應根據(jù)便于閱讀的原則安排。同一電氣元件的各部分可以不畫在一起。一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定4)圖中所有電器觸點,都按沒有通電和不受外力作用時的開閉狀態(tài)畫出。對接觸器、繼電器的觸點按吸引線圈未通電狀態(tài)畫,對按鈕、行程開關(guān)的觸點按沒有外力作用時的狀態(tài)畫,對控制器按手柄處于零位時的狀態(tài)畫。5)無論是主電路還是輔助電路,各電氣元件一般應按動作順序從上到下、從左到右依次排列。圖7-3所示為CW6132車床電氣原理圖。一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定圖7-3CW6132車床電氣原理圖一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定為了便于檢索電氣線路和閱圖,通常將電氣原理圖劃分成若干圖區(qū),圖區(qū)的編號在圖的下部。圖的上方設(shè)有用途欄,標明相應圖區(qū)電路的用途和作用。三相交流電源用字符L1、L2、L3標記,經(jīng)電源開關(guān)之后分別用U、V、W和數(shù)字表示?？刂齐娐凡捎冒⒗當?shù)字按由上而下、由左到右順序編號,凡是被線圈、繞組、觸點或電阻、電容等元件所間隔的電路,都應標以不同的標號。2.電氣安裝和接線圖電氣安裝圖表示電氣設(shè)備或元件在機械設(shè)備和電氣控制柜中的安裝位置。各電氣元件的安裝位置由電氣元件的功能和機械設(shè)備的工作要求所決定,如電動機與被拖動的機械部件連在一起,行程開關(guān)應放在能取得信號的位置,操作元件放在操作方便的位置,非執(zhí)行和檢測的電氣元件一般放在電氣柜內(nèi)。圖7-4所示為CW6132車床電氣柜內(nèi)的電氣元件安裝位置圖。一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定電氣接線圖表示各電氣設(shè)備間的實際接線關(guān)系。繪制接線圖時應把各電氣元件的各部分(如觸點和線圈)畫在一起;文字符號、元件連接關(guān)系、線路編號都必須與電氣原理圖一致。圖7-5所示為CW6132車床電氣接線圖。電氣安裝圖和電氣接線圖是電氣安裝接線、檢修和施工用圖。一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定圖7-4CW6132車床電氣元件安裝位置圖一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定圖7-5CW6132車床電氣接線圖一、電氣控制系統(tǒng)圖及有關(guān)規(guī)定3.電氣系統(tǒng)圖中的圖形和文字符號為了表達電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計意圖,便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、使用和檢修,必須采用統(tǒng)一的圖形符號和文字符號來表達。目前,我國已頒布實施的電氣圖形和文字符號的有關(guān)國家.標準二、三相異步電動機全壓起停控制1.直接起動控制電動機從靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程稱為電動機的起動。對異步電動機來說,若直接施加額定電壓給定子繞組起動,稱為直接起動。由于這種方法所用電器少,線路簡單,廣泛用于中、小型異步電動機的起動控制。圖7-3中CW6132車床主軸電動機和冷卻泵電動機都采用了直接起動控制。一般小容量電動機(如小型臺鉆和砂輪機等)可直接用開關(guān)起動,如圖7-6所示;而許多中型設(shè)備(如臥式車床、銑床等)的主軸電動機都采用接觸器直接起動方式,如圖7-7所示。二、三相異步電動機全壓起?？刂茍D7-6用開關(guān)直接起動電路圖7-7用接觸器直接起動電路二、三相異步電動機全壓起?？刂朴媒佑|器直接起動(圖7-7)工作過程如下:合上電源開關(guān)Q,按下起動按鈕SB2,接觸器KM線圈通電,其常開主觸點閉合,電動機M起動運轉(zhuǎn)。由于常開輔助觸點閉合,使SB2松開后KM仍然保持得電。這種將KM的常開輔助觸點并聯(lián)在起動按鈕SB2兩端,使KM繼續(xù)得電的功能,稱為自鎖或自保。按下停止按鈕SB1,KM線圈失電,常開主觸點復位(斷開),M斷電后漸停;與此同時,常開輔助觸點也復位(斷開),使SB1松開后KM也不能得電。圖7-7中的熔斷器FU作短路保護,熱繼電器FR作過載保護,KM自鎖觸點作欠電壓或失電壓保護。欠電壓或失電壓保護是指當電源電壓由于某種原因嚴重不足或失去時,KM電磁吸力急劇下降或消失,銜鐵釋放,其常開主觸點和自鎖觸點斷開,M斷電后漸停;而當電源電壓恢復正常時,M不會自行起動運轉(zhuǎn),避免人身或設(shè)備事故發(fā)生。二、三相異步電動機全壓起?？刂?.點動控制圖7-7中的KM自鎖觸點使電動機在起動后保持連續(xù)運轉(zhuǎn),即所謂長動,從而滿足機械設(shè)備連續(xù)運行的要求。但在許多場合下,機械設(shè)備還需要點動控制。圖7-7中取消KM自鎖觸點而按動SB2就構(gòu)成點動控制:按動按鈕時,電動機運轉(zhuǎn);松開按鈕時,電動機停轉(zhuǎn)。圖7-8b所示為點動控制電路,其工作過程是:合上Q,按下SB,KM線圈通電,電動機M起動;松開SB,KM線圈失電,M停轉(zhuǎn)。在實際生產(chǎn)中,許多機械設(shè)備既需要點動調(diào)整,也需要長動工作。圖7-8c所示為既能點動也能長動的控制電路。當點動控制時,合上Q,按下復合按鈕SB3,其常閉觸點斷開,防止自鎖,常開觸點閉合,KM線圈得電,電動機M起動;當松開SB3時,KM線圈失電,M停轉(zhuǎn)。正常工作時,用長動按鈕SB2起動。長動和點動控制的本質(zhì)區(qū)別是控制電路能否自鎖。二、三相異步電動機全壓起?？刂茍D7-8點動控制電路與點動長動控制電路二、三相異步電動機全壓起?？刂?.多處起?？刂圃诖笮蜕a(chǎn)設(shè)備上,為了操作方便,要求能在多處進行起?？刂?。其方法是將分散在各處的起動按鈕并聯(lián)起來,停止按鈕串聯(lián)起來。圖7-9所示為兩處起?？刂齐娐贰?.順序起停控制對于多電動機驅(qū)動的生產(chǎn)設(shè)備,對電動機經(jīng)常有順序起停的要求。如某些機床主軸電動機必須在液壓泵電動機先起動工作后才能起動。圖7-10所示為液壓泵電動機M2和主軸電動機M1的順序起停控制電路?？刂埔笫荕2起動后M1才能起動,M1停止后M2才能停止。起動時,合上Q,須先按下SB2,KM2線圈得電并自鎖,M2起動運行;再按下SB4,KM1線圈才能得電并自鎖,M1起動運行,且將SB1鎖住,使其不起作用。停止時,只有先按下SB3,KM1線圈失電,M1停轉(zhuǎn);由于與SB1并聯(lián)的KM1常開觸點已復位,再按下SB1時,才能使KM2線圈失電,M2停轉(zhuǎn)。二、三相異步電動機全壓起?？刂茍D7-9兩處起?？刂齐娐穲D7-10兩臺電動機順序起?？刂齐娐啡?、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制1.手動按鈕控制圖7-11所示為用兩個按鈕分別控制兩個接觸器以改變電動機電源相序,實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)控制電路。由圖7-11b可知,當按下SB2時,正轉(zhuǎn)接觸器KM1線圈得電并自鎖,電動機M正轉(zhuǎn)。當按下SB3時,反轉(zhuǎn)接觸器KM2線圈得電并自鎖,M反轉(zhuǎn)。圖7-11b所示控制電路的主要缺陷是:當M正在運轉(zhuǎn)時,若直接按下令其反向的控制按鈕,如M正轉(zhuǎn)時,直接按下反轉(zhuǎn)按鈕SB3時,將使得KM1、KM2線圈同時得電,造成主電路短路。所以,只能先按下停止按鈕SB1,才能按下反轉(zhuǎn)按鈕SB3。圖7-11c將KM1、KM2常閉輔助觸點相互串聯(lián)在對方接觸器線圈中,形成互鎖控制:當KM1線圈得電時,由于KM1常閉輔助觸點斷開,此時,即使按下SB3,KM2線圈也不能得電;同理,當KM2線圈得電時,由于KM2常閉輔助觸點斷開,使KM1線圈也不能得電,從而避免短路現(xiàn)象發(fā)生。三、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制圖7-11d是在圖7-11c的基礎(chǔ)上,將復合按鈕SB2、SB3的常閉觸點互相串聯(lián)在對方接觸器線圈電路中,這就不需要先按動停止按鈕SB1,只要按下SB2或SB3,即可實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)切換。圖7-11按鈕控制的正反轉(zhuǎn)控制電路三、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制2.自動循環(huán)控制生產(chǎn)設(shè)備中如機床的工作臺、自動輸料機構(gòu)等均需要自動往返運動。通常情況下,自動往返是利用行程開關(guān)檢測運動部件的相對位置,并發(fā)出正反向運動切換信號。這種控制稱為行程控制。圖7-12所示為機床工作臺往返運動的示意圖。圖7-12工作臺往返運動示意圖三、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制圖7-13所示為自動循環(huán)的正反向控制電路,其工作過程是:合上Q,按下SB2,接觸器線圈KM1得電并自鎖,電動機M正轉(zhuǎn),工作臺前進。當前進到擋塊壓動SQ2時,其常閉觸點斷開,KM1線圈失電;同時,其常開觸點閉合,使接觸器線圈KM2得電,M反轉(zhuǎn),工作臺后退。當后退到擋塊壓動SQ1,其常閉觸點斷開,KM2線圈失電;同時,其常開觸點閉合,又使KM1線圈得電,M正轉(zhuǎn),如此周而復始地自動往返工作。圖7-13中SB1是總停按鈕。若換向行程開關(guān)SQ1或SQ2失靈,則由限位開關(guān)SQ3或SQ4的常閉觸點斷開相應接觸器線圈,從而切斷電動機電源,防止工作臺因超出極限位而發(fā)生事故。三、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制圖7-13自動循環(huán)控制電路四、三相異步電動機減壓起動控制三相異步電動機直接起動電流達到額定電流的4~7倍,過大的起動電流會引起電網(wǎng)電壓顯著下降,直接影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備正常工作,降低電壓可以減小起動電流,因此對于容量較大的電動機應采用減壓起動。由于三相異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩與加在定子繞組上的電壓二次方成正比,減壓起動導致起動轉(zhuǎn)矩嚴重下降,所以減壓起動只適用于空載或輕載場合。常用的減壓起動有-△減壓起動、定子繞組串電阻減壓起動、自耦變壓器減壓起動。1.-△減壓起動控制電路正常運行時,定子繞組接成△的籠型異步電動機,常用-△減壓起動。電動機起動時,定子繞組先按聯(lián)結(jié)起動,待轉(zhuǎn)速升到接近額定轉(zhuǎn)速,再將定子繞組恢復為△聯(lián)結(jié),使電動機進入全壓運行。四、三相異步電動機減壓起動控制圖7-14所示為用時間繼電器自動切換的-△減壓起動控制電路,起動過程是:合上Q,按SB2,KM線圈得電并自鎖,同時KM1線圈得電,電動機M按聯(lián)結(jié)起動;時間繼電器KT線圈也同時得電,經(jīng)延時后,其常閉延時觸點斷開,KM1斷電,而常開延時觸點閉合,使KM2得電并自鎖,定子繞組由聯(lián)結(jié)變換成△聯(lián)結(jié)正常運行。圖中KM1、KM2常閉輔助觸點構(gòu)成電氣互鎖,防止主電路電源短路。2.定子串電阻減壓起動控制電路定子繞組串電阻減壓起動不受電動機接線形式的限制,電動機起動時在三相定子電路中串接電阻,降低定子繞組電壓,起動結(jié)束后再將電阻短接,使電動機進入全壓運行。圖7-15所示為定子串電阻減壓起動控制電路。起動過程是:合上Q,按SB2,KM1線圈和KT時間繼電器得電,電動機M定子串電阻起動。四、三相異步電動機減壓起動控制當時間繼電器KT延時時間到,其常開延時觸點閉合,KM2線圈得電并自鎖,KM2常閉輔助觸點斷開使KM1線圈斷電,電阻被短接,電動機M全壓正常運行。圖7-14-△減壓起動控制電路圖7-15定子串電阻減壓起動控制電路四、三相異步電動機減壓起動控制3.自耦變壓器減壓起動控制電路自耦變壓器減壓起動也不受電動機接線形式的限制。電動機起動時,定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓,隨后,自耦變壓器便被斷開,定子繞組加上額定電壓,電動機全壓正常運行。圖7-16自耦變壓器減壓起動控制電路動控制電路。圖7-16自耦變壓器減壓起動控制電路四、三相異步電動機減壓起動控制4.繞線轉(zhuǎn)子異步電動機起動控制電路三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子中繞有三相繞組,除了能用前述的籠型異步電動機起動方法外,還可通過集電環(huán)串接電阻,以達到降低起動電流、提高起動轉(zhuǎn)矩的目的。圖7-17所示為電流繼電器控制的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻起動電路,它根據(jù)電動機在起動時轉(zhuǎn)子回路中電流的大小來逐步切除電阻。圖7-17繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻起動電路五、三相異步電動機制動控制三相異步電動機從切斷電源到完全停轉(zhuǎn),由于慣性的作用,總要經(jīng)過一段時間。許多生產(chǎn)機械,如臥式車床、升降機械、加工中心等都要求能迅速停車或準確定位,這就要求對電動機進行強迫停車,即制動。1.電磁抱閘制動控制圖7-18a所示為電磁抱閘制動原理圖。圖中電動機轉(zhuǎn)子與制動輪同軸安裝。當電動機斷電時,電磁制動閘便緊緊地抱住制動輪,從而使電動機迅速停轉(zhuǎn)。由圖看出,若選用受壓彈簧,則制動閘平時處于抱閘狀態(tài),這種制動稱為斷電制動;若選用受拉彈簧,則制動閘平時處于松開狀態(tài),這種制動稱為通電制動。(1)斷電制動控制像電梯、卷揚機等升降機械,為了避免因電源中斷或電氣線路故障影響制動的安全性和可靠性,一般采用斷電制動控制方式。五、三相異步電動機制動控制(2)通電制動控制為減少制動電磁線圈通電時間,對于像機床一類經(jīng)常需要調(diào)整加工件位置的機械設(shè)備,一般采用通電制動控制方式。圖7-18電磁抱閘斷電制動控制電路1—彈簧2—制動閘3—制動輪圖7-19電磁抱閘通電制動控制電路五、三相異步電動機制動控制2.能耗制動控制能耗制動是指電動機脫離電源后,定子繞組通入直流電源,利用轉(zhuǎn)子感應電流與靜止磁場的作用,待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近零時再切除直流電源的制動方法。能耗制動實質(zhì)上是把轉(zhuǎn)子儲存的機械能轉(zhuǎn)化成電能,再將電能用于轉(zhuǎn)子的制動。圖7-20a所示為手動復合按鈕控制的能耗制動電路。圖中變壓器TC和整流元件VC組成整流裝置,并提供制動直流源;KM2為制動用接觸器。需電動機停車時,按下復合按鈕SB1,直到制動結(jié)束后才放開按鈕。這種控制的制動時間需靠人工干預,操作不方便。圖7-20b所示為時間繼電器控制的能耗制動電路。圖中KT為時間繼電器,延時整定值按制動時間確定。控制電路工作過程是:合上Q,按下SB2,KM1得電自鎖,電動機M起動運行。五、三相異步電動機制動控制當停車時,按下SB1,KM1失電,KM2得電并自鎖,同時KT也得電,電動機處于制動狀態(tài),待KT延時時間到,KM2和KT失電,制動結(jié)束。能耗制動作用的效果與通入直流電流的大小和電動機轉(zhuǎn)速有關(guān),在同樣的轉(zhuǎn)速下,電流越大,其制動時間越短。一般取直流電流為電動機空載電流的3~4倍,過大的電流會使定子過熱。直流電源中串接的可調(diào)電阻R用于調(diào)節(jié)制動電流的大小。能耗制動具有制動準確、平穩(wěn)、能量消耗小等優(yōu)點,故適用于要求制動準確、平穩(wěn)的設(shè)備,如磨床、龍門刨床及組合機床的主軸制動。五、三相異步電動機制動控制圖7-20能耗制動控制電路五、三相異步電動機制動控制3.反接制動控制反接制動是通過改變電動機三相電源的相序,利用定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子慣性旋轉(zhuǎn)方向相反,產(chǎn)生反方向的轉(zhuǎn)矩,從而達到制動效果。反接制動時,由于轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場的相對轉(zhuǎn)速接近于兩倍的同步轉(zhuǎn)速,定子繞組中流過的制動電流相當于直接起動時的兩倍,為此對10kW以上的電動機進行反接制動時,必須在電動機定子繞組中串接一定的限流電阻,以避免繞組過熱和機械沖擊。圖7-21所示為速度繼電器控制的反接制動控制電路。反接制動時,由于制動電流很大,因此制動效果顯著。但在制動過程中有機械沖擊,對傳動部件有害且能量消耗較大,還需要安裝速度繼電器,故適用于不太經(jīng)常制動、電動機容量不大的設(shè)備,如銑床、鏜床、中型車床的主軸制動。五、三相異步電動機制動控制圖7-21反接制動控制電路六、三相異步電動機變極調(diào)速控制1.變極調(diào)速原理三相異步電動機同步轉(zhuǎn)速表達式為如果電動機的極對數(shù)p減少一半,則同步轉(zhuǎn)速n0便提高一倍,轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速n也接近提高一倍。下面以最常用的雙速電動機為例,說明變極調(diào)速原理。圖7-22所示為變極調(diào)速原理圖,每相定子繞組分成A1X1和A2X2兩個線圈。其中圖7-22a所示為兩個線圈串聯(lián),則可獲得四個(p=2)磁極;圖7-22b所示為兩個線圈反向并聯(lián),獲得兩個(p=1)磁極。圖7-23所示為雙速電動機定子繞組接線圖。其中圖7-23a所示為△聯(lián)結(jié),U1、V1、W1三端與電源連接,U2、V2、W2三端懸空,電流方向如箭頭所示,此時電動機磁極對數(shù)p=2,同步轉(zhuǎn)速為1500r/min,低速運行。六、三相異步電動機變極調(diào)速控制圖7-23b所示為雙星形聯(lián)結(jié),U2、V2、W2三端連接電源,U1、V1、W1三端相連,箭頭表示電流方向,此時磁極對數(shù)p=1,電動機同步轉(zhuǎn)速為3000r/min,故雙速電動機的高轉(zhuǎn)速約等于低轉(zhuǎn)速的兩倍。圖7-22變極調(diào)速原理圖圖7-23雙速電動機定子繞組接線圖六、三相異步電動機變極調(diào)速控制2.雙速電動機變速控制圖7-24所示為時間繼電器控制的雙速電動機變速控制電路。其工作過程是:合上Q,按下SB2,接觸器KM1得電并自鎖,電動機M低速運行,同時時間繼電器KT得電。當KT延時整定時間到,KT的延時常閉觸點斷開,KM1失電,同時KT的延時常開觸點閉合,接觸器KM2、KM3得電并自鎖,M由低速升到高速。圖7-24雙速電動機變速控制電路七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)1.主要結(jié)構(gòu)及運動情況如圖7-25所示,臥式車床主要由床身、主軸變速箱、掛輪箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾座、光桿和絲杠等部分組成。車床的主運動為工件的旋轉(zhuǎn)運動,由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉(zhuǎn)。由于工件的材料、工件尺寸、車刀、加工方式及冷卻條件等不同,要求的切削速度也不同,這就要求主軸要有相當大的調(diào)速范圍,臥式車床的調(diào)速范圍D一般大于70。為適應加工螺紋的需要,要求主軸能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行。車床的進給運動為刀架的縱向與橫向直線運動。縱向與橫向進給運動可由主軸變速箱的輸出軸,經(jīng)掛輪箱、進給箱、光桿傳入溜板箱獲得,也可手動實現(xiàn)。加工螺紋時,工件的旋轉(zhuǎn)速度與刀具的進給速度應有嚴格的比例關(guān)系。車床的輔助運動為溜板箱的快速移動、尾座的移動和工件的夾緊與松開等。七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)圖7-25臥式車床的結(jié)構(gòu)示意圖1—進給箱2—掛輪箱3—主軸變速箱4—溜板與刀架5—溜板箱6—尾座7—絲杠8—光桿9—床身七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)2.機電傳動與電氣控制要求根據(jù)車床的加工工藝要求,機電傳動與電氣控制應滿足以下要求:1)為保證主運動與進給運動的嚴格比例關(guān)系,兩者采用一臺電動機拖動,而且從經(jīng)濟性、可靠性出發(fā),主拖動電動機選用籠型異步電動機。2)為滿足調(diào)速的要求,采用機械變速,主拖動電動機與主軸之間用齒輪箱連接。有的車床采用機電聯(lián)合調(diào)速,即采用多速籠型異步電動機與變速箱結(jié)合進行調(diào)速。對于重型或超重型車床,為實現(xiàn)無級變速,主軸往往采用直流電動機拖動。3)為車削螺紋,主軸要求能正反轉(zhuǎn)。有的車床采用機械方法實現(xiàn),有的小型車床采用主電動機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。4)主拖動電動機一般采用直接起動。當電動機容量較大時,常采用-△減壓起動。七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)5)車削加工時,刀具與工件都可能產(chǎn)生高溫,應設(shè)一臺冷卻泵。冷卻泵電動機只需要單向旋轉(zhuǎn),但冷卻泵電動機應在主拖動電動機起動后方可起動,當主拖動電動機停止時,冷卻泵電動機應自動停止。6)為了提高生產(chǎn)效率,減少工人勞動強度,車床刀架的快速移動由一臺電動機單獨拖動。有些小型車床采用手動。7)應有必要的保護環(huán)節(jié)及信號電路。8)需有安全電壓供電的局部照明電路。3.CA6140臥式車床的電氣控制系統(tǒng)圖7-26所示為CA6140臥式車床的電氣控制電路。電源經(jīng)斷路器QF引入機床。M1為主拖動電動機,M2為冷卻泵電動機,M3為刀架快速移動電動機。七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)(1)主拖動電動機的控制先用鑰匙旋轉(zhuǎn)電源開關(guān)鎖SQ2,再合上QF接通電源,按下按鈕SB1,接觸器KM1得電吸合并自鎖,主軸電動機M1起動;按下按鈕SB2,KM1斷電,主軸電動機M1停止,此按鈕按下后即行鎖住,右旋后方能復位。(2)快速電動機的控制如果要快速移動溜板,可將操作手柄扳到需要的方向,按下快速移動按鈕SB3,KM3得電,其主觸點閉合,M3旋轉(zhuǎn)。該電動機靠按鈕SB3點動操作,放開SB3,M3停止。(3)冷卻泵電動機的控制當主拖動電動機M1開始運行后,接觸器KM1的輔助觸點閉合,此時合上SA1方可讓KM2得電,使冷卻泵電動機M2起動。(4)照明及指示電路照明電路由控制變壓器供給交流24V安全電壓,經(jīng)照明開關(guān)Q控制照明燈EL。指示電路由變壓器供給6V電壓,指示燈HL作為電源指示,當機床引入電源后HL亮。七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)(5)保護環(huán)節(jié)熔斷器FU1、FU2分別作為冷卻泵電動機和快速電動機的短路保護;熱繼電器FR1、FR2分別為電動機M1、M2的過載保護;斷路器QF對機床供電回路實現(xiàn)總的保護。為了保護人身安全,通過行程開關(guān)SQ1、SQ2進行斷電保護。當SA2左旋打開電器控制壁龕時,SQ2行程開關(guān)閉合,QF自動斷開;當打開主軸箱后,SQ1斷開,使主拖動電動機停止,以確保人身安全。當需要打開控制壁龕門進行帶電維修時,只要將SQ2的傳動桿拉出,QF仍可合上。關(guān)上壁龕門后,SQ2復原,保護作用正常。七、臥式車床的機電傳動控制系統(tǒng)八、液壓動力滑臺控制電路用于組合機床上的液壓動力滑臺是完成刀具進給運動的部件,它利用液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)滑臺向前或向后的運動。液壓動力滑臺主要由滑臺、滑座及液壓缸三部分組成。液壓缸拖動滑臺在滑座上移動,由電氣控制液壓傳動系統(tǒng),實現(xiàn)滑臺的自動工作循環(huán)。1.一次工作進給的控制電路圖7-27a所示為液壓動力滑臺一次工作進給的液壓回路及行程開關(guān)位置示意圖,圖7-27b所示為自動工作循環(huán)示意圖,圖7-27d所示為電磁鐵動作狀態(tài)表。其工作過程如下:八、液壓動力滑臺控制電路圖7-27液壓動力滑臺一次工作進給的液壓傳動回路及控制電路八、液壓動力滑臺控制電路滑臺處于原位(SQ1被壓下)→按壓按鈕SB1,滑臺快進→壓下SQ2,滑臺轉(zhuǎn)入工作進給→壓下SQ3,滑臺快退→壓下SQ1,滑臺在原位停止。圖7-27c所示為一次工作進給的控制電路。(1)滑臺處于原位由擋鐵壓下行程開關(guān)SQ1,使其常開觸點閉合,電磁鐵YA1、YA2、YA3均為斷點狀態(tài),三位五通電磁閥處于中位,二位二通電磁閥處于右位。(2)滑臺快進將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA扳到Ⅰ位,按下按鈕SB1,中間繼電器KA1得電動作并自鎖,其常開觸點閉合,使電磁鐵YA1、YA3得電。YA1得電使三位五通電磁閥左位工作,由于YA1、YA3同時得電,液壓缸左腔不僅接通工進油路,還通過二位二通電磁閥左位實現(xiàn)差動連接,使液壓缸右腔內(nèi)的回油也排入左腔,加大了左腔的進油量,因此滑臺快進。八、液壓動力滑臺控制電路(3)滑臺工作進給當滑臺快進到使擋鐵壓下SQ2時,其常開觸點閉合,使中間繼電器KA2得電動作并自鎖,KA2的常閉觸點使YA3斷電,二位二通電磁閥右位切斷差動回路,使滑臺自動轉(zhuǎn)成工作進給狀態(tài)。(4)滑臺快退當滑臺工進到終點時,擋鐵壓下行程開關(guān)SQ3,其常開觸點閉合,使KA3得電動作并自鎖。KA3常閉觸點斷開,使YA1斷電,滑臺停止工進;其常開觸點閉合,使YA2得電,使三位五通電磁閥右位工作,滑臺快退。當退到原位時,擋鐵壓下SQ1,其常閉觸點斷開,使KA3斷電,YA2也斷電,滑臺原位停止。(5)滑臺調(diào)整將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA扳到Ⅱ位,按下按鈕SB1,KA1得電,使電磁鐵YA1、YA3得電,滑臺可快速向前調(diào)整。此時KA1不能自鎖,因此松開SB1后,滑臺立即停止。使三位五通電磁閥右位工作,滑臺快退。直到退回原位壓下SQ1,滑臺停止。八、液壓動力滑臺控制電路當滑臺不在原位需要快退回去時,可按動SB2按鈕,使KA3得電動作并自鎖,YA2得電,使三位五通電磁閥右位工作,滑臺快退。直到退回原位壓下SQ1,滑臺停止。2.二次工作進給的控制電路二次工作進給自動工作循環(huán)與一次工作進給有所不同:滑臺處于原位(SQ1被壓下)→按下按鈕SB1,滑臺快進→壓下SQ2,滑臺轉(zhuǎn)入一次工作進給→壓下SQ3,滑臺轉(zhuǎn)入二次工作進給→壓下SQ4,滑臺快退→壓下SQ1,滑臺在原位停止。圖7-28所示為二次工作進給的液壓傳動回路及控制電路,它的工作原理與一次工作進給的工作原理相似。八、液壓動力滑臺控制電路圖7-28二次工作進給的液壓傳動回路及控制電路第三節(jié)直流傳動控制系統(tǒng)一、概述(一)調(diào)速的定義直流電動機具有良好的起、制動性能,宜于在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,所以由晶閘管-直流電動機(V-M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種機電傳動自動控制系統(tǒng)。它在理論上和實踐上都比較成熟,而且從閉環(huán)控制理論的角度看,它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所謂調(diào)速,是指在某一具體負載情況下,通過改變電動機或電源參數(shù)的方法,使機械特性曲線得以改變,從而使電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。調(diào)速具有兩個方面的含義:一是能在一定范圍內(nèi)“變速”。如圖7-29所示,電動機負載不變時,轉(zhuǎn)速由n0變到nc或ne,這就是“變速”調(diào)速。二是“恒速”。當生產(chǎn)機械在某一速度下運行時,總要受到外界的干擾(如負載變化),為了保證生產(chǎn)機械速度不受干擾的影響,也要進行調(diào)速。一、概述例如由于負載的增加,電動機的轉(zhuǎn)速就要降低,為維持轉(zhuǎn)速恒定,就得調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速,使其回升,并等于或接近于原來的轉(zhuǎn)速。如圖7-29中的n0隨轉(zhuǎn)矩M的變化而維持不變就屬于“恒速”調(diào)速。圖7-29調(diào)速與機械特性的關(guān)系一、概述(二)直流調(diào)速的方案直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系為式中,n為電動機轉(zhuǎn)速;U為電樞供電電壓;I為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Ke為由電動機結(jié)構(gòu)決定的電動勢系數(shù);Φ為電動機勵磁磁通。由式(7-1)可以看出,直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(即調(diào)速)方法有三種:1)改變電樞回路總電阻R。2)減弱電動機勵磁磁通Φ。3)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。一、概述在調(diào)壓調(diào)速方案中,從供電電源種類上看又有兩種情況:1)在交流供電系統(tǒng)中,采用可控交流裝置,以獲得可調(diào)的直流電壓。2)在具有恒定直流供電電源的地方,采用晶閘管斬波器,實現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)速。現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中,都具有低壓交流供電系統(tǒng),因此前一類調(diào)壓方式應用廣泛。(三)調(diào)速指標根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求,一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。1.靜態(tài)調(diào)速指標(1)調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時,提供的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比,稱為調(diào)速范圍,用符號D表示。一、概述(2)靜差率靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時,轉(zhuǎn)速變化的程度,用s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時,在一條機械特性曲線上,電動機的負載由理想空載增加到額定值時,對應的轉(zhuǎn)速降落Δned與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖7-30中的線1和線2,它們有相同的轉(zhuǎn)速降落Δned1=Δned2,但由于Δn02<Δn01,因此s2>s1。這表明在相同機械特性硬度條件下,低速時靜差率較大,轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性較差。在1000r/min時降落10r/min,只占1%;在100r/min時也降落10r/min,就占10%;如果n0只有10r/min,再降落10r/min時,電動機就停止轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速全都降落完了。由圖7-30可見,對一個調(diào)速系統(tǒng)來說,如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率s,那么其他轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。一、概述圖7-30不同轉(zhuǎn)速下的靜差率一、概述(3)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流調(diào)速系統(tǒng)中,當機械特性硬度一定時,最高轉(zhuǎn)速nmax就是電動機的額定轉(zhuǎn)速ned。若帶額定負載時的轉(zhuǎn)速降落為Δned,則最低轉(zhuǎn)速時的靜差率是s=Δned/n0min×100%。2.動態(tài)調(diào)速指標在給定信號的作用下,系統(tǒng)輸出量的變化情況可用動態(tài)性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時,輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給出單位階躍輸入信號x(t)作用下的系統(tǒng)輸出y(t)過渡過程(圖7-31)的要求。這時的動態(tài)響應又稱作階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量y(t)與其穩(wěn)態(tài)值y(∞)的偏差越小越好,達到y(tǒng)(∞)的時間越短越好。表示動態(tài)性能的指標是:一、概述p0為超調(diào)量,表示輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量。它也可用相對值表示輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比,用百分數(shù)表示為:σ=[p0/y(∞)]×100%。超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小,則相對穩(wěn)定性越好,即動態(tài)響應比較平穩(wěn);td為延遲時間,它對應于y(t)上升到穩(wěn)態(tài)值的50%時的時間;tf為調(diào)節(jié)時間,它等于y(t)進入穩(wěn)態(tài)值的5%誤差帶(不再出來)的時間;n為振蕩次數(shù)。圖7-31系統(tǒng)輸出過渡過程圖二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)中,目前用得最多的是晶閘管-電動機(V-M)調(diào)速系統(tǒng)。晶閘管-電動機直流傳動控制系統(tǒng)常用的有單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和可逆系統(tǒng)。(一)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)常見的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖7-32所示,單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)常分為有靜差調(diào)速系統(tǒng)和無靜差調(diào)速系統(tǒng)兩類。圖7-32單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(二)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用PI調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器ST的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),既能得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié),又能獲得較快的動態(tài)響應。從擴大調(diào)速范圍的角度來看,它已基本上滿足一般生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。但有些生產(chǎn)機械經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)(如龍門刨床、可逆軋鋼機等),為了提高生產(chǎn)率,要求盡量縮短起動、制動和反轉(zhuǎn)過渡過程的時間,當然可用加大過渡過程中的電流即加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn),但電流不能超過晶閘管和電動機的允許值。為了解決這個矛盾,可以采用電流截止負反饋,而得到如圖7-42中實線所示的起動電流波形,波形的峰值Iam為晶閘管和電動機所允許的最大沖擊電流,起動時間為t1。二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖7-42起動時的電流波形圖7-43理想的起動過程曲線二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析從靜特性上看,維持電動機轉(zhuǎn)速不變是由速度調(diào)節(jié)器ST來實現(xiàn)的。在電流調(diào)節(jié)器LT上,使用的是電流負反饋,它有使靜特性變軟的趨勢,但是在系統(tǒng)中還有轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)包在外面,電流負反饋對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說相當于一個擾動作用,只要轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ST的放大倍數(shù)足夠大,而且沒有飽和,則電流負反饋的擾動作用就受到抑制。整個系統(tǒng)的本質(zhì)由外環(huán)速度調(diào)節(jié)器來決定,它仍然是一個無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。也就是說,當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時,電流負反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全被轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用所抵消了,一旦ST飽和,當負載電流過大,系統(tǒng)實現(xiàn)保護作用使轉(zhuǎn)速下降很大時,轉(zhuǎn)速環(huán)即失去作用,只剩下電流環(huán)起作用,這時系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng),靜特性便會呈現(xiàn)出很陡的下垂段特性。二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)從動態(tài)上看,以電動機起動為例,在突加給定電壓Ugn的起動過程中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk、可控整流器輸出電壓Ud、電動機電樞電流Ia和轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應波形如圖7-45所示。整個過渡過程可以分成三個階段,在圖中分別標以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。第Ⅰ階段是電流上升階段。當突加給定電壓Ugn時,由于電動機的機電慣性較大,電動機還來不及轉(zhuǎn)動(n=0),轉(zhuǎn)速負反饋電壓Ufn=0,這時,ΔUn=Ugn-Ufn很大,使ST的輸出突增為Ugio,LT的輸出為Uko,可控整流器的輸出為Udo,使電樞電流Ia迅速增加。當增加到Ia≥IL(負載電流)時,電動機開始轉(zhuǎn)動,以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ST的輸出很快達到限幅值Ugim,從而使電樞電流達到所對應的最大值Iam(在這過程中Uk、Ud的下降是由于電流負反饋所引起的),到這時電流負反饋電壓與LT的給定電壓基本上是相等的。二、直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖7-45雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程動態(tài)波形(圖中各參量為絕對值)三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)(一)晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理目前,應用較廣的一種直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本電路如圖7-46所示。三相交流電源經(jīng)整流濾波變成電壓恒定的直流電壓,VT1~VT4為四只大功率晶體管,工作在開關(guān)狀態(tài),其中,處于對角線上的一對晶體管的基極,因接受同一控制信號而同時導通或截止。若VT1和VT4導通,則電動機電樞上加正向電壓;若VT2和VT3導通,則電動機電樞上加反向電壓。當它們以較高的頻率(一般為2000Hz)交替導通時,電樞兩端的電壓波形如圖7-47所示,由于機械慣性的作用,決定電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的僅為此電壓的平均值。三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖7-47電動機電樞電壓的波形圖7-46直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)(二)晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成圖7-48所示的系統(tǒng)是采用典型的雙閉環(huán)原理組成的晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)。下面分別對幾個主要組成部分進行分析。圖7-48晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)框圖三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)1.主電路(功率開關(guān)放大器)晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)形式有多種,按輸出極性有單極性輸出和雙極性輸出之分,而雙極性輸出的主電路又分H型和T型兩類,H型脈寬放大器又可分為單極式和雙極式兩種,這里僅介紹一種技術(shù)性能較好、經(jīng)常采用的雙極性雙極式脈寬放大器,如圖7-49所示,它與圖7-46相似。圖中,四只晶體管分為兩組,VT1和VT4為一組,VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只晶體管同時導通,同時關(guān)斷,且兩組晶體管之間可以是交替地導通和關(guān)斷。欲使電動機M向正方向旋轉(zhuǎn),則要求控制電壓Uk(見圖7-48)為正,各晶體管基極電壓的波形如圖7-49與圖7-50a、b所示。三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖7-49脈寬調(diào)制放大器(雙極性雙極式)圖7-50功率開關(guān)放大器的電壓電流波形a)、b)晶體管基極電壓波形c)電樞電壓波形d)電樞電流波形e)重負載時電樞電流波形f)E>Us時電樞電流波形三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)2.控制電路(1)速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT

ST和LT均采用比例積分調(diào)節(jié)器。(2)三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器如圖7-51所示,由運算放大器A1和A2組成,在開環(huán)狀態(tài)下工作,它的輸出電壓不是正飽和值就是負飽和值,電阻R3和穩(wěn)壓管VZ組成一個限幅值,限制A1輸出電壓的幅值。A2為一個積分器,當輸入電壓U1為正時,其輸出電壓U2向負方向變化;當輸入電壓U1為負時,其輸出電壓U2向正方向變化。當輸入電壓U1正負交替變化時,其輸出電壓U2就變成了一個三角波。U1和U2的變化曲線如圖7-52a、b所示。三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖7-51三角波發(fā)生器圖7-52控制電路中各部分的電壓波形a)、b)三角波發(fā)生器中的有關(guān)電壓波形c)、d)、e)分別為Uk>0、Uk<0、Uk=0時電壓—脈沖變換器的輸出電壓波形f)、g)主電路晶體管的基極電壓波形圖7-53電壓-脈沖變換器三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)(3)電壓-脈沖變換器電壓-脈沖變換器BU如圖7-53所示,運算放大器A工作在開環(huán)狀態(tài)。當它的輸入電壓極性改變時,其輸出電壓總是在正飽和值和負飽和值之間變化,它就可實現(xiàn)把連續(xù)的控制電壓Uk轉(zhuǎn)換成脈沖電壓,再經(jīng)限幅器(由電阻R4和二極管VD組成)削去脈沖電壓的負半波,在BU的輸出端形成一串正脈沖電壓U4。圖7-53電壓-脈沖變換器三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)(4)脈沖分配器及功率放大脈沖分配器如圖7-54所示,其作用是把BU產(chǎn)生的矩形脈沖電壓U4(經(jīng)光電隔離器和功率放大)分配到主電路被控晶體管的基極。由圖7-54可知,當U4為高電平時,門1輸出低電平,一方面它使門5的輸出Uc14為高電平,VD1截止,光敏管VB1也截止,經(jīng)功率放大電路,其輸出Ub14為低電平,使晶體管VT1、VT4(見圖7-49)截止;另一方面門2輸出高電平。其后使門6的輸出Uc23為低電平,VD2導通發(fā)光,使光敏管VB2導通,經(jīng)功率放大后,其輸出Uc23為高電平,使晶體管VT2、VT3(見圖7-49)可以導通。可知,隨著電壓U4的周期性變化,電壓Uc14與Uc23正、負交替變化,從而控制晶體管VT1、VT4與VT2、VT3的交替導通與截止。三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖7-54中點畫線框內(nèi)的環(huán)節(jié)是個延時環(huán)節(jié),它的作用是保證晶體管VT1和VT4、VT2和VT3兩對晶體管中,一對先截止而后另一對再導通,以防止在交替工作時發(fā)生電源短路。功率放大電路的作用是把控制信號放大,使其能驅(qū)動大功率晶體管。圖7-54脈沖分配器及功率放大三、直流電動機脈寬調(diào)速系統(tǒng)(5)其他控制電路過電流、失速保護環(huán)節(jié)。當電樞電流過大和電動機失速時,該環(huán)節(jié)輸出低電平,封鎖門5和門6,其輸出Uc14和Uc23均為高電平,使Ub14和Ub23均為低電平,從而關(guān)斷晶體管VT1~VT4,使電動機停轉(zhuǎn)。(三)晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的分析如圖7-48所示,整個裝置由速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT組成雙閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng),由LT輸出的電壓Uk(可正可負且連續(xù)可調(diào))和正負對稱的三角波電壓U2在BU中進行疊加,產(chǎn)生頻率固定而占空比可調(diào)的方波電壓U4,然后,此方波電壓由脈沖分配器產(chǎn)生兩路相位相差180°的脈沖信號,經(jīng)功放后由這兩路脈沖信號去驅(qū)動橋式功率開關(guān)主電路,使其負載(電動機)兩端得到極性可變、平均值可調(diào)的直流電壓,該電壓控制直流電動機正反轉(zhuǎn)或制動。四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析為了對晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)有一個比較全面、具體、深入的了解,下面以晶閘管控制的龍門銑床為例加以分析。龍門銑床的主運動為銑刀的旋轉(zhuǎn)運動,進給運動為工作臺的往復運動,進給運動屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。X2010A型龍門銑床是一種性能很好的通用機床,主要用作較大零件的平面銑削,也可兼作其他工藝加工,運行可靠,操作方便。機床的主運動為兩個水平主軸箱及一個垂直主軸箱的主軸旋轉(zhuǎn),主軸傳動采用交流異步電動機,機械有級變速。進給運動有工作臺的前后移動,左、右主軸箱沿立柱上下移動,垂直主軸箱沿橫梁左右移動(均共用一個電動機,用選擇開關(guān)控制電磁離合器來進行選擇),傳動電機為直流電動機,采用晶閘管整流供電,無級調(diào)節(jié)直流電動機的電樞電壓進行調(diào)速,調(diào)速范圍D=50,即工作臺進給速度為20~1000mm/min(電動機轉(zhuǎn)速為20~1000r/min)。四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析主軸箱進給速度為10~500mm/min(電動機轉(zhuǎn)速為20~1000r/min),靜差率s<15%。工作臺和主軸箱的快速移動,仍用進給電動機傳動,當電動機電樞電壓達到額定值后,電壓繼電器KU動作,減弱一半磁場,使電動機轉(zhuǎn)速達到快速2000r/min。下面著重分析進給運動的傳動系統(tǒng),即晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。(1)進給運動傳動系統(tǒng)框圖如圖7-55所示,系統(tǒng)由給定電壓、前置放大、移相觸發(fā)器、晶閘管整流器、直流電動機及各種反饋環(huán)節(jié)組成。圖7-55進給運動傳動系統(tǒng)框圖四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析當給定電壓增大時,經(jīng)前置放大器放大,使移相觸發(fā)脈沖向前移,晶閘管被觸發(fā)的時間也向前移,于是晶閘管的輸出電壓增大,電動機的轉(zhuǎn)速上升;反之,當給定電壓減小時,電動機的轉(zhuǎn)速下降;當給定電壓為零時,電動機停轉(zhuǎn)。(2)晶閘管整流器—直流電動機主回路如圖7-56所示,由于進給電動機正反向工作不頻繁,容量也不大(4kW,1000r/min,200V),因此采用單相半控橋式整流線路,電動機的正、反轉(zhuǎn)由接觸器FKM、RKM控制,主回路用整流元件均設(shè)有阻容保護元件,電動機的制動采用能耗制動,制動時接觸器KM動作,將電阻R并接在電樞兩端。電流繼電器KA2作過電流保護,在50A左右動作。四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析圖7-56晶閘管整流主回路四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析單相半控橋式整流電路帶電阻負載情況下,晶閘管整流電壓的平均值為可見,Ud是隨α改變而改變的,α的大小是由移相觸發(fā)電路來控制的。所以,通過移相器控制α,使得晶閘管整流輸出直流電壓Ud改變,就可實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速從20~1000r/min的調(diào)節(jié)。不過這里的負載是電動機,它是一個反電動勢負載,具有一定的電感,當主回路中沒有另加濾波電抗器時,主回路電流總是斷續(xù)的(圖7-57),特別是在輕負載情況下,斷續(xù)得更厲害些,晶閘管整流電壓要升高,使得電動機的轉(zhuǎn)速比有濾波電抗器情況下的轉(zhuǎn)速要高,這時電動機反電動勢E使得在交流電壓瞬時值uc較小時,主回路電流Ia=0。續(xù)流二極管VD3在低速、大負載情況下,有續(xù)流作用,以保證晶閘管整流器的正常工作。四、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實例分析快速移動時,繼電器K5得電動作,整流電壓平均值為最大,使繼電器KU動作,電動機磁場Φ減小一半,因n=E/(KeΦ),故電動機轉(zhuǎn)速升高一倍。圖7-57主回路電壓電流波形a)ucmaxsinα≥Udb)ucmaxsinα<Ud第四節(jié)交流傳動控制系統(tǒng)一、概述交流調(diào)速系統(tǒng),就是以交流電動機作為電能-機械能的轉(zhuǎn)換裝置,并通過對電能的控制以產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。1.交流調(diào)速的重要作用交流調(diào)速傳動在節(jié)約能源方面起著重要作用。一方面,交流傳動負荷在各國的總用電量中都占有很大的比重,對這類負荷實現(xiàn)節(jié)能,可以獲得很好的節(jié)能效益;另一方面,交流傳動本身又存在著很大的可以挖掘的節(jié)電潛力。2.交流調(diào)速的基本類型交流電動機分為同步電動機和異步電動機兩大類。同步電動機的調(diào)速靠改變供電電壓的頻率而改變其同步轉(zhuǎn)速,因此,同步電動機的調(diào)速有兩種方法:一、概述(1)不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法它們有:轉(zhuǎn)子串電阻;轉(zhuǎn)子斬波調(diào)速;改變定子電壓;改變轉(zhuǎn)子附加電動勢;應用電磁轉(zhuǎn)差離合器等方法。(2)改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法它們有:改變定子極對數(shù);改變定子電壓頻率;應用無換向器電動機等方法。異步電動機的調(diào)速方法較多,由現(xiàn)有文獻中介紹出來且常見的有:①降電壓調(diào)速;②電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;③繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速;④繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速;⑤變極對數(shù)調(diào)速;⑥變頻調(diào)速等。在開發(fā)交流調(diào)速系統(tǒng)的時候,人們從多方面進行探索,其種類繁多是很自然的。現(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已接近成熟,為了深入地掌握其基本原理,就不能滿足于這種表面形式的羅列,而要進一步探討其內(nèi)在規(guī)律,從更高的角度上認識交流調(diào)速的本質(zhì)。一、概述按照交流異步電動機的基本原理,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分:一部分P2=(1-s)Pm是拖動負載的有效功率;另一部分是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm,與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度上看,轉(zhuǎn)差功率是否增大,是消耗掉還是得到回收,顯然是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標志。從這點出發(fā),可以把異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)分成三大類:(1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)的全部轉(zhuǎn)差功率都被轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗掉。(2)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率的一部分被消耗掉,大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機械能予以利用,轉(zhuǎn)速越低時回收的功率也越多,上述第④種調(diào)速方法———串級調(diào)速屬于這一類。一、概述(3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免的,但在這類系統(tǒng)中,無論轉(zhuǎn)速高低,轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變,因此效率最高。二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)當異步電動機定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時,在定轉(zhuǎn)差率下,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩M與加在其定子繞組上電壓U的二次方成正比,即M∝U2。因此,改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數(shù)關(guān)系,從而改變電動機在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。圖7-58所示為異步電動機在調(diào)壓調(diào)速時的機械特性。圖7-58異步電動機在改變定子電壓時的機械特性(U1>U2>U3)二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)1.控制方式晶閘管交流調(diào)壓就是在恒定交流電源與負載(如電阻、交流電動機等)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器。其控制方式有兩種:(1)相位控制晶閘管單相調(diào)壓電路如圖7-59所示。作為相位控制時,晶閘管在每個電源電壓波形周期的選定時刻將負載與電源接通,如圖7-60所示。不同的觸發(fā)延遲角,可得到不同的輸出負載電壓波形u=f(t),從而起到調(diào)壓作用。為使輸出電壓正、負半波對稱,反并聯(lián)的兩個晶閘管的觸發(fā)延遲角應相等。(2)通斷控制此時調(diào)壓電路仍如圖7-59所示。但晶閘管起著快速開關(guān)作用,它把負載與電源按一定的頻率斷通關(guān)系接通與斷開,晶閘管的觸發(fā)延遲角α一般為0°,可連續(xù)導通幾個周期,晶閘管在控制脈沖消失時自然關(guān)斷。電動機作為負載時,它相當于工作在脈沖調(diào)速狀態(tài),負載電壓波形如圖7-61所示。二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)圖7-59晶閘管單相調(diào)壓電路圖7-60晶閘管單相調(diào)壓電路在相位控制時的負載電壓波形圖7-61晶閘管單相調(diào)壓電路在通斷的負載電壓波形二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2.異步電動機調(diào)壓時的機械特性根據(jù)電機學原理,在①忽略空間和時間諧波;②忽略磁飽和;③忽略鐵損耗的情況下,可畫出異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路,如圖7-62所示。圖中各參量的定義如下:R1、R′2為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻;L11、L′12為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感;Lm為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感,即勵磁電感;U1、ω1為電動機定子相電壓和供電角頻率。圖7-62異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)3.閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其特性異步電動機變電壓調(diào)速時,采用普通電動機時調(diào)速范圍很窄,采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動機時,調(diào)速范圍雖然可以大一些,但機械特性變軟,負載變化時的靜差率又太大(圖7-64)。開環(huán)控制很難解決這個矛盾。對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載,調(diào)速范圍要求D=2以上時,往往采用帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)系統(tǒng),如圖7-65所示。圖7-65轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同的地方是:在額定電壓U1ed下的機械特性和最小輸出電壓U1min下的機械特性,是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性左右兩邊的極限,當負載變化達到兩側(cè)的極限時,閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力,回到開環(huán)機械特性上工作。根據(jù)圖7-65a所示的系統(tǒng),可以畫出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7-66所示。圖中:Ks=U1/Uk,為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù);α=Uf/n,為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);ST采用PI調(diào)節(jié)器。n=f(U1、Me)是式(7-19)表達的異步電動機機械特性方程式,是一個非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時,Ugn=Uf=αn,Me=ML,根據(jù)Ugn/α和ML,可由式(7-19)計算或用機械特性圖解求出所需的U1以及相應的Uk。二、異步電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)圖7-66異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖三、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)是異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的簡稱。由于其在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變,在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中效率最高,同時性能也最好,因此成為交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。由交流電動機的轉(zhuǎn)速公式可以看出,若均勻地改變定子供電頻率f1,則可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。在許多場合,為了保持在調(diào)速時電動機的最大轉(zhuǎn)矩不變,需要維持磁通恒定,這就要求定子供電電壓也要做相應調(diào)節(jié)。因此對電動機供電的變頻器,一般都要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻這兩種功能,即通常所說的VVVF型變頻器。三、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)(一)變頻調(diào)速的基本控制方式異步電動機改變定子頻率f1可以平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在電機學中,異步電動機的電動勢方程為E1=4.44f1W1K1Φ (7-23)如果忽略定子阻抗壓降,則U1≈E1=4.44f1W1K1Φ (7-24)可見,當U1不變時,隨著f1的升高,Φ將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式M=CMΦI′2cosφ′2 (7-25)可以看出,Φ減小勢必導致電動機輸出轉(zhuǎn)矩M下降,使電動機的利用率變差。同時電動機的最大轉(zhuǎn)矩也將降低,嚴重時,會使電動機堵轉(zhuǎn)。三、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)若維持端電壓U1不變而減小f1,Φ將增加,這會使磁路飽和,勵磁電流Im上升,導致鐵損急劇增加。因此在許多場合,要求在調(diào)頻的同時,改變定子電壓U1,以維持Φ近似不變。根據(jù)U1和f1的不同比例關(guān)系,將有不同的變頻調(diào)速方式。1.基頻以下調(diào)速這是恒壓頻比的控制方式。低頻時,U1(Eg)較小,定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著,不再能忽略。這時,可以人為地把電壓U1抬高一些,以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖7-67中的線2,無補償?shù)目刂铺匦詣t為線1。三、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)2.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時,頻率可以從f1n往上增,但電壓卻不能增加得比額定電壓還要大,最多只能保持U1=U1n,這將迫使磁通與頻率成反比地降低,相當于直流電動機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來,可得圖7-68所示的異步電動機的變頻調(diào)速控制特性。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流,則電動機都能在溫升允許條件下長期運行。這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化,按照機電傳動原理,在基頻以下,屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì);而在基頻以上,基本上屬于“恒功率調(diào)速”。三、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)圖7-