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變頻調(diào)速是一門(mén)國(guó)際上60年代初興起的學(xué)科，也是當(dāng)今交流拖動(dòng)領(lǐng)域主要發(fā)展動(dòng)向之一.SASIB-6000型卷煙包裝線采用10kVA變頻系統(tǒng),對(duì)小包機(jī)主電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，是較早應(yīng)用變頻調(diào)速的煙草機(jī)械設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用上有一定特色.系統(tǒng)的包裝速度從75?305包/分連續(xù)可調(diào)，電源利用率高，操作簡(jiǎn)單，變速穩(wěn)定，可靠性高，提高了參動(dòng)生產(chǎn)率，受到卷煙廠的歡迎。本文在介紹這一裝置變頻原理的基礎(chǔ)上，將控制系統(tǒng)總結(jié)成方框圖形式，并分別從電路與電機(jī)角度對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析.
一、變頻調(diào)速原理
變頻系統(tǒng)分交一交變頻與交一直一交變頻兩大類,6000型包裝機(jī)屬于交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)。圖1為變頻系統(tǒng)主電路,可分為整流、濾波與逆變3個(gè)部分。

a1主回路

由二極管Di、Dz、D3與可控硅SCRt,SCRs.SCR,構(gòu)成的半控整流器將3X380V、50Hz交流電變換成電壓可變的脈動(dòng)直流詛,Li—Ci將0*濾波得到標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓V,,6只可控硅SCR^-SCR,組成的逆變器將V,變換成頻率可調(diào)的交流電，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在三相逆變器中、適當(dāng)分配6只可控硅的開(kāi)關(guān)時(shí)間，使可控硅的導(dǎo)通順序依次為SCRz、e、g、“各觸發(fā)信號(hào)間相隔60。電角度，每只可姓硅導(dǎo)通與關(guān)斷各180%如圖2A、B、C示意。這樣，任意瞬間有3只SCR同時(shí)導(dǎo)通，
將電機(jī)星形連接,則三相輸出的線電壓Va。、V&O、Vco與相電壓VKS、V.c、VCh波形如圖2。電動(dòng)機(jī)獲得的交流電壓就是該六階梯波電壓。

這和三相正弦波的交流電壓有相同比值,其電流波形在電感性負(fù)載下近似為正弦波.三相交流電壓的周期為T(mén),控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間即可獲得頻率f=l/T可調(diào)的三相交流電壓，
二、控制系統(tǒng)
分析各控制電路板的功能，并用自控原理進(jìn)行總結(jié)，可以將控制系統(tǒng)表示成方框圖形式,如圖3.本系統(tǒng)有兩個(gè)控制回路，對(duì)整流器的電壓控制回路采用閉環(huán)控制'，對(duì)逆變器的頻率控制回路采用開(kāi)環(huán)控制.調(diào)壓與調(diào)頻是分別進(jìn)行的，但由同一個(gè)速度給定值控制.電流限值器與瞬態(tài)校正器屬于附加環(huán)節(jié)，用來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖3控制系統(tǒng)原理框圖
1.電壓閉環(huán)控制
整流電壓采用相位控制原理.誤差積分器將電壓給定值與實(shí)際電壓反爐值的偏差進(jìn)行比例積分，移相電路按積分值控制可控硅的觸發(fā)角s達(dá)到調(diào)壓目的.這里的控制過(guò)程與直流調(diào)速系統(tǒng)相似.電壓給定值取自頻率回路A點(diǎn)，目的是在變頻過(guò)程中，保持V./f恒定，以使電機(jī)的磁通恒定。
2.瞬態(tài)核正器
雖然電壓閉環(huán)控制能按照恒磁通原則調(diào)節(jié).但由于頻率是開(kāi)環(huán)的，所以電機(jī)的電壓與頻率的比值在過(guò)渡過(guò)程中仍不能保持恒定。增加一個(gè)瞬態(tài)校正環(huán)節(jié)，當(dāng)電機(jī)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),使逆變器輸出頻率也產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，從而保證了在調(diào)節(jié)過(guò)程中，V"與f的瞬態(tài)比值大致保持不變，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.電流限值卷
該環(huán)節(jié)用來(lái)限制電動(dòng)機(jī)的電流峰值，平衡負(fù)載電流.檢測(cè)到的電流信號(hào)隔離后作為電壓信號(hào).由積分電路限幅，再與速度給定信號(hào)比較.每當(dāng)負(fù)載電流超出設(shè)定值，反饋信號(hào)即同時(shí)調(diào)節(jié)半控橋的觸發(fā)角與逆變器的開(kāi)關(guān)頻率,將電流平衡在最大值以下.
4.哥坡發(fā)生群與調(diào)速我態(tài)逸擇
系統(tǒng)采用兩只斜坡發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速與減速控制，加速過(guò)程較慢，而減速過(guò)程很快。此外，本系統(tǒng)對(duì)恒轉(zhuǎn)絶調(diào)速與恒功率調(diào)速兩種狀態(tài),沒(méi)有設(shè)計(jì)成自動(dòng)切換,而是專門(mén)増加調(diào)速狀態(tài)變換電路，由人工選擇.
5.壓須變換葬與通禹頻率選彝
壓頻變換器是一個(gè)電壓控制振蕩器，輜出頻率隨輜入電壓線性變化，頻率范圍為5?87也,作為每分鐘75~305包轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)頻率.最高頻率選擇是人工干預(yù)環(huán)節(jié)，變頻范圍可在5?50Hz與5?87Hz兩者之間選擇。該選擇功能與上述調(diào)速狀態(tài)選擇棺對(duì)應(yīng)，純粹為方便操作而設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)的控制原理無(wú)關(guān)
6.脈沖分酩基與脈沖輸出
脈沖分配器由3只JK觸發(fā)器組成*把頻率信號(hào)分配成6個(gè)一組的豚沖序列，使逆變器橋臂上的6只可控硅按圖2要求進(jìn)行開(kāi)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)變頻.昧沖輸出環(huán)節(jié)主要用來(lái)將蘇神序列放大后，再去謎發(fā)可控硅，同時(shí)，輔助后面所述的保護(hù)裝置起保護(hù)作用
三、保護(hù)裝置特點(diǎn)
系統(tǒng)采用了一系列保護(hù)措施保證變頻裝置可靠運(yùn)行，如吸收電路、抗干擾電路與過(guò)熱保護(hù)等。其中，逆變器的換流保護(hù)最有獨(dú)到之處.

圖4換流電路
18(?導(dǎo)電型逆變器，其換向是在同一相內(nèi)進(jìn)行的，任何時(shí)刻同一橋臂只能有一只SCR導(dǎo)通，當(dāng)一只可控硅換為另一只可控硅導(dǎo)通時(shí)，前者必須可靠關(guān)斷，否則將導(dǎo)致電源直通毀壞系統(tǒng)。對(duì)此,6000型系統(tǒng)采取了兩個(gè)揩施，一是在控制回路的觀沖輸出環(huán)節(jié)，增加一個(gè)單穩(wěn)電路，使開(kāi)通脈沖比關(guān)斷昧沖延遲150ys輸岀】再是在主回路釆用可靠的輔助換流電路。
可以看岀，SCR,的關(guān)斷能量由一55GV電源提供。在SCR<導(dǎo)通時(shí),d已經(jīng)莎有相對(duì)Vx為一550V電能，在SCR』觸發(fā)蔽沖消失后，開(kāi)通輔助可控硅SCR\,G由—SCR,—SCRr—LLCm回路放電，如圖4(a).放電完畢—&的諧振電流經(jīng)由Cf—Lz—D,—SCR(-*Cr回路對(duì)Cz反向充電，如圖4(b),從而迫使SCRt電流降為0而關(guān)斷。SCR,關(guān)斷后,反向充電電流經(jīng)過(guò)D.構(gòu)成回路.直至諧振結(jié)束.按照實(shí)際系統(tǒng)中的元件數(shù)據(jù)計(jì)算，這一過(guò)程的時(shí)間t<100ps,與控制信號(hào)延退時(shí)間150個(gè)相比，至少有50ys的余量。系統(tǒng)采用了一套專用變壓器與整流器,提供換流所需的一550V電源，雖然代價(jià)沉重，但能使設(shè)備在環(huán)境較差的車間也能可靠運(yùn)行’這是該保護(hù)裝置的突出特。
四、諧波效應(yīng)分析
從變頻調(diào)速研究領(lǐng)域出發(fā)，本系統(tǒng)有兩大缺陷,一是電機(jī)不能作四象限運(yùn)行,二是系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的諧波效應(yīng)，但是，包裝工藝不要求電機(jī)四象限運(yùn)行，所以這里只對(duì)諧波效應(yīng)進(jìn)行分析。
逆變器輸出的六階梯波電壓波形如圖2,將線電壓與相電壓分解成富氏級(jí)數(shù)可得：
可見(jiàn)，輸出電壓波形含有5,7,11……次高次諧波，是嚴(yán)重的非正弦波.將該電壓加到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上，按照電機(jī)學(xué)原理，相應(yīng)的諧波電流為：
這里X1、X,為基波頻率下定轉(zhuǎn)子等效漏拭.由此會(huì)引起兩種后果。一是諧波損耗正比于諧波電流有效值的平方,F=SFR=5,

對(duì)于總?cè)菪艦閘OkVA的調(diào)速系統(tǒng)，諧波損耗引起總損耗增加量可達(dá)20%,二是各次諧波磁場(chǎng)與不同次數(shù)諧披電流相互作用而產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩之外的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,其中，-基波氣隙破場(chǎng)與5,7次轉(zhuǎn)子諧波電流作用產(chǎn)生的6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其幅度可超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的10%.6000型系統(tǒng)將最低工作頻率眼制為皿，避免了強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)矩豚動(dòng)，但由于諧披電流的大小只決定于諧波電壓與諧波漏抗,而與負(fù)載及轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此限制最低轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)容量損失與諧波損耗不起作用*為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，提高功率因數(shù)，只能靠高質(zhì)量的電機(jī)彌補(bǔ),按照(6)式;備用電機(jī)應(yīng)選擇漏抗大的電機(jī).
總之.6000型包裝機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是交—直一交電壓型裝置，采用180導(dǎo)電型六階梯波調(diào)制原理?？刂葡到y(tǒng)實(shí)用簡(jiǎn)単.保護(hù)裝置可靠獨(dú)特，既提高了電源利用率，又提高亍勞動(dòng)生產(chǎn)率.雖然變頻系統(tǒng)的性能不高，但滿足了卷煙廠的包裝工藝要求，適當(dāng)改進(jìn)后還可以應(yīng)用于制絲與卷接工藝，作為機(jī)電一體化的煙草機(jī)械設(shè)備，值得借鑒.

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