一、 前言:
我公司从美国进口的二手设备轮胎式集装箱场地桥的电控系统是GE公司70年代初产品。电气传动系统打用F-D(直流发电机-直流电动机)结构,核心控制部件为电磁放大器,由于其控制精度低,效率不高,加之元件严重老化,系统故障频繁,因此对其进行升级改造势在必行。2000年初,我们应用PWM(脉冲宽度调制)技术对其调速系统进行了改造。
二、 轮胎式场地桥拖动系统简介:
轮胎式场地桥驱动系统采用柴油发动机驱动直流发电机,通过改变直流发电机的磁场大小来控制直流发电机的输出电压,从而实现电动机基速以下的调压调速。按照其工作特点,要求拖动系统具有如下的性能:
1. 具有较硬的机械特性,静差率小于5%。
2. 具有较宽的调速范围,调速比为1:100。
3. 具有较快的动态响应过程。
4. 具有加、减速时自动平滑的过渡过程。
5. 具有较好的挖土机特性,能将过载电流自动限止在1.5倍的额定电流上。
三、 PWM调速系统设计原理
1. 电气系统结构
根据上面提出的性能特点,我们设计的直流发电机调压器的原理框图如图一所示。
主回路由整流桥,IGBT功率模块及发电机磁场构成。
控制回路的速度给定信号经鉴相、整流及滤波处理后进入斜坡函数发生器,其目的是控制起动和制动的平稳性,输出信号与电流、电压反馈信号进入电压调节器(PI调节器),构成一个闭环调节控制系统,电压调节器的增益和积分时间常数均可调。电压调节器输出的误差放大信号进入脉宽调制器,控制输出的脉冲宽度,此脉冲系列经逻辑切换单元、脉冲放大单元去触发IGBT模块,从而控制发电机磁场的大小。
系统采用电压、电流双闭环系统既保证了动态稳定性、无静差和较宽的频带,又能在电机过载能力的条件下获得最快的动态响应。由于电机电感和电机惯量的作用,可实现对电机制动的换向操作并可实现四象限运行。
2. 调节器的参数选择及调试
系统的关键环节是电压调节器,它担负着调压、限流双重任务。由于系统的控制对象是大功率电机(125KW),转动惯量大,因此要求调节器的增益不能大,积分时间常数要与机电时间常数匹配好。其电气结构图如图二:
根据电机参数我们选择的调节器参数为Kg=1.5,τ=0.3s。
电流截止负反馈正常情况不参与调节,其调节器的增益由限流值决定。系统在实际调试时若出现振荡(主要是低频振荡),可相应调整电压调节器的增益及积分时间常数。调试时,可在给定端接入方波信号(f=1Hz,幅值为1V),再接入使能同时监测电后反馈信号,如果反馈波形不振荡,且超调满足要求,说明调试成功。
3.系统的外围接线
系统的外围接线如图三:
系统的外围接线比较简洁,其中电压、电流反馈信号由电压、电流互感器提供,动作逻辑信号由顺序控制电路提供,报警输出可接至启动控制回路。
四、 调速系统的保护功能
由于系统工作环境比较恶劣,为保证在任何干扰下系统仍能工作,对外接口全部光电隔离,为保护功率器件的安全和提高系统的整机可靠性,系统实现了全方位的自我保护,如过压、欠压、过流、超温、超载、失控保护等。这些保护组成一个禁止电路,控制系统工作状态。
五、 结束语:
本文设计了一种F-D系统无级无静差调速控制器,该系统已应用在本公司轮胎式集装箱场地桥上,经过近一年的运行证明改造后整机运行性能更优良,且结构合理,集成度高,工作可靠,价格低廉。