大功率直流调速系统的设计与实现DOC.docx
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大功率直流调速系统的设计与实现DOC
化工学院
课程设计说明书
题目:
大功率直流调速系统的设计与实现
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大功率直流调速系统的设计与实现
摘要
大功率直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点,被广泛的应用到各种工程船舶上,拖动机械设备,是工程船舶工程作业的动力核心。
大功率直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。
系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号,根据检测到的信号发出控制信号;强电部分根据控制信号调节电动机转速,拖动绞刀、钻机等机械负载进行作业,以满足不同作业现场的需要。
可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置,是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。
它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,采用模块式组合设计,具有控制功能强,可靠性高、使用灵活方便,易于扩展等优点,在工程船舶上得到了广泛的应用。
PLC作为工业控制中的通用的自动化控制装置,将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,近年来,由于其结构紧凑、抗干扰能力强、改造性能好等优点,在工程船舶动力控制系统等设备上得到了重要应用。
设计采用晶闸管一直流电动机调速系统与PLC逻辑控制系统相结合,对大功率直流调速系统进行了研究和设计。
以经济性好、可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源,根据现代控制理论对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路、信号检测电路以及系统的部分软件等进行设计,结合PLC控制技术对调速系统运行进行控制,对电动机、晶闸管等元件主要参数进行监视、保护。
关键词:
直流调速系统,晶闸管,PLC
ResearchandDesignofHigh-PowerMotor
SpeedControlSystem
Abstract
HighpowerDCspeedcontrolsystemhastheadvantagesofexcellentperformanceofspeedadjustment,highreliability,isappliedtovariousengineeringshipswidely,dragthemechanicalequipment,powercoreengineeringshipengineeringwork.HighpowerDCspeedregulatingsystemissystemofweakcontrolandpowercontrolcombined.Partofthelightcurrentdetectionsystemwhenthesystemisworkingspeed,armaturecurrent,motortemperature,thrustertemperaturesignal,acontrolsignalaccordingtothedetectedsignal;electricalpartaccordingtothecontrolsignaltoregulatethemotorspeed,operatingloadmechanicaldragreamer,drilling,tomeetthedifferentneedsoftheworkingsite.ProgrammablecontrollerPLCisautomaticcontroldeviceofuniversalrealizationoftheship,isthecontrolofthecorecomponentsofautomation,intelligentcontrol.Itwillbethetraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologycom.,usingmodulardesign,hasstrongcontrolfunction,highreliability,convenientandflexibletouse,easytoextendtheadvantages,hasbeenwidelyusedintheengineeringship.
PLCasindustrialcontrolofgeneralautomaticcontroldevice,thetraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologycom.,inrecentyears,duetotheadvantagesofcompactstructure,anti-interferenceabilitystrong,goodreconstructionperformance,haveimportantapplicationsinengineeringshippowercontrolsystemequipment.
ThedesigncombineswiththePLClogiccontrolsystemofthrusterDCmotorspeedcontrolsystem,hascarriedontheresearchanddesignofhighpowerDCspeedregulatingsystem.Inhighpowerthrustergoodeconomy,highreliabilityofthepipeforthespeedcontrolsystemofcontrolledrectificationpowersupply,designedaccordingtothemaincircuit,themoderncontroltheoryofhighpowerDCspeedcontrolsystemofthespeedcontrolcircuit,andthesignaldetectioncircuitandsystemsoftware,combinedwithPLCcontroltechnologytocontrolspeedsystem,themainparametersofthemotor,suchasthrustercomponentmonitoring,protection.
Keywords:
PLC,DCSpeedControl,Thyristor
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
在船舶种类中,工程船船型多,用途广泛工程船主要从事航道保、港口服务、抢险救助、水域施工、水底开采、产品加工、船舶修理和疏浚挖泥等工作,是目前新建和扩建港口、增加和维护航道尺度的主要手段尤其在港口服务方面,近年来,我国加大了内河干流河道的整治力度,港口航道的建设与维护、江河湖库的清淤整治等一大批工程纷纷上马,这些工程急需技术性能先进、功能齐全的工程船舶(如挖泥船等);在海底开采方面,随着世界性能源危机的临近,世界海洋石油工业装备与技术飞速发展,目前我国海洋石油钻采向深水推移,钻井作业向深水、深井、大斜度井、大水平位移井、孔底多支井(1口井中有多口水平井)、控制自动化、电脑化、低成本、高效率发展。
[1][2][3]
目前我国工程船舶处于新老交替的阶段。
一方面,上个世纪八九十年代从国外引进的工程船舶开始步入老龄化,而且随着科学技术的不断发展,相关控制系统也急需改造与升级,由于国内相关配套设备不能满足系统性能要求,需要花大量资金从国外购入;另一方面,我国正在加紧国产工程船舶的研发步伐,并取得了一定的成果。
以挖泥船为例,截止2003年止,我国有近千余艘挖泥船,国产挖泥船占9成。
[4]但我国生产的挖泥船多为200m3/小时左右的小型船舶,对于大型挖泥船的一些关键技术还处于攻坚阶段,一些性能要求较高的设备也需要花巨额资金从国外引入,失去了国产化挖泥船的根本意义。
随着科技的发展,交流调速技术也得到了飞速的发展,并且被广泛应用于某些领域,但是交流电机的机械特性曲线较软。
当交流电动机的转速较低时,交流调速性能不稳定。
直流电动机调速系统相对于交流电机调速系统来说,具有控制理论成熟。
直流调速具有调速范围广、调速平滑、过载能力强、起动与制动转矩较大等优点。
在调速性能要求比较高的控制领域,直流调速系统有着不可替代的地位,尤其在各种工程船舶上,用来拖动绞刀、钻机、绞缆机等动力设备,是工程船舶的动力核心。
数字直流调速系统的出现,使直流调速的性能又有很大的提升。
鉴于以上原因,对工程船舶上大功率直流调速系统进行研究,并对系统进行升级和改造。
从船舶配套产品国产化和大型工程船舶国产化方面来讲,具有一定的实际意义。
直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高尤其在工程船舶动力控制系统得到了重要应用。
同时可编程控制器(PLC)发展到今天,己经成为了通用的自动化控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点。
基于PLC控制技术实现的调速系统的逻辑控制系统将越来越智能化,基于通信协议实现的上位机PC与下位机PLC之间的通信,将使工程船舶的控制水平向前迈进一大步。
同时在系统设计中,对于输出电流以及转速采用PI控制,使系统具有响应速度加快。
国内直流调速系统存在设计复杂、造价较高、可控性较差等缺点,大功率直流调速系统在这些方面有很大的提高,项目成果使电机能够精确稳定的运行、无级调速、快速反向、准确定位等,使直流调速系统由传统的线路复杂、体积大、功耗大、隐患高。
变成线路简单、体积小、功耗小,控制灵活,使工程船中动力系统的性能得到极大的提升。
1.2国内外研究概况
大功率直流调速系统的发展与电力电子技术的发展是密不可分的。
最初,大功率直流调速系统利用继电器,控制直流电机的起动、制动、分级调速以及正反转。
随着科学技术的发展,对直流调速性能要求也越来越高,例如:
无级调速、定位准确、运行转速稳定性、快速反向等性能。
出现了旋转交流机组供电的直流调速系统,即直流电机变压与弱磁调速结合的方法进行调速。
二十世纪五十年代,机组供电直流调速技术发展到了巅峰阶段,同时该方法体积大、设备多、效率低、费用高、安装不方便、运行噪音大、维护不方便等缺点,也更加明显的暴露在人们眼前。
随后出现了离子传动控制系统,即利用大功率的水银整流器或小功率的闸流管等静止变流装置调速。
在1957年,世界上生产出第一只晶闸管,为直流调速系统带来革命性的发展。
由于容量大、控制特性好、效率高、寿命长、体积小等特点,晶闸管被广泛应用与直流调速系统中。
在上世纪六十年代,晶闸管组成的静止式变流装置成为大功率直流调速的主导。
直到今天,大功率直流调速仍然是以晶闸管组成的调速系统为主。
晶闸管组成的直流调速系统控制技术经历了几个不同的阶段。
最初,直流调速控制系统由分立的模拟电路组成。
随着科学的进步,运算放大器等集成电路被应用于调速系统模拟电路中,但是此种电路体积较大,并且分散性的特性使整流主电路的每个晶闸管的触发导通角不一致,主电路电流出现不平衡、零序电流,导致三相交流电的中心点发生了偏移。
在控制精度上,模拟电路组成的控制系统无法保证触发信号的准确性,使直流调速系统不能准确、可靠地控制直流电机。
另外,模拟元器件容易出现温漂等问题,使直流调速系统的可控性大大降低,并且模拟元件容易老化,引起元件参数的变化,导致直流调速系统的调节精度和可靠性低等问题,给工业生产等领域带来很多问题。
随着科技的飞速发展,数字电路的突出优点,吸引了越来越多的研究者开始将数字电路应用于直流调速系统中。
数字化是直流调速系统的主要发展方向随着数字芯片的发展和人们对PLC技术越来越熟悉,PLC被广泛应用于工业控制器的设计中。
将控制流程与算法写入PLC程序中,实现调速系统的控制,而外部电路只是处理信号的输入与输出,所以数字控制系统具有准确、稳定、可控性高等特点。
数字化是直流调速系统的主要发展方向。
二十世纪八十年代中后期,世界各大电气公司开始研发数字式直流调速系统,目前已经发展到了一个较高的技术水平:
可控硅作为功率元件、控制板采用表面安装技术、电源换相或相位控制方式。
采用高性能16位、32位微处理器以及其他先进技术,使直流调速系统具有更高的精度、更好的动态控制性能和更强的抗干扰性能。
比较著名的公司有瑞典的ABB、日本东芝和三菱、德国AEG、西门子和美国GE公司等。
已经形成了比较成熟的数字直流调速控制器产品。
在国内,由于各种原因,我国数字式直流调速系统起步比较晚。
目前,数字化直流调速系统产品主要依赖国外公司进口,其价格比较昂贵。
目前,中国有很多大专院校、科研院所和厂家都在进行数字化直流调速系统的研发。
研发直流调速系统具有重要的实际意义和经济价值。
1.3主要研究内容
直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点,直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。
系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号,根据检测到的信号发出控制信号;强电部分根据控制信号调节电动机转速,拖动绞刀、钻机等机械负载进行作业,以满足不同作业现场的需要。
可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置,是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。
它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,采用模块式组合设计,具有控制功能强,可靠性高、使用灵活方便,易于扩展等优点,在工程船舶动力控制系统等重要设备上得到了重要应用。
设计项目采用晶闸管-直流电动机调速系统与PLC逻辑控制系统相结合,对大功率直流调速系统进行了研究和设计。
设计项目主要内容如下:
(1)对现代PLC控制大功率直流电机调速拖动系统的研究。
(2)系统硬件电路进行设计。
主要包括:
PLC的选型及其他控制电路
(3)系统软件设计
主要包括:
程序流程图和梯形图设计。
2大功率直流电机调速系统控制方法
2.1双闭环调速系统控制方法介绍
为了使系统可获得良好的动静稳定性、稳态精度和抗扰性系统采用限幅的PI调节器。
为使速度调节及抗负载和电网扰动,可获得良好的动静态效果,电流环设计成典型Ⅰ型。
为使系统在阶跃扰动时无稳态误差,并具有较好的抗扰性能,速度环设计成典型Ⅱ型系统[5]。
双闭环调速系统采用PI控制算法可实现直流电动机软起动,而且时间可调。
模块内有积分环节,可实现直流电机软起动。
根据用户实际需要,可调起动时间,给用户预留了2个端口,调节2个电位器,可改变积分时间长短,从而改变电机起动时间。
积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合。
如果用户要求在负载一定的条件下,电机以最短的时间起动,即以最大的等加速度起动,可把积分环节去掉,模块所留出的2个端口作为电流环和速度环的输出限幅,调节电流的输出限幅,改变电机的最大起动电流,获得理想的过度过程。
PI模块的开发使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PI控制能力的PLC可用于过程控制。
当控制过程中某个变量出现偏差时,PI控制算法会计算出正确的输出,并把变量保持在设定值上。
PI算法一旦适应了工艺,就可以在工艺混乱的情况下依然保持设定值。
对于连续的PI算法:
(2-1)
然而系统编程计算的时候一般是采用离散型的增量式PI算法,因为指令执行需要时间,其中T是采样时间,总体来说采样时间越小,控制更精确,但是也不能过小,太小容易占用CPU资源,也容易产生的偏差较小,在运算的时候易被舍掉,从而产生积分量化误差。
以下是离散算法:
(2-2)
,代换之后变为:
(2-3)
、
分别为控制器的比例、积分系数。
(1)比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
(2)积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取关于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
2.2双闭环调速系统调速指标
(1)稳态性能指标
所谓稳态性能指标指系统稳定运行时的性能指标,如调速系统稳定运行时的调速范围和静差率等。
(2)动态性能指标
直流调速系统在动态过程中的指标称为动态性能指标。
衡量直流调速系统动态性能的指标可分为跟随性能和抗干扰性指标两类。
跟随性能
具体的跟随性能指标有下列各项:
上升时间
,超调量
,调节时间
。
抗扰性能指标
此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力,由以下两项组成:
动态降落
,恢复时间
。
2.3PLC在大功率直流调速系统中的应用
可编程控制器(PLC)发展到今天,己经成为了通用的自动化控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,具有控制功能强,可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点,其应用也越来越广泛。
在电力传动系统中,系统的逻辑控制部分必不可少。
逻辑控制主要包括电机的起停控制、正反向运行、系统运行时主要性能参数的监视、电机的保护等。
传统的直流电机调速系统采用以继电器接触器为主要控制元件,其接线多而复杂、体积大、功耗大、开关闭合时易产生火花、故障率高,而且由于控制元件采用硬接线逻辑,一旦系统构成后,想要改变或增加功能都很困难,系统的维护保养成本高[6][7]。
PLC与继电器逻辑控制系统的相比所具有的优点:
(1)软件逻辑,体积小,接线少,控制灵活。
(2)半导体电路实现控制,指令执行时间短,一般为微秒级。
(3)由集成电路实现,精度高(4)系统设计完成后,施工与程序设计同时进行,周期短。
(5)无触点,寿命长,可靠性高,有自诊功能。
3硬件设计
系统总体设计采用PLC及其外部接口设备对电机进行检测和控制,对于经常正、反转运行的调速系统,利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。
它能充分利用电机的过载能力,在过渡过程中保持电流为允许最大值,使电力拖动系统以最大的加速度启动,到达稳定转速后,又让电流立即降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。
这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的。
转速、电流环双闭环直流调速系统如图3-1所示。
图3-1转速、电流环双闭环直流调速系统
表示了系统的基本组成电路和各部分之间的主要关系,箭头表示信息的流向。
从概略图3-2可知,系统基本由四部分组成,分别是PLC控制部分、晶闸管-电机部分、电流检测部分、速度检测部分和温度检测部分。
同时由于晶闸管元件过载能力差,很短时间的过电压、过电流都会将元件损坏所以设置保护电路。
电流检测元件、温度检测元件需要直流稳压电源故设计添加稳压电源。
图3-2控制系统总体结构
3.1PLC控制部分
3.1.1选择适合的PLC机型
择PLC机型应从性能结构、估算PLC电机控制系统所需要的I/O点数、存储容量以及特殊功能等方面来综合衡量,一般来说,机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下,保证可靠、维护使用方面以及最佳的性能价格比。
采用晶闸管整流装置对直流电机供电的直流调速系统,可编程的输入最重要的是考虑主令控制信号。
I/O点数是衡量PLC规模大小的重要指标。
因此首先要根据系统的控制规模,确保有足够的I/O点数,并考虑有I/O点数作为余量,以备后用。
除了I/O点数之外,还要考虑I/O模块的工作电压以及外部接线方式。
对于输入模块主要考虑两点,一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择工作电压;二是高密度的输入模块,能允许同时接通的点数,一般不得超过总输入点数的60%。
输出模块有继电器、晶体管和晶闸管三种工作方式,其中继电器输出模块最便宜,在输出变化不快、开关要求不频繁的场合,应优先选用。
S7-200是西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统,是整体式PLC,将输入和输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机壳内。
S7-200采用模块化设计,为适应具体的应用提供了极大的灵活性,便于扩展功能,有效地提高了系统经济性。
[8]
S7-200有5种CPU模块,最多可以扩展7个扩展模块,扩展到248点数字量I/O(input/output)或38路模拟量I/O,最多有30KB的程序存储空间和数据存储空间。
直接读、写模拟量I/O。
S7-200系列普通PLC的温度适用范围0~55℃,宽温型S7-200的温度适用范围为-25~+70℃。
由于设计系统有启动信号、方向选择信号、停止信号、电流检测信号、转速检测信号、温度检测信号、给定电压信号输入,启动信号、停止信号、数字显示输出信号,控制触发脉冲信号,晶闸管风机运行和电动机风机运行信号输出,故设计采用CPU224。
它有14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口,具有PPI(PDHPhysicalInterface)通讯协议、MPI(MessagePassingInterface)通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸,是具有较强控制能力的控制器。
S7-200的输入、输出信号如图3-3所示。
图3-3PLC(S7-200)的输入、输出信号示意图
3.1.2PLC输入/输出端口
(1)I/O系统的功能与组成
接口是两个系统或两个部件之间的相交接部分,可以是两种硬件设备之间的连接电路,也可以是两个软件之间共同的逻辑边界。
I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的硬件电路及其相应的软件控制。
一般来讲,不同的外部设备均有其独立的设备控制器,设备控制器需要通过I/O接口与主机进行联系。
I/O系统的基本功能:
①为信息的传输操作选择设备;
②在选定的输入输出设备和计算机主机之间交换信息。
(2)I/O系统的组成
由I/O系统要实现的功能,I/O系统也包括了硬件及其相应的软件。
各种外围设备不能与计算机主机直接联系,必须通过I/O系统联接。
输入/输出接口:
用来完成外围设备与CPU交换信息时在速度、代码形式上的相互匹配。
在CPU中,数据的传送速度是纳秒级的,而外围设备的速度则是毫秒级的,最快是微秒级的,两者相差悬殊。
CPU中的二进制数据是并行传输的,并且有标准的电位要求,而外围设备因其种类的不同,其数据的传输方式有串行的,有并行的,还有串并行的。
接口部件的功能就是进行外设与CPU之间的信息转换,使其形式上能互相适应,速度上能互相匹配。
同时能根据CPU的控制要求,对I/O系统的工作进行控制与检测。
接口部件是计算机系统的重要组成部分,不同的输入输出方式,不同的系统结
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