龍門刨床直流控制系統(tǒng)振蕩及消除

（西安職業(yè)技術學院，陜西西安，710032）

龍門刨床直流控制系統(tǒng)振蕩及消除

黃太龍

（西安職業(yè)技術學院，陜西西安，710032）

通過對龍門刨床直流控制系統(tǒng)分析，總結了系統(tǒng)振蕩的原因，對每個方面存在的具體問題，提出了相應的檢修方法和改進措施，以減小系統(tǒng)振蕩。全文主要針對直流擴大機-直流發(fā)電機-直流電動機系統(tǒng)和晶閘管整流器-直流電動機系統(tǒng)的龍門刨床，對于全數字直制器系統(tǒng)的龍門刨床也提出了應注意的問題。

龍門刨床；直流控制系統(tǒng)；振蕩原因；檢修方法

龍門刨床是制造重型設備，如大型軋鋼機、汽輪機、發(fā)電機、電動機、礦山設備等不可缺少的工作母機。近年來，雖然高性能交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，但直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟。目前，在企業(yè)里龍門刨床直流調速系統(tǒng)應用廣泛。

龍門刨床主要用于加工大型工件的各種平面、斜面、槽。特別適宜于加工大型、狹長的機械零件，如機床的床身，箱體，導軌等。具體加工過程是工件放在工作臺上，工作臺由一臺直流電動機通過機械傳動機構拖動工件與刀具相對運動進行加工。

為了減小刀具在切入工件時與工件的沖擊，延長刀具的使用壽命，刀具切入工件之前工作臺要減速。切入工件后再加速到規(guī)定的切削速度。為防止工件邊緣的崩裂，切出工件之前工作臺要減速。由于返回過程不切削工件，為提高生產效率，反向時直接加速到高速返回。返回過程再反向到工作過程之前，為減小反向時的越位和對機械傳動機構的沖擊，系統(tǒng)還要求有一個減速過程，然后工作臺換向，重新開始工作過程。

以上所述的生產工藝特點決定了龍門刨床工作臺頻繁的進行往返運動，相應拖動龍門刨床工作臺的直流電動機就會頻繁的工作在過渡過程。當負載發(fā)生變化，例如吃刀前后或工件有沙眼；工作臺迅速改變轉速時，拖動工作臺的直流電動機會發(fā)生抖動現象，特別是在起動、換向和停車過程中，直流電動機可能以較高的頻率來回擺動形成振蕩。由于振蕩破壞了系統(tǒng)的正常運行，影響加工質量，使電動機和傳動機構承受較大的反復沖擊而發(fā)生事故，所以必須消除。引起龍門刨床直流調速系統(tǒng)振蕩故障的具體原因很多，為了快速檢修電氣設備故障，下面從系統(tǒng)振蕩產生的具體原因、系統(tǒng)振蕩的檢修方法分述如下：

1 系統(tǒng)出現振蕩的原因

1.1電磁慣性

由于直流電機是具有電磁慣性的電感元件，它的定子繞組和電樞繞組中電流的變化總是滯后于相應的電壓變化，電機越大，電感線圈匝數越多電磁慣性越大。由于拖動工作臺的直流電動機速度的改變是靠電樞電壓變化實現的，屬于恒轉矩調速性質，而工作臺和工件這一負載在高速時屬于恒功率調速性質，拖動電動機與負載在高速時調速性質的不一致，使得拖動工作臺的直流電動機的容量很大，接近滿足切削功率要求的2倍。這樣大的電動機電磁慣性就很大。例如，A系列龍門刨床直流發(fā)電機勵磁繞組上加一直流電壓后，勵磁繞組中的電流要經過1.8秒的時間才能達到穩(wěn)定值。因此，在減速和換向過渡過程中，往往由于反應不夠及時而發(fā)生振蕩現象。為了改善系統(tǒng)動態(tài)特性，在實際的系統(tǒng)中往往選擇電磁慣性小的勵磁調節(jié)器。

1.2負反饋環(huán)節(jié)

負反饋環(huán)節(jié)有強勵磁作用，如果沒有負反饋環(huán)節(jié)，勵磁調節(jié)器發(fā)出的電壓使電動機逐漸加速至穩(wěn)定值。停下電動機時勵磁調節(jié)器電壓減小為零，電動機慢慢地制動直到停止。這樣勵磁調節(jié)器不會發(fā)出反向電壓，電動機不可能反轉，振蕩可能性就消除了。

1.3調節(jié)器放大倍數

調節(jié)器放大倍數大，則輸入信號被放大的能力就強，相反，如果放大倍數很小，對輸入信號被放大的能力就弱。例如，當刨床停車時，如果調節(jié)器放大倍數小，它的輸出電壓就會小，不可能達到較大數值。于是直流電動機電樞兩端電壓的絕對值隨著每次的振蕩而減小，最后過渡到零，電動機經過幾次減幅振蕩后停下，系統(tǒng)不能產生等幅的持續(xù)振蕩，此時系統(tǒng)是穩(wěn)定的。也就是說，減小調節(jié)器放大倍數，即減小系統(tǒng)強勵磁倍數，讓系統(tǒng)的過渡過程緩慢進行，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而消除振蕩。

綜合以上因素，調節(jié)器和直流電機等電磁慣性越大，負反饋作用越強，調節(jié)器放大倍數越大，則產生振蕩的可能性也越大。電磁慣性存在于一切電機中，負反饋與調節(jié)器放大倍數高又是龍門刨床調速系統(tǒng)所必須的。沒有負反饋環(huán)節(jié)，剩磁電壓就不能減小，調速范圍就小，靜差度就大，且不能實現強勵磁，過渡過程緩慢，生產率會降低。調節(jié)器放大倍數小，機械特性就軟，調速范圍也受到影響，強勵磁難于實現，系統(tǒng)快速性變差?？傊?，引起振蕩的原因是客觀存在的，但是又必須消除它。

2 系統(tǒng)振蕩檢修方法

由于系統(tǒng)在恒速運行時不會出現振蕩，振蕩發(fā)生在系統(tǒng)的過渡過程中。電動機在起動、制動、反向和調速的過程中都屬過渡過程，而這種過渡過程的產生，是由系統(tǒng)電壓、電阻、頻率等電氣參數或負載的變化引起的。但是這些參數的突變，不能使電動機的轉速發(fā)生突變。例如直流他勵電動機電樞兩端電壓突然降低，電動機的轉速不會突然下降，而要經過一定的時間，才能過渡到新的較低的速度下穩(wěn)定運行。

針對發(fā)生振蕩時系統(tǒng)中電壓、電流變化特別迅速這一現象，龍門刨床直流調速系統(tǒng)在雙閉環(huán)調速的基礎上，增加一個電流變化率調節(jié)器或電壓變化率調節(jié)器，組成三環(huán)調速系統(tǒng)。這實際上是給系統(tǒng)加上被調量的微分負反饋，使當被調量還沒有變化，只是有了變化的趨勢時，其微分量就已經起著負反饋的作用了。因而有助于抑制系統(tǒng)的振蕩，減少超調。

具體的實現方法因系統(tǒng)而異。在小功率系統(tǒng)中，通常采用RC微分電路；在大功率系統(tǒng)中，多采用微分變壓器；例如在B2010A系列龍門刨床中利用擴大機控制繞組與接在擴大機輸出端的電阻、發(fā)動機的勵磁繞組和相應的電阻組成電橋穩(wěn)定環(huán)節(jié)來減輕或消除系統(tǒng)的振蕩。根據以上分析，我們在檢修時，應首先檢查微分負反饋環(huán)節(jié)及外圍電路。

龍門刨床直流調速系統(tǒng)結構總體來說分為兩類：對于中小型刨床一般采用機械電氣聯合調速，即低速時改變直流電動機電樞電壓實現恒轉矩調速，高速時利用機械傳動的恒功率性質實現恒功率調速；對于大型刨床采用電氣聯合調速，即低速時改變直流電動機電樞電壓實現恒轉矩調速，高速時利用調磁的恒功率性質實現恒功率調速。系統(tǒng)運行時出現振蕩的原因是多方面的，當系統(tǒng)出現振蕩時，首先根據振蕩發(fā)生的時間和振蕩現象，分析各自系統(tǒng)的電路特點采取相應的檢修方法。具體措施如下：

2.1空載時產生振蕩

這種情況主要原因如下：

1)RC微分電路的電容漏電損壞或電阻燒壞；

2）微分變壓器繞組匝間短路或對地短路；

3）橋形穩(wěn)定環(huán)節(jié)各電阻值因溫度變化造成電橋不平衡；

4）上述各微分負反饋環(huán)節(jié)引出線脫落或松動；

5） 穩(wěn)定繞組接反；

6）電流截止回路中整流元件損壞；

7）電壓負反饋接反。

對以上情況根據設備采用的微分負反饋具體電路檢查修理，恢復正常。

2.2工作臺低速蠕動

由于龍門刨床還可以進行磨削加工，工作臺低速蠕動一般在磨削速度時發(fā)生，經常會遇到兩種蠕動現象：一種是低速時有停頓現象：另一種在低速時有擺動現象。檢修方法是：

1）檢查負反饋環(huán)節(jié)回路引線是否脫落或松動；

2）調節(jié)負反饋電壓值，加強電壓負反饋作用；

3）檢查電流正反饋環(huán)節(jié)回路引線是否脫落或松動；

4）調節(jié)電流正反饋電壓值，加強電流正反饋作用；

5）微分負反饋回路或穩(wěn)定環(huán)節(jié)回路是否正常；

6）調節(jié)微分負反饋回路或穩(wěn)定環(huán)節(jié)回路使其作用增強；

7）檢查工作臺潤滑油的粘度，發(fā)現問題及時更換。

上述4主要是因為在低速時勵磁調節(jié)器放大倍數減小，穩(wěn)定轉速的效果較差，為彌補這種不利因素，需要加強電流正反饋。

2.3停車爬行

爬行是指系統(tǒng)無輸入時，工作臺仍能以一定的速度運動，爬行發(fā)生的時間是在開車前和停車后。爬行的形式很多，有時工作臺爬行后停下，然后又繼續(xù)向前爬行，所以也把它歸為系統(tǒng)振蕩。檢修方法為：

1）檢查負反饋環(huán)節(jié)回路是否正常；

2）調節(jié)負反饋環(huán)節(jié)包括速度調節(jié)器或電流調節(jié)器參數；

3）檢查自消磁環(huán)節(jié)回路是否接通；

4）調節(jié)消磁環(huán)節(jié)回路的消磁能力；

5）檢查兩個PI調節(jié)器中的運算放大器由于溫度等原因造成元器件老化；

6）對于用擴大機作為勵磁調節(jié)器的龍門刨床，可以順旋轉方向稍微移動電刷位置；

7）將直流發(fā)電機電刷位置順旋轉方向移動1～2片整流片，以減少剩磁電壓。

停車爬行的本質都是由于剩磁電壓的影響，以上6、7都是應用直流電機電樞反應產生的磁通分量與主磁通方向相反，減少剩磁，消除工作臺爬行。但是如果消磁作用太強，促成反向磁化，又會形成停車后反方向爬行。

2.4停車振蕩

停車振蕩現象表現為，停車時電機和工作臺來回擺動幾次。不僅停車時會發(fā)生振蕩，工作臺步進、步退或前進、后退時也會發(fā)生振蕩。出現這種情況，主要原因是穩(wěn)定環(huán)節(jié)不起作用。除了按前面敘述的方法檢查外，重點應檢查：

1）RC微分電路是否接通；

2）串聯校正網絡與PI調節(jié)器引出線脫落或松動；

3）微分變壓器繞組是否正常；

4）橋形穩(wěn)定環(huán)節(jié)電橋是否平衡；

5）穩(wěn)定環(huán)節(jié)繞組的極性是否接錯；

6）電動機電樞兩端并聯的R-C回路接線是否牢靠；

7）電動機電樞兩端并聯的電容是否漏電損壞或電阻因溫度變化其阻值發(fā)生改變。

以上6、7兩點是針對可控硅勵磁的，由于可控硅輸出的整流電壓是脈動的，在采用晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的龍門刨床上，電動機電樞兩端并聯一個R-C回路，實際上就是無源并聯校正裝置，只有當電動機端電壓發(fā)生變化時才起作用。電動機端電壓上升時，由于電容器充電使電動機端電壓上升速度受到抑制，阻礙電動機轉速的上升。轉速下降時，電樞端電壓下降，電容器放電。放電電流在電阻上引起的壓降與給定信號極性相同，減緩電動機轉速下降的速度，抑制系統(tǒng)振蕩的產生。

2.5電動機空載或輕載時電流斷續(xù)

對于采用晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的龍門刨床，電流環(huán)PI調節(jié)器的動態(tài)參數是按電樞回路電流連續(xù)的情況選取的。然而當系統(tǒng)在空載或輕載下工作時，如果平波電抗器的電感量不是十分大，就會出現電流斷續(xù)的情況。這種情況下系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)生變化，使電流環(huán)調節(jié)對象的總放大倍數大大降低，并且電流調節(jié)器變成比例環(huán)節(jié)，因而整個電流環(huán)的響應過程變慢，造成轉速環(huán)的低頻振動。

檢修時重點檢查平波電抗器線圈的絕緣，若問題仍不能解決可以考慮對系統(tǒng)進行改造，增加一個電流自適應調節(jié)器，使調節(jié)器的結構和參數能夠隨著電流的連續(xù)與否而自動改變，在電流斷續(xù)區(qū)，系統(tǒng)也有良好的動態(tài)性能。

2.6非線性因素

就龍門刨床直流調速的調節(jié)對象而言是位移，由于電動機輸出軸通過機械傳動裝置反映在位置上，系統(tǒng)不可避免的存在齒輪間隙、摩擦等非線性因素。對于間隙引起的自振蕩，可以在系統(tǒng)中串入相位超前的校正裝置補償間隙的滯后效應，消除振蕩。

目前，企業(yè)運行的龍門刨床直流調速系統(tǒng)設備有三種形式。分別是：直流擴大機-直流發(fā)電機-電動機系統(tǒng)；晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)；全數字直流控制器系統(tǒng)。例如英國歐陸全數字直流控制器，對于全數字直流控制器系統(tǒng)的龍門刨床，除按上述方法檢修外，將單片機存儲器中的控制參數調整合適，尤其是在低速運行，即深調速情況下對于減小龍門刨床直流控制系統(tǒng)振蕩是個關鍵。

以上對直流調速系統(tǒng)振蕩的原因進行了分析并提出了檢修、改進方法，多年的檢修經驗證明以上方法在實際工作中取得了良好的效果。

[1] 陳伯時．運動控制系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

[2] 周希章，周全．電動機起動、制動和調速[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

[3] 張濤．電氣自動控制系統(tǒng)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

Longmen planerDC controlsystem oscillationand elimination

Huang Tailong
(Xi'an Vocational and Technical College，ShaanxiXi'an，710032)

By Planer DC control system analysis,Summed up the cause of system oscillations，The specific problems of each aspectProposed repair methods and corresponding measures for improvement，To reduce system oscillations.To control the text of the main amplifier for DC - DC generator-DC motor system and thyristor rectifier - DC motor system planer,For all-digital system of straight planer system also should pay attention to the issues raised.

Planer；DC speed control system;system oscillation;repair methods