ZCC1:簡介,基本性能,主迴路,控制迴路,觸發電路,給定積分電路,速度調節單元,

ZCC1是晶閘管—電動機直流調速裝置（簡稱ZCC1系列），來闡述晶閘管—電動機直流調速系統分析。ZCC1系列晶閘管—電動機直流調速裝置為三相全控橋不可逆直流調速裝置，是以Z2、Z3系列直流電動機電樞供電為主要用途的、通用的晶閘管—電動機調速裝置。

基本介紹

中文名：ZCC1
外文名：晶閘管—電動機直流調速裝置
別名： ZCC1系列
套用：工業生產

簡介,基本性能,主迴路,控制迴路,觸發電路,給定積分電路,速度調節單元,電流調節器單元,保護電路及觸發輸入（CSR）,速度變換器,電源及故障綜合電路,電路綜合分析,

簡介

晶閘管電動機直流調速系統在工業生產中獲得廣泛套用。ZCC1是晶閘管—電動機直流調速裝置（簡稱ZCC1系列），來闡述晶閘管—電動機直流調速系統分析。ZCC1系列晶閘管—電動機直流調速裝置為三相全控橋不可逆直流調速裝置，是以Z2、Z3系列直流電動機電樞供電為主要用途的、通用的晶閘管—電動機調速裝置。

基本性能

裝置的負荷性質按連續工作制考核。

裝置在長期額定負荷下，允許150%額定負荷持續二分鐘，200%額定負荷持續10秒鐘，其重複周期不少於1小時。

裝置在交流進線端的電壓為（0.9~1.05）380伏時，保證裝置輸出端處輸出額定電壓和額定電流。

電網電壓下降超過10%範圍時輸出額定電壓同電源電壓成正比例下降。

裝置在採用轉速反饋情況下，調速範圍為20∶1，在電動機負載從10%~100%額定電流變化時，轉速偏差為最高轉速的0.5%（最高轉速包括電動機弱磁的轉速）。

轉速反饋元件採用ZYS型永磁直流測速發電機。

裝置在採用電動勢反饋（電壓負反饋、電流正反饋）時，調速範圍為10∶1，電流負載從10%~100%變化時，轉速偏差小於最高轉速的5%（最高轉速包括電動機弱磁的轉速）。

裝置在採用電壓反饋情況下，調壓範圍為20∶1，電流負載從10%~100%變化時，電壓偏差小於額定電壓的0.5%。

裝置給定電源精度，在電源電壓下降小於10%以及溫度變化小於±10℃時，其精度為1%。

主迴路

ZCC1系列裝置主電路採用三相橋式全控整流電路，交流進線電源通過三相整流變壓器（或者交流進線電抗器）接至380V交流電源。為了使電機電樞電流連續並減小電流脈動以改善電動機的發熱和換向，在直流側接有濾波電抗器L。

ZCC1系列裝置主迴路設有過電壓保護和過電流保護。交直流側過電壓保護採用阻容過電壓和氧化鋅壓敏電阻器。晶閘管換相過電壓保護採用阻容過電壓吸收器。過電流保護有快速熔斷器、電子過電流保護以及過電流繼電器。電動機勵磁迴路設有過電壓保護和失磁保護。

控制迴路

觸發電路

同步移相環節：同步移相環節中，包含同步環節、鋸齒波形成、垂直移相控制等幾個部分。同步電壓US經R1、C1、RP1、R3組成的濾波環節後加至V1的基極和發射極。VD1與V1的工作狀態取決於電容器C1的兩端電壓，當電容器C1的上端為正時，VD1通道，V1截止。反之，當電容器C1的下端為正時，VD1截止，V1導通。濾波環節不僅可以消除電網電壓畸變對V1的開關作用的影響，並且可通過調節電位器RP1改變阻容移相角，是同步電壓US與主迴路電壓的相位相適應，以實現同步。

鋸齒波形成與移相環節：鋸齒波形成環節由C2、V1、V2、R3、R4、R5、RP2、VD2、VD3、VD4等組成。V2、R3、R4、R5、VD2、VD3、VD4等組成恆流電路。V2的基極典韋由R3、VD2、VD3、VD4、R4組成的固定分壓電路決定，則V2的發射極點位也是固定的，發射極電流ie2由此固定電壓除以電阻R5與RP2得到，是恆定的電流。

調節RP2阻值就可以改變恆流電流值，即改變電容器C2的充電電流值，從而改變鋸齒波電壓的斜率。電容器C2的充放電由V1控制，V1截止時恆定電流ic2對電容器C2進行充電，電容器兩端電壓隨時間t按線性增長，極性為下正、上負，而V1導通時，電容器C2進行放電，電容器兩端電壓為零。V1的狀態受濾波後的同步電壓控制us’。us’在為正半周時，V1截止，電容器C2充電，電容兩端電壓按線性增大；在us’為負半周時，V1導通，電容器C2放電，電容器兩端電壓為零。由此在電容器C2上即得到頻率與電源相同的鋸齒波同步信號。直流控制電壓Uct為正電壓輸入，加在3號角和接地端之間，與同步電壓串聯。當V1導通時，V1的集電極B點點位UB和控制電壓UC相同；當V1截止時，電容器C2進行充電，電容兩端電壓Uc2按線性增大，B點點位UB=UC- Uc2線性下降，到UB<0時，VD5導通，V3從導通變為截止，輸出觸發脈衝。改變直流控制電壓Uct的大小即改變了鋸齒波電壓的起始電位。直流控制電壓Uct越大，鋸齒波電壓的起始電位越高，C2的充電時間越長，V3從導通變成截止，輸出觸發脈衝的時刻的滯後也就越大，即Uct增加，控制角也增大。由此可見，改變直流控制電壓Uct，也就改變V3從導通到截止的時刻，從而實現脈衝移相控制。

脈衝形成與整形環節：該環節主要由V3、V4、V5組成。當V3從導通變為截止時，V3集電極電位上跳約為15V，通過C4輸出一個正脈衝，送到V4基極，對V4、V5組成的單穩態電路進行觸發。在脈衝來之前的穩態時，V4、V5都處於截止狀態；當V4得到正脈衝後，由截止變為導通，V4集電極電位下降，通過R11、C5使V5獲得基極電流而導通。V5導通後通過R12、VD10對V4引進正反饋，使V4、V5迅速進入飽和導通。V5導通時，其集電極輸出的脈衝經VD12送向功放級，由於正反饋的作用使得輸出的脈衝前沿變陡。R12、VD10的另一個作用是在C4充電結束後正脈衝消失後向V4提供基極電流，使V4仍能導通。在V4導通後，+15V電源經R10、R11、V4開始對電容C5進行充電，使C5兩端電壓增大，V5飽和導通，V5集電極電位開始下降，由它提供的V4的基極電流隨之減小，不能在維持V5飽和導通，V5集電極電位開始下降，由他提供的V4的基極電流隨之減少使V4開始脫離飽和和導通狀態，V4集電極電位開始上升，V5基極電流進一步下降，V5集電極電位也進一步下降，從而使V5和V4迅速截止，V5集電極輸出的觸發脈衝結束，單穩態電路的暫穩態結束。因此，觸發脈衝寬度取決於C5、R11、R10數值。在V3導通，V4、V5截止時，C4經V3、VD8放電，C5經VD9、R9放電，為下一次產生脈衝做好準備。

雙脈衝形成與放大環節：從V5的集電極輸出的脈衝，經VD12輸入脈衝功放級V6、V7，同時又通過VD11從雙脈衝輸出端給前一相觸發電路輸出一個補脈衝。同樣，經過雙脈衝輸入端從後一相觸發電路輸入一個在相位上滯後60°的補脈衝，因此在VD12的陰極得到相位差為60°的雙脈衝。從VD12的陰極得到的雙脈衝經R14、穩壓管VS1、V6、V7脈衝功放級放大後去驅動脈衝變壓器輸出觸發脈衝。

給定積分電路

給定積分器由三個集成放大器N1、N2、N3組成的電平檢測器、積分器和反相器組成。N1為反向輸入的開環放大器，給定信號從6號端輸入，在N1輸出端得到極性與輸入相反，幅值接近於電源電壓的輸出電壓。由於N1上的反饋電阻R9取值較大，僅起到穩定輸出的作用，因此N1仍被當做比較器看待。N1比較器的正、負向輸出電壓限幅採用三極體反饋限幅方式。現以正向限幅為例說明，V1的基極電位由N1的輸出電壓經VD5、RP3、R11到-U的分壓值確定，在N1輸出幅值未達到限幅值時，V1的基極電位為負，V1截止。當N1輸出增大達到限幅值時，RP3與R11分壓值升高，使V1的基極電位由負增至大於零後，三極體V1導通，則N1比較器的輸出電壓被鉗位而不能再顯著調高，達到限幅目的。正、負限幅值各由RP3和RP4調整。在有弱磁的調速系統中，正速度信號從三號端輸入，達額定轉速時，由R6和R4分壓，使V1基極電位從高於零開始，BG1基極電流逐漸加大，比較器輸出限幅值下降，即加速度降低，限制了弱磁高速下主迴路電流，以適應電動機的換向能力。4號端供輸入負速度信號。

N2為積分電路，其積分時間常數為電阻器R13和R14的並聯值與電容器C1的乘積。由於積分電路的輸入電壓為恆定值，故積分電路的輸出電壓u2為一個先行變化的斜坡信號，調整RP5、U1、R13、R14、C1都可以調整輸出電壓斜率。調整電阻器R13、R14和C1可粗調積分時間常數。N3為反相器，將N2的輸出信號反向後送到N1的輸入端，以保證其與N1的給定輸入極性相反而成為負反饋。

速度調節單元

速度調節器（ASR）是運算放大器與反饋網路組成的PI調節器，速度調節器的主要作用是使速度外環獲得最佳運行狀態，也就是使電動機的轉速儘可能迅速而準確地跟隨給定值，使電動機轉速不受外部擾動的影響。此外，對速度調節器的輸出進行限幅，用以限制系統的截止電流，使系統非常簡便地獲得敏銳的截止特性。在調速系統中，經常要求靜差小、動態回響較快，因此速度調節器的比例係數要適當大一些。

速度調節器單元包括由集成放大器N1組成的電平檢測器和N2組成的調節器兩個部分。由轉速給定電位器取出的給定信號直接送到速度調節器單元的14號端，即N1電平檢測器的輸入端；而給定積分電路的輸出給定信號則送到13號端，即N2速度調節器的輸入端。電平檢測器是由集成運放N1加上正反饋形成，它具有繼電特性，有一定的迴環寬度，用以鑑別是否有速度給定。當給定信號小於0.2V時，由於N1從電位器RP2獲得正向偏壓，所以N1輸出最大電壓。該輸出電壓同二極體V1加到N2速度調機器，使N2速度調節器迅速輸出負向限幅電壓，通過電流調節器輸出1個推β信號，使觸發器產生的觸發脈衝處於βmin，系統處於可靠的停機狀態。當14號端接收到的速度給定信號幅值大於0.2V時，N1電平檢測器迅速翻轉輸出為負，由於二極體VD1的阻擋作用，使得不再有正向偏壓加至N2速度調節器，從而接觸了封鎖，使N2速度調節器迅速退出負飽和，並開始按速度偏差信號進行PI調節。

調節器輸出電壓正限幅採用三極體反饋限幅方式，調節電位器RP3來改變正向電壓限幅值。調節器輸出電壓附限幅採用二極體反饋限幅方式，負向電壓限幅值固定為-2V。

電流調節器單元

電流調節器（ACR）也是由運放與RC反饋網路組成的PI調節器，電流調節器的主要作用是使電流內環獲得最佳的工作狀態，可以使電流內環被校正為1個小慣性環節，以便於實現速度外環的最佳化，這樣整個系統的最佳化也就容易實現了。另外，由於電流內環的快速調節作用，可以抑制由於電網電壓突變而引起的速度波動。

電流調節器單元包括VD1~VD6所組成的電流檢測變換電路和集成放大器N組成的電流調節器兩個部分。二極體VD1~VD6組成三相整流橋，接收來自二次側額定電流為0.1A的交流電流互感器的信號，並將其變換成直流電壓，作為電流反饋電壓輸出到電流調節器，電流負反饋電壓的大小可調節電位器RP1。為防止電流互感器二次側開路而引起電壓衝擊，通過12號端和13號端設定了與主電路合閘的連鎖關係，只有當電流調節器單元板插在印板插座中時，主電路才能接通。

來自速度調節器的輸出信號有5號端接入電流調節器作為電流環的給定信號，在該輸入端有R2、R3、C1組成的T形濾波器。電流反饋信號與給定信號比較後的電流偏差信號由調節器進行PI調節。為加快對電網波動的調節作用，在電流反饋輸入端同時還帶有由C2、R5引進的電流微分負反饋。電流調節器的輸出通過19號端、20號端送往觸發輸入單元的3號端。電流調節器輸出電壓的正、負限幅均採用二極體反饋限幅方式。

保護電路及觸發輸入（CSR）

過電流保護電路：過電流保護電路由電晶體V1和小晶閘管VT1及有關電阻器、電容器組成。由電流調節器單元中電流變換電路產生的電流反饋信號電壓Ui一方面作為電流調節器的反饋信號，另一方面又送到過電流保護電路板的20號端，它與從電位器RP1取出的偏置電壓U1進行比較。當都電流反饋電壓小於偏置電壓時，二極體VD1的陰極電位為正，VD1處於阻斷狀態，正電源經電阻R6為V1提高飽和基極電流使V1飽和導通，小晶閘管VT1處於阻斷狀態，正電源R9、VD3、R10，為電晶體V2提高飽和基極電流而使V2飽和導通。當電流反饋電壓大於偏置電壓時，二極體VD1的陰極電位為負，VD1導通，原來通過R6進入V1基極的電流轉移到VD1使V1截止，正電源通過R7、VS1為晶閘管VT1提供觸發電流，晶閘管VT1導通，VT1陽極電位下降為1V左右，再由R10 、R11的分壓左右使V2因基極電位為負而截止。正電源通過R12、R13、VD5給觸發輸入電路輸入1個推β信號，將觸發脈衝推至最小逆變角βmin並保持，使晶閘管裝置處於最大逆變電壓工作，迫使主電路電流下降以免事故擴大。同時，VT1陽極的低電平通過15號端輸出一個表示過電流的事故信號，還通過7號端輸出1個過電流聯鎖信號電壓，使外接繼電器動作。由於晶閘管VT1一旦導通，即使觸發信號消失，它仍能保持導通狀態並起到事故記憶作用，因此事故處理後需按復位按鈕進行復位，使晶閘管VT1關斷，解除記憶。過電流動作的整定值可通過調整RP1來改變。

觸發輸入電路：觸發輸入電路在本系統中主要的作用是進行電平變換。電流調節器輸出的信號電壓極性根據實際控制情況的不同有正、有負，而觸發電路只能在正的移相控制信號電壓下工作。因此，要用觸發輸入電路將來自電流調節器輸出的正負信號電壓變換為正輸出信號電壓，以適應觸發電路的移相控制信號電壓的要求。

電流調節器輸出電壓UK從本電路板的三號端輸入，它與電位器RP2上取得的電壓U2進行疊加，在V3的基極A點得到電位UA。電路中，RP4活動端取出的電壓為UM，RP3活動端取出的電壓為UN，當UN<UA<UM時，電晶體V3、V4、V5都工作線上性放大區。如果忽略三極體發射極和基極的壓降及二極體的正向壓降，同時考慮到V5的基極電流通常只有幾十微安，在R22上的壓降也可忽略，這樣，從13號端輸出的移相控制信號電壓Uct便能計算出，調節電位器RP2使偏移電壓U2的大小變化，就可以改變觸發輸入單元輸出的移相控制信號電壓Uct的大小，使其滿足觸發電路的需要。

除了電平變換作用外，本電路還具有設定觸發脈衝初始相位α、Uctmin和Uctmax的限制功能。在3號端輸入電壓UK=0時，可通過調節電位器RP2調整偏移電壓U2的大小，即可改變系統的觸發脈衝的初始相位角α0，使其處於α=90°或其他所需值。當3號端輸入控制電壓UK負向增大時，V3飽和導通，其集電極電位Uc3升高，VD8截止，正電壓通過R18為V4的基極提供飽和基極電流，V4飽和導通，Uce4≈0，Uc4=Ue4=UN，所以Uct=Ub5=UN。因此，即使輸入電壓UK負向電壓繼續增加，13號端的輸出電壓Uct不變，Uctmin= UN。輸出電壓Uctmin對應於觸發電路控制角αmin。調整電位器RP3可改變Uctmin的值，即改變αmin。當三號端輸入控制電壓UK正向增加時，Ub5、Uc4也隨之上升，當Ub5、Uc4>UM時，VD9導通，Uct=Ub5= Uc4=UM，即使UK繼續增大，使Ub3也隨之上升，而Uct卻保持UM不變，即Uctmax=UM。輸出電壓Uctmax對應於觸發電路控制βmin。調整電位器RP4可改變Uctmax的值，即改變βmin。

速度變換器

轉速變化器將直流測速發電機電樞電壓經分壓後向速度調節器提供轉速反饋信號，同時還提供轉速儀表所需的信號、超速保護信號。

直流測速發電機的電壓從10號端和3號端輸入。輸入信號經電阻器R1~R4降壓後，從12號端和4號端分別可輸出相反極性的轉速反饋電壓，具體可根據控制系統要求轉速反饋電壓的極性選用，本系統中選用12號端輸出正極性的轉速反饋電壓。該轉速反饋電壓大小可分別調節電位器RP1、RP2，一般調整到±8V。另外，二極體VD7~VD10整流後，從6號端輸出恆正電壓，從5號端輸出恆負電壓，可供弱磁系統使用；從14號端輸出與測速發電機電壓成正比例的轉速信號電壓供轉速表用。ZCC1系統要求使用的測速發電機最大直流電壓在50~200V之間，當測速發電機最大輸出直流電壓低於110V時，電阻器R1和R2應短接以減小衰減量。

超速保護電路由集成運放N構成的電壓絕對值檢測器和小晶閘管VT組成帶有記憶功能的電平檢測器電路。轉速反饋電壓經二極體VD11或VD12整流變成正絕對值轉速反饋電壓，與偏執電壓進行比較後送集成放大器N的同相輸入端。正常時轉速反饋電壓幅值小於電位器RP4上取出的偏置值，比較器輸出負向電壓，小晶閘管VT關斷，輸出19號端為高電平。一旦超速發生，轉速反饋電壓即大於電位器RP上取出的偏置值，則比較器輸出正向電壓，小晶閘管VT導通，輸出19號端為低電平。

電源及故障綜合電路

電源及故障綜合電路（GZ）中除了提供+24V電源給觸發電路作為觸發電源使用之外，主要作用是在調速系統中進行故障信號的綜合與鑑別，通過發光二極體顯示故障所在，還能輸出電平信號，通過外接繼電器為系統提供聯鎖觸電信號。本電路可對±15V工作電壓欠壓、主電路過流、電動機超速等故障信號進行綜合。

觸發電源由三相交流22V電源經VD01~VD06整流，電容C01、C02濾波後輸出+24V，供觸發裝置使用。過電流、超速信號電壓分別經4號端與5號端輸入，正常時輸入均為“1”，三極體V2導通，外接繼電器K吸合，其動合觸點串聯在主迴路合閘迴路中，K吸合時主迴路能正常接通，此時三極體V1基極通過V2集電極反饋電阻器R5得到低電平而使V1截止。當發生過電流或超速時，4號端或5號端上出現“0”，對應發光二極體點亮以指示故障種類；同時VD1或VD2導通，使V1集電極電位變為低電平，V2截止，繼電器K失電，其動合觸點釋放出事故信號，使主迴路斷開。±15V工作電源接2號端和21號端，正常時V3導通，V3集電極電位低於零電位，不影響V1、V2狀態。當±15V電源中任意一個電壓過低時，均使V3截止，其集電極電位變為高電平而使V1導通，V2截止，繼電器K亦失電釋放，發出故障信號。

電路綜合分析

停車狀態電動機停車時，開關S打開，給定電壓Ugn=0，速度（轉速）調節器單元中A1速度比較器輸出一個大於+8V的推β信號電壓，使速度（轉速）調節器輸出電壓為負向限幅值-Ugi，電流調節器輸出電壓為正向限幅值UKmax，通過觸發輸入單元CSR、觸發器CF，使晶閘管變流器控制角處於最小逆變角βmin，電動機處於停車狀態。

電動機正向啟動運行當開關S閉合，給出負的正向速度給定電壓（Ugn=-），當速度給定電壓Ug>0.2時A1速度比較器迅速翻轉輸出為負電壓，使速度（轉速）調節器迅速退出負限幅值-Ugi並開始按速度偏差信號進行P、I調節。經積分給定器使給出負的給定電壓變成線性變化的負的給定電壓Ugn。速度（轉速）調節器的輸入偏差△Un=Ugn-Ufn，其極性為負。由於轉速反饋電壓Ufn受機械慣性影響，增加較慢，所以速度（轉速）調節器的輸出Ugi為正的限幅值。該輸出電壓Ugi是電流調節器的電流給定電壓，電流調節器輸入電壓△Ui=Ugi-Ufi,極性為正，因而電流調節器的輸出電壓UK為負。經過觸發輸入單元CSR-1，觸發器CF-1使晶閘管變流器的控制角從βmin向前移動使α<90°，晶閘管變流器工作於整流狀態，電動機正向啟動。以後啟動過程和前面所述的速度電流雙閉環調速系統啟動過程一樣，不再重複。穩態運行時，速度反饋電壓Ufn基本上等於速度給定電壓Ugn，速度（轉速）調節器的輸出電壓Ugi基本上與負載電流反饋電壓Ufi相等。

減速（或停車）正向減速時速度給定值減小，極性不變仍為負給定電壓，而電動機轉速來不及改變，所以速度（轉速）調節器的輸入端偏差△Un=Ugn-Ufn為正，速度（轉速）調節器ASR的輸出Ugi為負的限幅值，使電流調節器的輸出電壓UC為正，經過觸發輸入單元CSR，觸發器CF使晶閘管變流器的控制角從α<90°迅速後移至βmin，主迴路電流經本橋逆變後很快衰減到零。對於不可逆系統由於晶閘管變流器只能提供一個方向的電流，電動機只在負載阻力矩作用下減速，直至電動機轉速降至接近新的給定值時，由於速度微分反饋的提前作用使速度給定值Ugn重新大於速度反饋值Ufn，速度（轉速）調節器輸出開始退出負的限幅值，電流調節器輸出從正的最大值向負電壓變化，觸發器CF的觸發脈衝從βmin開始前移，電流環和速度（轉速）環相繼投入閉環工作，晶閘管變流器控制角α<90°工作在整流狀態，電動機在新的給定值下運行。

當正向停車時速度給定電壓Ugn=0（<0.2V時），速度（轉速）調節器單元中A1速度比較器輸出一個大於+8v的推β信號電壓，使速度（轉速）調節器輸出為負向限幅值-Ugi，電流調節器輸出為正向限幅值+Ucmax，使晶閘管變流器控制角迅速後移到βmin，電動機在阻力矩作用下減速至停車。

ZCC1