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5 辅助电路设计一、给定电源 电压给定原理图使用2个电位器RP1、RP2及2个按钮子开关S1、S2实现电压给定。S1开关为正、负给定变换开关，输出的正、负电压值的大小依次通过RP1、RP2来调节，其输出电压值得范围是0士l5V，S2为输出控制开关，接通“运行”侧，允许电压输出，接通“停止”侧，则输出恒为零。计数脉冲接近开关二、PI调节器设计1、电流环ACR1.1调节器结构采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图6.1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图6.1 PI型电流调速器1.2参数计算要求系统实现稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。电流调节器按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。已知所用直流电动机参数为：PN =500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375 r/min，电动势系数Ce =1.82Vmin/r, 电枢回路总电阻R=0.14,允许电流过载倍数=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反馈滤波时间常数=0.002s,转速反馈滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*= Unm =10V,调节器输入电阻R0=40k。（1）、整流装置滞后时间常数：三相桥式电路平均失控时间。（2）、电流滤波时间常数：（3）、电流小时间常数：按小时间常数近似处理：根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： 检查对电源电压的抗扰性能： 电流调节器超前时间常数：取电流反馈系数： 电流环开环增益：取，因此 于是，ACR的比例系数为： 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取 ，取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标2、转速环ASR2.1调节器结构调节器实现采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图7.1所示。图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。图7.1 PI型转速调节器2.2调节器参数计算电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 电压反馈系数： 按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： 转速开环增益为： 于是，ASR的比例系数为： 校验近似条件转速环截止频率为: 电流环传递函数简化条件为： ，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。计算调节器的电阻与电容按所用运算放大器取，则，取，取 ，取 按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量： 能满足设计要求三、电平检测器电平检测器的功能是将控制系统中连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态的数字量，它实际上是一个A/D转换器。一般可用带正反馈的运算放大器构成，并且具有一定要求的回环继电特性，其原理、结构及回环继电特性如图7所示。Uexm2UexUinUexm1Uin +K+Uexa) 原理图 b) 结构图 c)回环继电特性图7 电平检测器原理图、结构图及其回环继电特性继电特性的回环宽度为: (5-1)式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压； Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝10UTUI*电平检测器根据转换对象的不同，又分为DPT与DPZ.图8 转矩极性极性鉴别器DPT 电路及特性UIUi010图9 零电流检测器DPZ4.4无环流逻辑控制器DLC的设计无环流逻辑控制器的任务是：根据可逆系统的运行状态，正确地控制两组晶闸管装置触发脉冲的封锁与开放，使得在正正晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。两组触发脉冲决不能同时开放。为了知道是根据什么信息来指挥逻辑控制器的动作，我们首先分析一下系统的各种运行状态与晶闸管装置工作状态的关系。可逆系统共有四种运行状态，即四象限运行。当电动机正转和反向制动时，系统运行在第象限和第象限，它们共同点是电枢电流方向为正（在磁场极性不变时，电磁转矩方向与电枢电流方向相同），这时正组晶闸管VF分别工作在整流和逆变状态，而反组晶闸管VR都处于待工作状态。当电动机反转和正向制动时，系统运行在第和第象限，其共同点是电枢电流方向为负，这时反组晶闸管VR分别工作在整流和逆变状态，而正组晶闸管VF都处于待工作状态。由此可见，根据电流的方向（也就是电磁转矩的方向）就可以判断出两组晶闸管所处的状态（工作状态或待机状态），从而决定逻辑控制器应当封锁哪一组，开放哪一组。具体为：当系统要求有正的电枢电流时，逻辑控制器开放正组触发脉冲，使正组晶闸管工作，而封锁反组触发脉冲；当系统要求有负的电枢电流时，逻辑控制器当开放反组触发脉冲，使反组晶闸管工作，而封锁正组触发脉冲。速度调节器ASR的输出Ui*，也就是电流给定信号，它的极性正好反映了电枢电流的极性。所以，电流给定信号Ui*可以作为可以作为逻辑控制器的指挥信号。DLC首先鉴别Ui*的极性，当Ui*由正变负时，封锁反组，开放正组；反之，当Ui*负由变正时，封锁正组，开放反组。 然而，Ui*的极性变化只是逻辑切换的必要条件，而不是充分条件。从有环流可逆系统制动过程的分析中可以看出这个问题，例如，当正向制动开始时，Ui*的极性由负变正，但当实际电流方向未变以前，仍须保持正组开放，以便进行本组逆变。只有在实际电流降到零时，才应该给DLC发出命令，封锁正组，开放反组，转入反组制动。因此，在Ui*改变极性以后，还需要等到电流真正到零时，再发出“零电流检测”信号Ui0，才能发出正、反组切换指令，零电流检测”信号Ui0作为逻辑控制环节的第二个输入信号。逻辑切换指令发出后并不能马上执行，还须经过两段延时时间，以确保系统的可靠工作，这就是封锁延时t1和开放延时t2。封锁时间从发出切换指令到真正封锁掉原来工作组的触发脉冲之前所等待的时间。因为电流未降到零以前，其瞬时值是脉动。而检测零电流的电平检测器总有一个最小动作电流值I0,如果脉动的电流低于I0而实际仍然在连续变化时，就根据检测到的零电流信号去封锁本组脉冲，势必使正处于逆变状态的本组发生逆变颠覆事故。设置封锁延时后，检测到的零电流信号等待一段时间t1，使电流确定下降为零，这才可以发出封锁本组脉冲的信号。开放延时从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。因为在封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管要到电流过零时才真正关断，而且在关断之后还要一段恢复阻断能力的时间，如果在这之前就开放另一组晶闸管，让可能造成两组晶闸管同时导通，形成环流短路事故。为防止这种事故发生，在发出封锁本组信号之后，必须等待一段时间t2才允许开放另一组脉冲。由上可见，过小的t1和t2会因延时不够而造成两组晶闸管换流失败，造成事故；过大的延时将使切换时间拖长，增加切换死区，影响系统过渡过程的快速性。对于三相桥式电路，一般去t1=3ms，t2=10ms。最后，在DLC中还必须设置联锁保护电路，以确保两组晶闸管的触发脉冲不能同时开放。综上所述，对于逻辑无环流控制器的要求可以归纳如下：（1）两组晶闸管进行切换的必要充分条件是，电流给定信号改变极性Ui*和零电流检测器发出零电流信号Ui0，这时才能发出逻辑切换指令。（2）发出切换指令后，须经过封锁延时td1 才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时td2后，才能开放另组脉冲。（3）在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲决不允许同时开放，当一组工作时，另一组的脉冲必须被封锁住。逻辑无环流控制器DLC的功能及输入输出信号其原理图如图5.5所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推b电路和功放电路等环节组成。图5.5逻辑控制器原理图(1)逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由UM是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由UI 是否从“0”变“1”决定)。即当UM变号后，零电平检测到主电路电流过零(UI =“1”)时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。为了确定逻辑判断电路的逻辑机构，先列出各种情况下逻辑判断电路各量之间的逻辑关系于表1中。表1 辑判断电路各量之间的逻辑关系运行状态转矩（电流给定）极性电枢电流逻辑电路输入逻辑电路输出TeUi*UTUZUFUR正向启动无1110有1010正向运行有1010正向制动有（本组逆变）0010无（逆变结束）0101有（制动电流）0001反向启动无0101有0001反向运行有0001反向制动有（本组逆变）1001无（逆变结束）1110有（制动电流）1010删去上表中的重复项，可得逻辑判断电路真值表，如表2所示。表2逻辑判断电路真值表UTUZUFURUTUZUFUR111001011010000100101001根据真值表，按脉冲封锁条件可列出下列逻辑代数式：F = UR（TUZ+TZ +UTZ ）= UR（T + Z ）若用与非门实现，可变换成同理，可以写出的逻辑代数与非表达式根据上面的两个与非表达式，可以采用具有高抗干扰能力的HTL与非门组成逻辑判断电路，如图5.5中的逻辑判断电路部分。(2)延时环节要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF 后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2(约lOms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用，VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。 (3)逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出A点电位变为“0”，使Ulf和Ulr 都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。(4)推环节在正、反桥切换时，逻辑控制器中的G8输出“1”状态信号，将此信号送入调节器II的输入端作为脉冲后移推信号，从而可避免切换时电流的冲击。(5)功放电路由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动Ulf、Ulr,故增加了V3、V4组成的功率放大级。五、电流反馈与过流保护(FBC+FA)(1)电流反馈与过流保护单元的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支路上，其中:R2与VD7并联后再与R1串联，在VD7的阳极取零电流检测信号从“1”端输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由R1、R2分压所得，VD7处于截止状态。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接近0.6V左右时，VD7导通，使“1”端输出始终钳位在0.6V左右。将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。图5.6 电流反馈与过流保护原理图(2)当电路开始工作时，由于V2的基极有电容C2的存在，V3必定比V2要先导通，V3的集电极低电位，V4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作。(4)过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推信号供电流调节器（调节器II）使用。(5)当过流动作后，电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通，V3截止、V4导通、继电器保持吸合，持续告警。SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障排除后，则须按下SB以解除记忆，告警电路才能恢复。当按下SB按纽后，V2基极失电进入截止状态，V3导通、V4截止，电路恢复正常。六、脉冲触发装置GTFKJ006 是由同步检波、锯齿波形成电路、电流综合比较放大 电路、功率放大电路和失交保护电路等部分组成。外电路接线如图所示。锯齿 波斜率决定于 R7、RPl 和 Cl 的数值， 对不同的电网电压，KJ006 电路同步限流电阻 R，的选择按下式计算 KJ006 可控硅移相集成触发电路主要适用于直接由交流电供电的双向可控硅或反向。KJ006 可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ006 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲，可以方 便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。 一、电路工作原理： 该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻 R6、RW1，流出的充电电流和积分电容 C1 的数值。对不同的移相控制电压 VY，只有改变权电阻 R1、R2 的比例，调节相应的偏移电压 VP。同时调整锯齿波斜率电位器 RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7 和 C2 形成微分电路，改变 R7 和 C2 的值，可获得不同的脉宽输出。KJ006 的同步电压为任意值。七、三相全控桥是整流电路八、直流电动机参数已知电动机参数为：PN =500kW，UN =750V，IN =760A，nN=375 r/min，电动势系数Ce=UN-INRa/nN=1.82Vmin/r, 电枢回路总电阻R=0.14,允许电流过载倍数=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数 =L/R=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反馈滤波时间常数=0.002s,转速反馈滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*= Unm =10V,调节器输入电阻R0=40k。五、参数计算及器件的选择5.1固有参数的计算已知电动机：PN=185W，UN=220V，IN=1.2A，nN=1600r/min，Ra=0.05机电时间常数取为 Tm=0.1s。主回路中 取R=0.98；L=2mL；全控桥式整流 m=6；则固有参数晶闸管整流器滞后时间常数为 Ts=1/2mf=1/2*6*50=0.0017s；取ACR限幅值Uctmax=6V,则Ks=Ud0/Uctmax=1.05*220/6.25=38.5；取ASR限幅值 Uim=6V；电流反馈系数 =Ufi/Id=6V/1.2A=5V/A；取电流反馈滤波时间常数 Tfi=0.002s；转速反馈系数 =Ufn/n=5.8/1500rmp=0.04V；取转速反馈滤波系数Tfn=0.01s。5.2电流调节器ACR参数计算由于电流环的主要作用是限制电流过大，因此，一般电流环校正为典型型系统。这里，ACR采用PI调节器，并校正为典型型系统。1.确定时间常数1） 整流装置滞后时间常数Ts三相式电路平均时间Ts=0.0017S2） 电流滤波时间常数Toi三相式电路每个波头时间为3.3ms 为了基本滤平波头，取Toi=2ms=0.002s3） 电流环小时间常数之和Ti按最小时间常数处理Ti=Ts+Toi=0.0037s求得：Toi=Tfi=0.002si=Tl=0.025sTi=Ts+Tl=0.0017s+0.002s=0.0037sKi=TlR/2KsTi=0.025*0.98/2*5*38.5*0.0037=0.67取R0=20K时Ri=Ki* R0=0.67*20K=13.2KCi=i/Ri=0.25/25*10 =1uFCoi=4Tfi/R0=4*0.002/20*10 =0.4uF则等效电流闭环传递函数为;Wcli=1/5/(2*0.0037s+1)=1/5*(0.0074s+1)5.3转速调节器ASR参数计算 由于转速的超调与动态速降均可由抗扰指标来衡量，其指标以典型型系统为佳，因此，ASR采用PI调节器，按典型型系统预期特性设计。1） 确定时间常数：KiTi=0.5，1/Ki=2T=2*0.0037=0.0074s2） 转速滤波时间常数：Ton=0.01s3） 转速环小时间常数：Tn=1/Ki+Ton=0.0074+0.01=0.0174取h=5，求得ASR参数为：Tn=2Ti+Tfn=2*0.