逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究——调节器设计.doc

沈阳理工大学目 录摘要11逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理22无环流逻辑装置的组成43.调节器的设计53.1.1确定电流调节器的时间常数63.1.3校验近似条件73.1.4计算调节器电阻和电容73.2速度调节器的设计73.2.1电流环的等效闭环传递函数83.2.2确定转速调节器的时间常数93.2.3转速调节器结构设计93.2.4校验近似条件104系统主电路设计114.1主电路原理及说明114.2主电路参数设计124.3保护电路设计125.控制及驱动电路135.1调节器结构组成及说明135.2逻辑控制器145.3触发电路166调试197.结束语23参考文献24摘要逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管的附加设备容量。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还能实现回馈制动。和有环流相比，因换流失败造成的事故率大为降低。关键词：逻辑无环流、可逆直流调速系统、逻辑控制器、ACR、ASR1逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 所示，两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放式同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通. 逻辑无环流可逆调速系统原理图ASR速度调节器ACR1ACR2正反组电流调节器GTF、GTR正反组整流装置VF、VR正反组整流桥DLC无环流逻辑控制器HX推装置TA交流互感器TG测速发电机M工作台电动机LB电流变换器AR反号器GL过流保护环节这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置GTF；2ACR调节反组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC，这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。 2无环流逻辑装置的组成在无环流控制系统中，反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢电流极性来选择其中一组整流桥运行，而另一组整流桥触发脉冲是被封锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下：由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生的转矩极性反向。由转速调节器输出反映这一转矩的极性，并由逻辑装置对该极性进行判断，然后发出切换开始的指令。使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。由零电流检测器得到零电流信号后，经延时，确认电流实际值为零，封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。由零电流检测器得到零电流信号后，经延时，确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后，开放待工作侧整流桥（例如反组桥）的触发脉冲。电枢内流过与切换前反方向的电流，完成切换过程。根据逻辑装置要完成的任务，它由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成，逻辑装置的功能和输入输出信号如图4-1所示。 图2-1 无环流逻辑控制环节DLC其输入为电流给定或转矩极性鉴别信号和零电流检测信号，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号和反组晶闸管触发脉冲封锁信号。3.调节器的设计3.1电流调节器的设计电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。其原理图如图1.5所示。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推b信号，来自电流变换器的过流信号Ub，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。3.1.1确定电流调节器的时间常数（1）、整流装置滞后时间常数Ts：三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s。（2）、电流滤波时间常数Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有（12）Toi = 3.33s。则Toi=0.002s（3）、电流小时间常数：按小时间常数近似处理： 3.1.2设计电流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。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：3.1.3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。3.1.4计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取，取，取3.2速度调节器的设计速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图1.4所转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1.4中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。3.2.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：3.2.2确定转速调节器的时间常数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：3.2.3转速调节器结构设计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2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。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：3.2.4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。3.2.5计算调节器的电阻和电容值按所用运算放大器取，则，取66.6k，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：4系统主电路设计4.1主电路原理及说明逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:图4-1 无环流可逆直流调速系统主电路两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通的晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。4.2主电路参数设计Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0 U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 晶闸管参数计算：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：则晶闸管的额定电流为：取1.52倍的安全裕量，由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：取23倍的安全裕量，4.3保护电路设计在主电路变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲。过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现过流保护。过压保护是在直流电动机的电枢两端并上电压取样电阻，当电压值超过设定值时，发出过电压信号，经过电平转换后送到逻辑控制器，由逻辑控制器封锁触发5.控制及驱动电路5.1调节器结构组成及说明逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。图5-1 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1和ACR2，ACR1用来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1的给定信号Ui*经反向器AR同时作为ACR2的给定信号Ui*，这样就可以使电流反馈信号Ui*的极性在正转和反转时都不用改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制器DLC，以保证系统的可靠运行，所以DLC是系统中的关键部件。5.2逻辑控制器无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以0 和1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。仅用电流给定信号去控制DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。只有在实际电流降到零时，才能发出正反组切换的指令。因此，只有电流转矩极性和零电流检测信号这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让DLC 发出切换指令。逻辑切换指令发出后还不能马上执行，需经过封锁时时间Tdb1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时时间Tdt后才能开放另一组脉冲。通常Tdb1=3ms，Tdt=7ms。在逻辑控制环节的两个输出信号之间必须有互相连锁的保护，决不允许出现两组脉冲同时开放的状态。逻辑控制器装置由PLC来实现，转矩极性鉴别信号UI*和零电流检测信号Ui0作为PLC的输入信号X0和X1，再由PLC的软件来实现逻辑运算和控制。在逻辑运算判断发出切换指令UF、UR后，必须经过封锁延时Udb1和开放延时Udt才能执行切换命令。用FX2系列PLC实现时，只要用其内部的1ms定时器即可达到延时目的。一般封锁延时取Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时Udt=7ms开放另一组。若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为3+7=10ms，设延时后的UF、UR状态分别用辅助继电器M4、M5表示。 DLC装置的最后部分为逻辑保护环节。正常时，UF与UR状态总是相反的；一旦DLC发生故障，使UF和UR同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。满足保护要求的逻辑真值表如下表。设DLC的输出信号由PLC输出端子Y0、Y1输出。 表1 逻辑真值表M4M5Y0Y100000101101011禁止其中Y0控制GTF，Y1控制GTR。为了实现逻辑保护，可以用Y0、Y1实现联锁。X2和X3是过压和过流检测信号。逻辑控制器的程序如下所示。 LAD程序如下： Network20: O M4 O AN Y1 O AN X2 O AN X3 = Y0 Network20: O M5 O AN Y0 O AN X2 O AN X3 = Y15.3触发电路触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。TC787的原理框图如图7所示图5-2 TC787原理框图由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚18、l、2分别为三相同步电压Va、Vb、Vc输人端。引脚16、15和14分别为产生相对于A、B和C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效。引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的A、B、C相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的A、B和C相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图8所示，反组的与正组相同。图5-3 正组触发电路原理图6调试1按附录图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。（1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V2V的脉冲。（4）将Ublr接地,可观察反桥晶闸管的触发脉冲。（5）用万用表检查Ublf，Ublr的电压，一为高电平，一为低电平，不能同为低电平。（3）调节ASR,ACR的串联积分电容，使系统正常，稳定运行。2机械特性n=f (Id)的测定测出n =1500r/min的正，反转机械特性n =f (Id)，n=1500r/minn(r/min)040060080010001300I(A)0.100.200.220.290.310.39表：正转机械特性n(r/min)040060080010001300I(A)0.100.250.300.320.380.41表：反转机械特性3.闭环控制特性的测定按实验四的方法测出正，反转时的闭环控制特性n =f (Ug)。表：正转控制特性n(r/min)0400600800