课程设计（论文）逻辑无环流直流可逆调速系统设计

1、 目录目录2摘要3abstract41设计任务及要求41.1设计任务41.2设计要求52.系统论证及设计53控制及驱动电路设计63.1调节器结构组成及说明63.2给定器g的设计74逻辑控制器的设计74.1电平检测器84.2零电流检测器dpz设计104.3逻辑无环流的推环节105主电路设计115.1主电路原理及说明115.2主电路参数设计126保护电路设计136.1保护电路设计136.2电流反馈与过流保护fbc+fa13图7电流反馈与过流保护fbc+fa147调节器的设计1471电流调节器acr组成及原理147.2电流调节器的设计157.2.1确定电流调节器的时间常数157.2.2设计电流调节器

2、结构157.2.3校验近似条件167.2.4计算调节器电阻和电容178速度调节器的设计178.1 速度调节器asr组成及原理178.2速度调节器的参数设计188.2.1电流环的等效闭环传递函数188.2.2确定转速调节器的时间常数198.2.3转速调节器结构设计198.2.4校验近似条件199心得体会20参考文献21摘要晶闸管具有导电性，系统要想实现可逆运行，必须要用两组晶闸管整流装置整流。两组晶闸管装置反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑

3、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。本文对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计，并且计算了电流和转速调节器的参数。关键词：逻辑无环流、可逆直流调速系统、逻辑控制器、acr、asrabstractthe thyristor is electrically conductive, system to realize reversible operation, must use two groups of thyristor rectifier. two groups of thyristor d

4、evice of anti parallel armature reversible line is reversible speed control system is one of the typical circuit, this circuit can realize reversible operation, regenerative braking and other advantages, but also can produce circulation. in order to ensure the system safety, must eliminate one of th

5、e circulation. the so-called logical non circulating system is in a group of thyristor when working with logic circuit block, another group of scr trigger pulses, so that the group of thyristor completely is in the blocking state, fundamentally to cut off the circulation flow path. this system can n

6、ot only realize the logic non circulating current reversible speed control, can realize regenerative braking. the logic non-loop-current dc reversible speed control system are designed, and calculate the current and speed regulator parameters.key words: logical non circulating, reversible dc speed r

7、egulating system, logic controller, acr, asr1设计任务及要求1.1设计任务设计一个逻辑无环流直流可逆调速系统，基本技术数据如下：1技术数据： 晶闸管整流装置：rrec=0.5，ks=40。 负载电机额定数据：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min， ra=1.0，ifn=1.14a， gd2=2.96n.m2 系统主电路：tm=0.07s，tl=0.017s 2技术指标 稳态指标：无静差（静差率s2, 调速范围 d10 ） 动态指标：电流超调量：5%，起动到额定转速时的超调量：10%，（按退饱和方式计算）分析论证并确

8、定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。确定调速系统主电路元部件及其参数。动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定asr调节器与acr调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求 。1.2设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（d10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s2） (3) 动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (

9、5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施2.系统论证及设计在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转方向有两种办法：一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。要实现逻辑无环流可逆调速，就要采用桥式全控整流逆变电路。要达到电流和转速的超调要求就要设计电流-转速双闭环调速器；逻辑无环

10、流的重要部分就是要采用逻辑控制，保证只有一组桥路工作，另一组封锁。逻辑控制器可以采用组合逻辑元件和一些分立的电子器件组成，也可用单片机实现，本文使用plc来实现逻辑控制；触发电路要保证晶闸管在合适的时候导通或截止，并且要能方便的改变触发脉冲的相位，达到实时调整输出电压的目的，从而实现调速。保护电路有瞬时过压抑制，过电流保护和过电压保护，当过压或过流时封锁触发脉冲，从而实现保护功能。3控制及驱动电路设计3.1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

11、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。3.2给定器g的设计电压给定器由一

12、个电位器rp及一个开关s组成。其中rp用来调节电压的大小，最大输出电压为10v ，s用来控制运行、停止。输出电压面板上有表指示。 其中电位器rp1、rp2的电阻取10，又因为，则其功率，则取用功率为0.02的电阻。图2电压给定器原理图4逻辑控制器的设计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

13、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。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。所以我们可以用数字电路来实现，即使用具有高抗干扰能力的htl与非门组成逻辑判断电路如下： 图3无环流dlc逻辑控制器大原理图仅根据逻辑装置要完成的任务，环流dlc逻辑控制器是由电平检测、逻辑判断、延时

14、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所示4.1电平检测器逻辑装置的输入有两个：一是反映转矩极性信号的转速调节器输出，二是来自电流检测装置反映零电流信号的，他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电路需要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量，也就是转换成“0”状态（将输入转换成近似为输出）或“1”状态（将输入转换成近似为输出）。采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。其原理图见图3-4。图3-4 电平检测器原理图电平检测器的输入输出特性如图3-5所示，具有回环特性。由于转速调节

15、器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽度的回环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测回环特性的动作电压，释放电压。调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。 图3-5电平检测器输入输出特性 转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出，其输出为。电机正转时为负，为低电位（“0”态），反转时为正，为高电位（“1”态）。4.2零电流检测器dpz设计图5为零电流检测器dpz的原理图。其输入为电流互感器的输出零电流信号uio,主电路有电流时uio约为+0.6v，主电路电流接近零时，uio 下降到+0.2左右。所以dpz的输入应是左

16、右不对称的。为此，在转矩极性鉴别器的基础上，增加一个负偏置电路，将特性向右偏移即可构成零电流检测器。为了突出电流为“零”这种状态，用dpz的输出uz为“1”表示主电路电流接近零，而当主电路有电流时，uz 则为零。uz图5零电流检测器dpzui0+-rpr0/2r0/2vd1vd2r0/2r 1 r0r2vd3c04.3逻辑无环流的推环节产生换向电流冲击的根源是刚切换过来的反组桥处在整流状态（假定电流从正组桥切换到反组桥），整流电压与反电势相加产生很大的冲击电流。为使反组桥不处在整流状态而处在逆变状态，可以从无环流逻辑装置的输出分别引信号到电流调节器的入口，将正组的封锁电压引到正组电流调节器ac

17、r1的入口，将反组封锁电压引到反组电流调节器acr2的入口。图3-3 推环节5主电路设计5.1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6 逻辑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

18、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。5.2主电路参数设计 ud=un=220v, 取=0 u2=idmin=(5%-10%)in,这里取8% 则l=0.693 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，6保护

19、电路设计6.1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。过流保护电路如下图所示。图4 过流保护电路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脉冲。6.2电流反馈与过流保护fbc+fa电流检测为交流测的电流互感器反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至rp1、rp2及r1、r2、

20、vd7上，rp1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由rp1调节。rp2可动触点与过流保护电路相连，输出过流信号，动作电流的大小由rp2调节。当主电路电流超过某一数值后，vst1导通，vt2截止，vt3导通，使继电器k动作，关闭主电路电源开关，并使小电珠h发亮。表示已跳闸。正常工作时，vt3截止，继电器k不得电。当过流时，vt2由导通变为截止，在集电极输出一个高电平至电流调节器acr的输入端，作为过流推信号。sb为复位按钮，当过流动作后，如过流故障排除，则须按下sb以解除，恢复正常工作。原理图如图1-11所示。图7电流反馈与过流保护fbc+fa7调节器的设计71电流调节器acr组成及原理电

21、流调节器工作原理基本上与速度调节器相同，与速度调节器相比，增加了4个输入端，“2”端接推信号，“4”和“6”接逻辑控制器的相应输出端uz和uf，当这一端为高电平时，三极管vt1、vt2导通将信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。vt3、vt4组成互补输出电流放大级。电流调节器原理图如图6所示 图8电流调节器大原理图7.2电流调节器的设计7.2.1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=0.00

22、3s（3）、电流小时间常数：按小时间常数近似处理： 7.2.2设计电流调节器结构所需技术指标如下：直流电动机：pn=92kw , un=220v , in=462a , nn=530r/min , ra=0.08 堵转电流 idbl=2in , 截止电流 idcr=1.5in ，gd2=79n.m2三相全控整流装置：ks=40 , rrec=1. 3电枢回路总电阻 r=0.2 ， 电动势系数： (ce= 0.132v.min/r)系统主电路：(tm=0.0037s ，tl=1s)滤波时间常数：toi=0.002s , ton=0.01s,其他参数：unm*=10v , uim*=10v , u

23、cm=10v ，i5% , n10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：7.2.3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。7.2.4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8速度调节器的设计8.1 速度调节器asr组成及

24、原理速度调节器如图9，由二极管vd3、vd4和电位器rpl、rp2组成正负限幅可调的限幅电路。由c5、r5组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，速度调节器可为比例调节器，也可接成比例积分调节器，场效管vt1，为零速封锁电路，当a端为0v时，vd5导通，将调节器反馈网络短接而封锁；当a端为-15v时，vd5夹断，调节器投入工作。rp3为放大系数调位器，rp4为调零电位器。 图9转速调节器8.2速度调节器的参数设计8.2.1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

25、速环中应等效为：8.2.2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：8.2.3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，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：8.2.4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4k，取，取按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空