逻辑无环流可逆调速系统设计

1、目录1 逻辑无环流可逆直流调速系统简介 12 逻辑无环流直流调速系统参数和缓解特性的测定 32.1 电枢回路电阻 R 的测定 32.2 主电路电磁时间常数的测定 42.3 电动机电势常数 Ce和转矩常数CM 的测定 62.4 系统机电时间常数 Tm的测定 62.5 测速发电机特性 UTG f (n)的测定 73 驱动电路的设计 93.1 电流调节器的设计 93.1.1 电流调节器的原理图 93.1.2 电流调节器的参数计算 103.2 速度调节器的设计 123.2.1 速度调节器的原理图 123.2.2 速度调节器的参数计算 123.3 触发电路的设计 143.3.1 系统对触发器的要求 14

2、3.3.2 触发电路及其特点 153.3.3KJ004 的工作原理 154 无环流逻辑控制器 DLC设计 185 系统主电路设计 195.1 主电路原理及说明 195.2 保护电路的设计 20总结 21参考文献 22附录 231 逻辑无环流可逆直流调速系统简介许多生产机械要求电动机既能正转， 又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动， 这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组 晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如 果两组装置的整流电压同时出现， 便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的 短路电流，称作环流。这样的

3、环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗 功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是 个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的 系统，常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 调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类： 逻辑无环流系统和错位控制无环流 系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目前生产中应用最 为广泛的可逆系统，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲， 使它完全处于阻断状态，确保

4、两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这 就是逻辑控制的无环流可逆系统，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：任何时候只触发 一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。至于选择哪一组工作， 就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触 发反组桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性， 在恒磁通下，就决定于 Ui 信 号。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有 电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用 U i 信号极 性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。基

5、于这种逻辑判 断电路的“指挥”下工作的可逆系统称逻辑无环流可逆系统。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，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续， 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 Ui 经反号器 AR作为 2ACR的给定信号 Ui , 这样可使电流反馈 信号U

6、i 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。在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时 开放，确保主电路没有产生环流的可能。逻辑无环流可逆调速直流系统主要分为三部分：主电路和稳压电源，驱动电路，逻辑无环流控制器。系统原理图如图 1.1 。图 1.1 逻辑无环流可逆调速系统原理图 ASR速度调节器ACR1 ACR2正反组电流调节器 GTF、GTR正反组整流装置VF、 VR正

7、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2 逻辑无环流直流调速系统参数和缓解特性的测定2.1 电枢回路电阻 R 的测定电枢回路的总电阻 R包括电机的电枢电阻 Ra，平波电抗器的直流电阻 RL 和整流装 置的阻 Rn，即 R=Ra+RL+Rn为测出晶闸管整流装置的电源阻， 可采用福安比较法来测定电阻。 将变压器 RP(可 采用两只 900电阻并联)接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。测试时电 动机不加励磁，并使电机堵转。MCL-31的给定电位器 RP1逆时针调到底，使 Uct=0。调节偏移电压电位

8、器 RP2，使 =150。合上主电路电源开关。调节 Ug使整流装置输出电压 Ud=110V，然后调整 RP使电枢 电流为 0.88A，读取电流表 A和电压表 V的数值为 I 1 ， U 1 ，则此时整流装置的理想空载 电压为U doI 1R U1调节 RP，使电流表 A 的读数为0.44A。在 Ud不变的条件下读取 A,V 表数值，则U doI1R U 2求解两式，可得电枢回路总电阻R(U2U1)/(I1 I 2)如把电机的电枢两端短接，重复上述实验，可得RL Rn (U2 U 1) /(I 1 I2 ) 则电机的电枢电阻为Ra R (RL Rn) 同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器之久电阻

9、 RL。 测试结果：当示波器显示如图 2.1 时，开始测定参数。图 2.1 150 表 2.1 电枢回路总电阻测试U /V7962I/A0.440.88据公式 R (U2 U1)/(I1 I2)得， R (79 62) /(0.88 0.44) 38.64表 2.2 平波电抗器的直流电阻 RL与整流装置的阻 Rn 之和测试U /V8291I/A0.880.44据公式 RL Rn (U2 U 1 ) /( I 1 I2)得， RL Rn (91 82) /(0.88 0.44) 20.45表 2.3 整流装置的阻 Rn与电枢电阻 Ra 之和测试U /V7185I /A0.880.44据公式 Ra

10、 Rn (U2 U1)/(I1 I2)得， Ra Rn (85 71) /(0.88 0.44) 31.82所以可得：电枢回路总电阻 R38.64 整流装置的阻 Rn13.63 电枢电阻 Ra18.19 平波电抗器的直流电阻 RL6.82 2.2 主电路电磁时间常数的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数 Td，电枢回路突加给定电压时，电流id 按指数规律上升id Id(1 e t/Td )其电流变化曲线如图 2.1 所示。当 t =Td 时，有 id Id(1 e 1) 0.632IdMCL-31的给定电位器 RP1逆时针调到底，使 Uct=0。 合上主电路电源开关。电机不加励磁。调节

11、Uct ，监视电流表的读数，使电机电枢电流为 (5090) Inom。然后保持 Uct 不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄 id=f(t) 的波形，由波形图上测量出当电流图 2.2 电流变化曲线测定结果如图 2.3图 2.3 主电路电磁时间常数的测定由图 2.3 可知，电磁时间常数 Td 5.2msTl三相桥式整流电路L=0.693 u2I dmin=0.6932203 1.1 0.1796.74mH取 L=0.80H= 0.80=0.02sR 38.642.3 电动机电势常数 Ce 和转矩常数 CM 的测定将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压 Ud，测得相应的 n，即可由下 式

12、算出 CeCe K e (U d2 U d1)/(n2 n1)Ce 的单位为 V/(r/min)转矩常数 ( 额定磁通时 )CM的单位为 N.m/A，可由 Ce求出CM9.55Ce由实验测得两组数据表 2.4 电动机电势常数 Ce 的测定Ud/V177147n/(rad/s)12001000由公式 Ce Ke (Ud2 Ud1)/(n2 n1) 得，Ce Ke (177 147) /(1200 1000) 0.15V /(r /min)C M 9.55 0.15 1.43N.m/ A2.4 系统机电时间常数 Tm的测定系统的机电时间常数可由下式计算Tm (GD2 R) / 375CeLM由于

13、TmTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即n K /(1 TmS) Ud当电枢突加给定电压时， 转速 n将按指数规律上升， 当 n到达 63.2 稳态值时，所 经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。MCL31 的给定电位器 RP1逆时针调到底，使 Uct=0。合上主电路电源开关。电动机 M加额定励磁。调节 Uct ，将电机空载起动至稳定转速 1000r/min 。然后保持 Uct 不变，断开主电 路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用示波器拍摄过渡 过程曲线，即可由此确定机电时间常数。实测曲线如图 2.4 所示：由实验测得：

14、Tm=37ms图 2.4 系统机电时间常数 Tm的测定2.5 测速发电机特性 UTG f (n) 的测定电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压 Uct ，分别读取对应的 UTG，的数值若干组，即可描绘出特性曲线 UTG=f(n) 。晶闸管整流装置放大倍数 K sUUCd 。实验结果如表 2.5表 2.5 测速发电机特性 U TG f (n) 的测定n（ r/min ）10001100120013001400Uct （V）6.897.638.308.999.68UCT (V)1.071201.361.551.76Ud(V)152.50166.51180.28194.83209.34分析可知

15、 取 Ks203 驱动电路的设计由晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装置采用三相桥式电路， 由第二章测的， 基本数据如下：直流电动机： 220V, 185W, 1.1A, 1600r/min ；晶闸管装置放大系数： Ks20电枢回路总电阻： R=24.35；时间常数： Td=21ms，Tm=49m；s电流反馈系数：10V / 1.5I N 6.06V /A10V 10转速反馈系数： 10V 10 V ?min/ r 0.0063V ?min/ rNn 1600设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量 i 5% ；设计转速调节器，要求转速超 调量 n 10%3.1 电流调节器的设计3.1.1

16、 电流调节器的原理图如图3.1图 3.1 电流调节器原理图3.1.2 电流调节器的参数计算1. 确定时间常数1）整流装置滞后常数 Ts。三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s 。2）电流滤波时间常数 Toi 。三相桥式电路每个波头时间是 3.3ms，为了基本滤平波头， 应有（ 12）Toi=3.33ms ，因此取 Toi=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和 T i 。按小时间常数近似处理，取 T 5%时，按照附录表 2，应取 K IT i 0.5 ，因此 Ts Toi 0.0037 s2 选择电流调节器结构 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。

17、电流环 控制对象是双惯性的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为：检查对电流电压的抗扰性能：0.0037 5.68，参照附录表 1 的典型型系统动态WACR (s)Ki ( is 1) is抗扰性能，各项指标都是可以接受的3. 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：Td 0.021s 。电流环开环增益：要求KI0.5 135.1s 10.0037于是， ACR的比例系数为KIiRKSKI135.1 0.021 24.35 0.6020 6.064. 校验近似条件电流环截止频率： wciKI135.1s 1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件31Ts3 0.10017s196.1s 1w

18、ci满足近似条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件3 1 3 TmTd10.021 0.049193.52s 1wci满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件113 TsToi13 0.0017 0.002s180.8s 1满足近似条件。5 计算调节器电阻和电容如图 3.2 ，按所用运算放大器取R0 40k ，各电阻和电容值为RiCi4ToiCoiR0图 3.2 PI型电流调节器KRiKi R0iKi R00.60RiCiToi14 R0Coi40k24k，取 24kiRi0.02124 103 F4 0.0032 F 0.240 1030.88 F ,取 0.90 F10 6 F

19、 0.2 F , 取 0.2 F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3% 5% ，满足设计要求。3.2 速度调节器的设计3.2.1 速度调节器的原理图原理图如图 3.33.2.2 速度调节器的参数计算1. 确定时间常数1)电流环等效时间常数 1/ K I: 有前面的计算可得12)3)转速环时间常数 T按小时间常数近似处理，取K转速滤波时间常数 Ton ：有条件可知 Ton 0.01s T on 0.0074s 0.01 0.0174 s KII 2T i 2 0.0037s 0.0074s2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数表达式为WASR(s)K

20、n( ns 1)ss3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取 h 5, 则 ASR的超前时间常数为hT5 0.0174 0.087s转速开环增益 K NKNh12h2T51222 52 0.01742396.35sASR的比例系数 K NKn(h 1) CeTm2h RT N6 6.06 0.15 0.0492 5 0.0063 24.35 0.017410.014. 检验近似条件由公式 K 1 c 可得转速环截止频率为Kncn11Kn n 396.35 0.087s 1 34.48s1）电流环传递函数简化条件为1 K I 1 135.1 s 13 T i 3 0.0037

21、s63.695scn2）转速环小时间常数近似处理条件为1 KI1 135.1s 13 Ton 3 0.01 s38.74cn均满足近似要求。5. 计算调节器电阻和电容 根据图 3.4 ，取 R0=40K图 3.4 PI转速调节器nRnCn ， TonKnRRn01，R0Con ， 4RnK n R0 10.01 40k400.4k ，取 400kCn Rnn0.087 3 F 0.22 10 6F 0.22 F ,取0.2 F400103Con4TonR04 0.013 F 1 10 6 F 1 F . 取 1 F40 1036. 校核转速超调量当 h 5 时，由附录表 3 得，37.6% ，

22、不能满足设计n 10% 的要求。实际ASR饱和，不符合线性系统的上，由于表 3 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时， 前提，应该按 ASR退饱和的情况计算超调量。面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算：设理想空载启动时 z0，CCmax 81.2%Cb， 带入(Cmax )n*b2(n*maxCbCmaxCb )(z) nnN T nTm可得n 2 81.2% 1.51.1 24.350.1516000.01740.0499.65%10%，可以满足设计要求。3.3 触发电路的设计180围移向3.3.1 系统对触发器的要求1）为保证较宽的调速围和可逆运行，要求触发脉冲能够在2) 对于三相全控桥

23、式整流电路，为了保证可控硅可靠换流，要求触发脉冲宽度大于 60，或者用双窄脉冲。3) 对可逆系统，为了防止逆变颠覆和提高工作的可靠性，触发脉冲需要有 min和 min 限制。3.3.2 触发电路及其特点 根据对触发器的上述要求，选用同步信号为正弦波的晶体管触发电路。这种线路的 优点是线路简单，调整容易。理论上移相围可达 180，实际上由于正弦波顶部平坦移 相围只能有 150左右。移相的线性度就触发器本身来说较差，如把触发器和可控硅看 成一个整体则由于相互补偿关系，它的线性度则较好，即控制电压 Uk 与可控硅整流电 压U d0的控制特性是接近线性的，由于作同步信号的正弦波电压随电源电压的波动而波

24、 动，当Uk 不变时，控制角 也随电源电压的波动而波动，而可控硅整流电压Ud0 Ud0max cos ，U domax随电源电压增高而增高， 而cos 则随电源电压的增高而减小， 故U d0可维持近于不变。 但当电源电压降得太低时， 同步电压和控制电压可能没有交点， 触发器不能产生触发脉冲，致使可控硅工作混乱，造成事故，所以这种触发器不宜用于 电网电压波动很大的场合，此外，正弦波触发器容易受电源电压波形畸变的影响，因此 同步电压输入信号必须加 RC滤波器，移相角度一般要大于 30。根据系统性能要求，采用集成触发器。集成触发器具有可靠性高、技术性能好、体 积小、能耗低、调试方便等优点。采用 KJ

25、004。它可分为同步、锯齿波形成、移向、脉 冲形成、脉冲分选和脉冲放大几个环节。 只需用三个 KJ004 集成块和一个 KJ041 集成块， 即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥整流电 路的集成触发电路。3.3.3KJ004 的工作原理 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。电原理如图 3.5 ：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

26、斜率电位器 RW1可, 以使不同的移相控制电压获得整个移相围。 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。的同步电压为任意值图 3.5 KJ004 原理图电路采用双列直插 C 16 白瓷和黑瓷两种外壳封装 , 外形尺寸按电子工业部部颁标 准。半导体集成电路外形尺寸 SJll00 76。芯片封装形式如图 3.6 ，引脚功能如表 3.1。图 3.6 KJ004 封装形式表 3.1 引脚功能说明功能输 出空锯齿波 形成-Vee(1k)空地同步 输入综合 比较空微分 阻容封锁 调制输 出+Vcc引 线 脚 号123

27、45678910111213141516触发电路原理图如图 3.7图 3.7 触发电路设计4 无环流逻辑控制器 DLC设计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。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 4.1 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 Ui* 和零电流检测信号 U i0 ，输出是控制正组晶闸 管触发脉冲

28、封锁信号 U1和反组晶闸管触发脉冲封锁信号 U 2。由电平检测、逻辑运算电路、 延时电路、逻辑保护四部分就构成了无环流逻辑装置其结构如图 4.2 所示图 4.2 无环流逻辑装置结构图5 系统主电路设计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图 5.1 所示 :图 5.1 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

29、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。5.2 保护电路的设计 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

30、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。 过流保护电路如图 5.2 所示。图 5.2 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。总结通过本次课程设计，我加深了对逻辑无环流可逆调速系统的了解。并掌握了逻辑无 环流控制器电路的设计方法和熟悉了逻辑无环流可逆直流调速系统制动性能。 在这次课 程设计中我用到多方面了的知识，包括电力电子，电力拖动等。完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识， 单用电力拖动书本上的知识是设计不