850mm六辊可逆冷轧机开卷机直流调速系统 课程设计

摘要

此次课程设计题目？850mm六轻可逆冷轧机开卷机直流调速系统?，核心落在转速、

电流双闭环逻辑无环流调速系统的设计，是基于本学期所学课程?电力拖动自动控制

系统一运动控制系统?的一次学以致用的深入拓展。

本文针对直流调速系统进行调速设计。尽管近年来，电力电子变换器中以晶闸管

为主的可控器件已经逐步被功率开关器件所替代；伴随着变换技术由相位控制转向脉

宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统，但是直流拖动本身具

有理论和实践都很成熟的优势，我国早期的许多生产设备均采用直流拖动系统短时间

内不会淘汰，而且直流电机原理相对简单易懂，因而对于初学者而言，直流调速还是

很有实际意义的。

从生产机械要求的控制物理量来看，电力拖动自动控制系统分为调速系统、位随

系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型；按照调速方式大致可分为开

环调速和闭环调速两大类，开环系统结构简单、易于实现、维护简单，但是其静特性

与动态特性往往不满足生产和控制要求，而闭划、系统尤其是双闭环调速系统具有良好

的静特性和动态特性，采用PI调节器时可实现转速无静差以及电流无静差。

本次设计包括各元器件的参数配合与选择、调速方案的设计、整体电路图的绘制

等，同时考虑到调速系统实际运用于六卷可逆冷轧机开卷机，各参数与方案都按照实

际工程需要设计。

关键字：转速环、电流环、双闭环调速、逻辑无环流、DLC、开卷机、六轻、晶闸管

绪论

薄板、带钢的生产技术是钢铁匚业开展水平的一个重要标志。冷轧钢板的生产主

要是采用3~6机架的多幅冷轧机，特点是生产率高，机械化、自动化程度高，产品质

量好。连轧机仅适用于产量大，品种规格单一的钢种冷轧生产，而对于生产量较小、

质量要求较高、品种规格复杂的高合金钢和合金冷轧带材，采用连轧机并不恰当，而

大多采用多根可逆轧机。

带钢冷轧机生产线上除了五机架连轧机主体设备外，还包括头部的.上料设备、开

卷机以及尾部卷取机，有的在轧制头部还有矫直机、焊接机以及活套等设备。这些设

备要要步调一致，密切配合，以保证连轧机位置控制、厚度控制、张力控制、速度控

制以及板形控制的顺利进行。五机架冷连轧机的出现必须有自动控制和以计算机技术

为根底。

冷轧机最初是在二辑、四根根底建立起来的，科学技术和工业的开展需要极薄带

材，原有低辐数轧机已经不能满足要求，因为轧辐本身的弹性压扁值往往比所需轧制

带材厚度还要大，而轧辑的弹性压扁是与辐径成止比的。当轧辑材质一定时，要降低

轧辐弹性压扁就必须减小辐径，而辐径的减小又会出现刚性不够的矛盾。为此，多馄

轧机出现以提供良好刚性的塔形支撑辐系。多辑轧机开展很快，根据加工工艺要求,

有八辐、十二辐、二十辐等。

开卷机作为连轧设备的首端，需要可逆工作，既需要转速控制又需要张力控制。

当开卷机工作于换卷引带或断带时，系统外环即速度环调机器投入工作，这是一个速

度调节系统；当带材咬入后，产生张力，使ASR的反应小于给定值，处于饱和状态,

其限幅值就是张力给定值，系统作为•个恒功率调剂系统而工作，维持张力恒定。本

设计采用转速、电流双闭环逻辑无环流调速°

目录

第一章设计参数和要求

第二章各功能模块器件选择

2.1开卷电机的选择...................................5

2.2整流方案的选择...................................5

2.3晶闸管的选择......................................6

2.4交流进线电抗器的选择.............................6

2.5变压器容量的选择.................................7

2.6晶闸管的保护......................................7

2.7开卷电机的过电流保护，串联熔断器................9

2.8晶闸管冷却风机的选择.............................9

2.9励磁回路..........................................10

2.10交流电流互感器TA..................................................................12

2.11测速发电机........................................12

2.12给定电路..........................................13

2.13低压直流源设计（±24V）......................................................13

2.14空气开关的选择....................................13

第三章双闭环调速系统的设计

3.1典型转速、电流双闭环调速系统结构.................14

3.2典型转速、直流双闭环调速系统的设计...............14

3.2.1ACR（耳流环调节器）的设计...........................14

3.2.2ASR（转速环调节器）的设计...........................18

第四章逻辑无环流系统的实现

4.1典型逻辑控制的无环流可逆调速系统.................24

4.2无环流逻辑控制环节DLC.........................................................24

4.3晶闸管集成触发器..................................28

第五章开卷机张力控制

开卷机张力控制系统...............................31

第六章辅助电路

6.1辅助电路结构以及作用..............................32

第七章操作电路

7.1操作结构以及作用..................................32

总结.......................................................33

参考文献.......................................................34

第二章各功能模块器件选择

2.1开卷电机的选择

850mm六辐可逆开卷电机：

数量1,DC电机

上海南洋Z4系列

额定电压：440V,额定电流：400A,额定功率：168kW,电机转速：500/900rpm

绝缘等级：B级

工作制:S1

过载倍数：

冷却方式：自带通风机强迫风冷

特性：电枢可不加平波电抗器，调速范围广，过我能力强，可弱磁调速

2.2整流方案的选择

采用反并联三相全控整流桥。

无环流工作，任何情况下只允许一组整流器工作，而另一组必须被封锁，以保证不出

现环流，通常采用如图2-1所示反并联可逆线路。

图2-1反并联三相全控整流桥

2.3晶闸管的选择

2.3.1晶闸管额定电压URRM

查技术手册可得国内中小功率标准系列阀侧电压表

可逆系统

电动机额定电压UN

二次线电压V3UVtr,

230220

380360

460440

考虑到晶闸管在恢复阻断时所引起的换相过电压，以及在操作和事故所造成的过

电压的影响，由技术手册，对于三相桥式整流线路晶闸管可按如下表格选取

电源进线电压3804405006106607508501000

空载整流电压513594675824891101211481350

晶闸管额定电压13501500165020002200250028003200

由电机额定参数：UN=440V,IdN=400A

查表选择URRM=1500V,二次相电压有效值为460/75=266V

2.3.2晶闸管通态平均电流IT(AV)

IT(AV)21.0~2.0KEdmax

Kl-np

KIT:电流计算系数，查表取KIT

np：晶闸管并联数，取np=3

K,：均流系数，一般取修二

1dmax：最大整流电流值,取】dmax二人1N=L5x400=600A

代入计算：IT(AV)22.0°-367x600=184A

保证留有裕量，取IT(AV)=200A

2.晶闸管型号的选择

综.匕晶闸管型号选取KP300T5

2.4交流进线电抗器的选择

由技术手册，单机容量在5OOkW以下的中小容量装置，可用几台组成一组，用公用

变流变压器供电，每台晶闸管装置通过图2-2所示交流电抗器供电，其主要作用：

1、限制晶闸管导通时的di/dt以及限制变流装置发生故障和短路时短路电流的上升

速率。

2、改善电源电压波形，消除变流器运转时对电源系统的公害。

o--、--—Z\,

QFL_1

图2-2交流进线电抗器

交流电抗器的电感量计算公式为：

004U

L-VOxl03=004X265

2nfxO.816IdN211x50x0.816x400

2.5变压器容量的选择

一次容量(VA)Si=mi等UdoQN=3x^x594x400=248566VA

Kuv2.34

二次容量(VA)S2=m2兽UdolN=3x^x594x400=248566VA

Kyy2.34

等值容量(VA)ST=-(Si+S2)=248566VA

Udo—空载整流电压

m1、m2—变压器一、二次绕组相数，对于三相全控桥m1=m2=3

查技术手册，变流变压器容量取250kVA

晶闸管的保护

.1晶闸管换相过压保护，并联RC阻容电路

图2-3晶闸管换相过压保护

由于载流子的集蓄效应，当晶闸管在反压下载流子迅速消失恢复阻断时，电路中感性

成分会使得器件两端出现换相过电压。对于三相桥式整流电路，在中小功率的变流装置中,

由经验一般选取〜HF,R=10〜40Q

本次设计中取UF,R=40Q

.2晶闸管过电流保护，整流桥臂添加快速熔断器

图2-4整流桥臂串熔断器过压保护

熔体额定电流he»L5I„e=1.5x200=300A,取350A

U6X460„

熔体额定电压U"W-p=—F=-p=——=307V,取300V

"K2VFX1.5

选型：RN1-1/350-500,为户内式。

额定电压1kV、额定电流350A、断开容量为500MVA。

2.6.3整流装置过电压保护，交流侧整流式阻容保护

图2-5整流式阻容过压保护电路

三相整流式阻容保护电路，过压时电压充入C储能，过压过去后C通过R2放电耗能。

心％-变压器短路比，对于10~560kVA的三相变压器，取5~10,本设计取10

i。％--变压器激磁电流百分数，对于10~560kVA的三相变压器，取4~10,本设计取10

S-变压器每相平均计算容量，取l/3S2=l/3x250=83kVA=83000VA

U2-变压器次级相电压有效值，取266V

变压器次级Y接时，C26io%[=6X10X笔=UF,取75HF

U7266'

电容耐压21)2=1.5x266=399V

算二。，R1取3。

±X104〈R2W二X106,即45。〜Q,R2取2k。

2.7开卷电机的过电流保护，串联熔断器

FU

图2-6开卷电机串熔断器过电流保护

考虑到躲过电机启动电流，对J•频繁启动的升卷机，按经验公式取：

IFe=()IdN=(1.5-3.5)X400=600-1400A

本次设计取lFe=1400A,选型：RN1-1/1400-500＜；

晶闸管冷却风机的选择

由于大功率晶闸管工作过程中会产生大量热量，如不及时散热将会烧毁晶闸管，因此

冷却风机的配备是必须的。由于冷却风机工作要求低，此次设计选取Y系列低压三相异步

电机，容量2kW,调速范围750〜3000rpm,工作电压380V,全封闭自扇冷"

图2-7晶闸管散热冷却风机

2.8.1断路器QF的选择

根据技术手册，选择一般型DW16,低压断路器（空气开关）主要用在不频繁操作的

低压配电线路中做电源开关使用，当发生严重过流、过载、短路、断相、漏电等故障时能

自动切断电路，起到保护作用。

风机容量2kW,工作电压380V,求得风机工作电流约为5A,由此取断路器工作电压&

=380V,Ie=10Ao

2.8.2接触器KM的选择

选择3TF系列，工作电压380V,工作电流9~400A,适用于控制交流电机。

2.8.3热继电器FR的选择

由技术手册，选择3UA系列热继电器与3TF系列接触器配套使用。

2.8.4熔断器器FU的选择

选择RCIA系列插入式熔断器，工作电压380V,工作电流200A内。

2.9励磁回路

2.9.1弱磁调速原理（弱磁升速）

在他励直流电动机的调速方法中，如果需要从基速向上调速，那么要采用弱磁调速的

方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。转速越高，磁通越弱，容许的转矩不

得不减少，转矩与转速的乘积那么不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速〃。

在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；

在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变。

弱磁升速时，由于转速升高，使转速反应电压也随着升高Un,因此必须同时提高转

速给定电压Un*,否则转速不能上升。

2.9.2独立控制励磁的调速系统

图2-8独立控制励磁的调速系统结构

RP2——给定电位器AFR——励磁电流调节器

VFC——励磁电流可控整流装置

工作原理：

在基速以下调压调速时，RP2小变保持磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，转

速、电流双闭环系统起控制作用。

在基速以上弱磁升速时，通过RP2减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以

提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1,以提高电压。

2.9.3励磁电流可控整流装置

1.可控整流结构

未VT1未VT3

o-

L

U2Ud

o-

2^VT2ZsVT4R

2-10励磁回路可控整流结构

采用单相桥式全控整流电路给励磁回路供电，UdU2cosao

2.可控整流结构触发电路

晶闸管可控触发装置采用TC787,后面有详细介绍，此处不再赘述。

2.10交流电流互感器TA

图2-13交流互感器TA原理图

交流电流互感器常用来检测三相交流出流幅值，电流互感器是电流源，二次电流按匝

数比输出。交流电流互感器常接在整流装置交流进线侧，通过测量进线电流来获得整流后

直流Id的信号，计算值为

U=（N1/N2）RP•Id

N1/N2-互感器一、二次绕组匝数

RP-检测整流桥的负载电阻

公式中无整流系数，因为主整流桥和检测整流桥系数相互抵消。

1测速发电机

图2-14测速发电机原理图

将直流测速发电机与待测电动机同轴相连，那么发电机输出的是与电动机转速成比例

的直流电压，其极性反映转向，用取样电阻即即可取得转速反应信号Un。

本次设计选取型号ZYST・A系列测速发电机系永磁式宜流发电机，，用以测量旋转体的

转速，亦可作速度讯号的传送器。本系列测速发电机在负载电阻为恒定值的情况下，其输

出电压是转速的线性函数，正反方向的输出特性是对称的；安装方式为机座底脚式、端盖

凸缘式、机壳外圆式三种；具有线性误差小，运行平安可靠，体积小，重量轻、噪音低、

振动小、使用维护方便等特点。

2给定电路

图2-15给定电路原理图

由电位器RP1、RP2可调节给定Un*输入的幅值：-12V~+12V,通过选择开关SI、S2

可以选择给定值得正负以及实现阶跃输入。

3低压直流源设计（±24V）

电路中给定环节等需要稳定的低压直流电路供电，电压为±24V,设计如下:

T

图2-16低压直流源电路原理图

7815、7915为稳压芯片，1口进、2口出、3口接地。

C1~C7为滤波电容。

4断路器（空气开关）的选择

1.开卷电机额定电流400A,于是选型：DW17-500,留有裕量，主电路断路器额定电

流500A。

2.风机额定电流5A,于是选型：DW17-10,留有裕量，风机电路断路器额定电流lOAo

第三章双闭环调速系统的设计

3.1典型转速、电流双闭环调速系统结构

图3-1转速、电流双闭环直流调速系统

ASR一转速调干器ACR—电流调节器TG—测速发电机

TA—电流互感器UPE—电力电子变换器

3.2典型转速、直流双闭环调速系统的设计

先不考虑无环流，只设计双闭环系统。

设计的一般原则：“先内环后外环"。

从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流坏看作

是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

n

a

五》$+1

图3-2转速、电流双闭环调速系统动态结构图

3.2.1ACR（电流环调节器）的设计

（一）、总体设计步骤：

1.电流环结构图的简化

2.电流调节器结构的选择

3.电流调节器的参数计算

4.电流调节器的实现

（二）、电流环（ACR）的等效化简过程：

1.忽略反电动势的动态影响

在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E^Oo

这时，电流环如下列图所示：

图3-3忽略反电势后系统动态结构图

2.等效成单位负反应系统

如果把给定滤波和反应滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成Ui*,

那么电流环便等效成单位负反应系统，如下列图：

少(5)

图34等效为单位负反应后系统动态结构图

3.小惯性环节近似处理

最后，由于Ts和Toi一般都比一小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一

个惯性环节，其时间常数为

TLi=Ts+Toi

图3-5电流环最终简化框图

图3-6ACR校正为I型后框图

（三）、参数设计过程：

1.确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式电路取平均失控时间，

（2）电流滤波时间常数Toi

三相桥式电路每个波头时间为3.3ms,为了根本滤平波头，应有（1〜2）

Toi=3.3ms,取Toi

（3）电流环小时间常数之和TEi=Ts+Toi

2.选择电流调节器结构

突出跟随性，按典型I型系统设计电流调节器，又电流环控制对象是双惯性的，为保

证稳态电流无静差，因而采用PI调节器，其传递函数为：

式中Ki-电流调节器的比例系数

Ti-电流调节器的超前时间常数

KTKi-Ti-R

Ti=TlKI二---------

Ks-3

3.计算电流调节器参数

参数关系KT0.250.390.50.691.0

阻尼比71.00.80.7070.6().5

超调量b0%1.5%4.3%9.5%16.3%

上升时间txOO6.6T4.7T3.3T2.4T

峰值时间JOO8.376.2T4.7T3.27

相角稳定裕度产76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°

截止频率公0.243/7,0.367/T0.455/70.596/T0.786/T

按照西门子”最正确整定〃构造“二阶最正确系统”，同时参照设计要求

电流环超调量：oiW5%

⑴查表可知，取KI-TEi

（2）三相桥式整流电路总电感量:2?=4.59mH

Idmin0.1x400

电枢回路总电阻R,取R=Ra+Rad=0.4+0.4x0.1=0.44Q

电磁时间常数Tl,门二\二誉二

R0.44

（3）晶闸管装置放大系数Ks,取Ks=40

(4)电流反应系数P,取11而*=10V,那么B==———

Qm1.5x400

⑸电流调节器超前时间常数：Ti=Tl

(6)电流环开环增益：

kI_0.5_0.5_

一而一0.0037-

(7)ACR的比例系数：

KI-Ti-R135.1x0.014x0.44_

K1=----------=--------------------------

Ks-P40x0.017

(8)机电时间常数Tin

GD2R

机电时间常数Tm:

375CeCm

UNTNRH_440-400M0.4

Ce=-V•min/r

nN500

Cm=戈e=5.35V•min/r

n

GD2Q

2

Tm=--G-D--R-=---5-0-0-X-0-.4-4-

375CeCm375x0.56x5.35

4.校验近似条件

电流环截止频率：wci=KI=135.1s-1

(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件:

11

=196.1>3ci,满足条件

3TS3x0.0017

⑵忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:

3/———=3/------------=<3ci,满足条件

^/TmTlyj0,196x0.014

(3)电流环小时间常数近似处理条件：

1111

=180.8>oci,满足条件

3TsToi30.0017x0.002

5.电流调节器(ACR)的具体实现

图3-7含给定滤波与反应滤波的PI型ACR调节器

取R0=40kQ

Ri=Ki-RO=L224x40=48.96kQ,取50kQ

0.014=0.28iiF,

50X103

.4TO14x0.002g八门n

rCm=---=------取0.2uF

R040X103

按照以上参数设计，电流环动态跟随性能指标为。i=4.3%<5%,满足条件。

6.电流环上升时间tACR

ACR校正成典型I型系统,查表知tACRRi=4.7x3.7=17.39ms<40ms,满足条件

3.2.2ASR(转速环调节器)的设计

(一)、总体设计步骤：

(二)、转速环(ASR)的化简过程：

1.电流环经简化后可视作转速环中的•个环节，为此，须求出它的闭环传递函数:

%

WLG)$(Qs+l)1

喏i$+l)与K、

2.忽略高次项，电流环等效传递函数：

明-

—.V4-1

&

3.接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),电流环在转速环中应为

1

人（$）叱I，）一万

u：9B~_L“1

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有

较小时间常数的一阶惯性环节，这就说明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流

的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

图3-8转速环等效后框图

4.系统等效和小惯性的近似处理

和电流环中一样，把转速给定滤波和反应滤波划、节移到环内，同时将给定信号改成

Un*（s），再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时

间常数为的惯性环节，其中

1

Tsn=—+Ton

图3-9系统小惯性处理后框图

彗）

%\，（9+1）

『（£卢+D

图3-10ASR校正成典型II型框图

（三）具体参数设计过程：

1.确定时间常数

(1)电流环等效时间常数上，®KI•TEi,3=2TXi

KIKI

(2)转速滤波时间常数Ton二

(3)转速环小时间常数之和T2n=占+Ton=

KI

2.选择电流调节器结构

由设计要求，空载起动到颔定转速时的转速超调量。n<10%

为实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速

调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函

数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态

抗扰性能好的要求，采用PI调节器，其传函为：

%")=+

却s

式中Kn-转速调节器的比例系数

tn—转速调节器的超前时间常数

(1)按跟随性和抗扰性都较好的原则，取中频宽h=5

(2)那么ASR的超前时间常数为

Tn=hT£

(3)转速反应系数a,取Unm*二I。、'

Unm*10

a=---------二0.02V/A

nrnax500

(4)转速环开环增益:

v_h+l_5+1—

N2h2T2X52X0.01742

(5)ASR比例系数为:

_(h+l)pCeTm_(5+1)x0.017x0.56x0.196-

TKZn=---；--------=---------------------

2haRTEn2x5x0.02x0.44x0.0174

4.校验近似条件

转速环截止频率：sen=KN-Tn=34.5s-1

(1)电流环传递函数简化条件：

=63.7>o)cn,满足条件

(2)转速环小时间常数近似处理条件:

=38.7>wcn,满足条件

5.转速环(ASR)的具体实现

图3-11含给定滤波与反应滤波的PI型ASR调节器

取R0=40kQ

Rn二Kn・RO=x40=kQ,取300kQ

0.087

Cn=—=0.29口F,取0.3uF

Rn300X103

c4Ton4x0.01

Con=------=1uF,取1uF

RO4OxlO3

6.退饱和超调量

h345678910

Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%

小T2.452.702.853.003.153.253.303.40

tjT13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85

,,,△Cmax

查表可知，取h=5时，——=81.2%

Co

电机过载倍数

负载系数：z=IdL/IdN,空载时z=0

额定电流：LN=400A

额定转速:nN=500r/min

Q

GD2R

机电时间常数Tm,取Tm=

375CeCm

基准值n*=nN=500r/min

UN-INR；I440-400x0.4

电动势系数Ce=0.56V,min/r

r»N500

调速系统开环机械特性的额定稳态速降△nN、=4。％44=314r/min

Leu.oo

an=2(X-z)四塾

Cbn*Tm

=2x81.2%x(L5-0)x—x

5000.196

=%>10%,不满足满足设计要求

为减小退饱和超调，在转速调节器上增设转速微分负反应，用以抑制超调，获得更好

的动态性能。带转速微分负反应的转速调节器原理如下：

RnCn

国鼻_A

图3-12带转速微分负反应的转速调节器原理图

和普通的相比，在转速反应环节并联了微分电容Cdn(用以对转速信号进行微分)和

滤波电阻Rdn(用以滤去微分后带来的高频噪声)，即在转速负反应的根底上再叠加一个带

滤波的转速微分负反应信号，转速负反应和转速微分反应一起与给定Un*相抵，将比普通

双环系统更早到达平衡，开始退饱和，起到抑制超调的作用。

设idn为微分反应之路电流，拉氏变换得：

an(s)aCdnSn(s)

6〃。而$+1

dn

虚地点A的电流平衡方程为:

_______-($)_______U：(s)

%(小+1)~—”$+1)­-S+1-R+L

〃G,

整理后可得：

〃“*")_a〃(s)_aj“s〃(s)=U/(s)

小+1T,”s+1乙户+1K7"S+1

Tdn——转速微分时间常数,Tdn=ROCdn

Todn--转速为微分滤波时间常数，Todn=RdnCdn

实际设计中常选定Todn=RdnCdn=T°n。

2X1土刀、由n-4*Ir\4h+2小4x5+2

无超调时，Tdn|o=0—TSn=不二

Cdn=Tdn，取pF

Rdn=Todn/CdnQ=5。，取5Q

此时退饱和超调接近0<<10的满足满足设计要求

7.转速环空载起动到额定转速时间tASR

查表知，典型II型系统阶跃输入跟随性能指标有：

h=5时，tASRT£n=2-85xO-0174=OQ4959s=50ms<100ms,满足设计要求

第四章逻辑无环流系统的实现

4.1典型逻辑控制的无环流可逆调速系统

图4-1典型逻辑控制的无环流可逆调速系统框图

主电路采用两组晶闸管装置及并联线路，1ACR用来控制止组晶网管触发装置GTF,

2ACR控制反组触发装置GTR,1ACR给定信号Ui*经反号器AR作为2ACR的给定信号”,

为了保证不出现环流，设置了无环流逻辑控制环节DLC,它按照系统的工作状态指挥正反

组自动切换。信号Ub]f控制正组触发脉冲的封锁和开放，Ub.「控制反组触发脉冲的封锁和

开放，任何情况下，两信号相反，仅有一组晶闸管工作。

4.2无环流逻辑控制环节DLC

1.系统对无环流逻辑控制器的要求

(1)由电流给定信号Ui*的极性(反映转矩极性)和零电流检测信号Ui。(过零换组)

共同发出逻辑切换指令。当Ui*改变极性，且零电流检测器发出“零电流〃信号时，允许

封锁原工作组，开放另一组。

(2)发出切换指令后，须经过封锁延时时间才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时，

才能开放另一组脉冲。

(3)无论在何种情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另

一组的触发脉冲必须被封锁住。

2.无环流逻辑控制器的实现

锁

封

电流给定极性信号_\正

趋平

逻辑

时

延

r联

脉

组

(转矩极性)冲

检测

判断

路

电

保

锁

封

反

脉

组

零电流检测信号工♦冲

图4-2环流逻辑控制器结构图

DLC由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四个根本环节组成。

输入为电流给定(转矩极性)信号Ui*和零电流检测信号Uio,输出是正组和反组脉冲

的控制信号Ublf和Ublro

(1)电平检测器

电平检测器的任务是将控制系统中连续变化的模拟量转化成“1”或"0"两种状态的

数字量，实际上是一个模数转换器，它由带正反应的运算放大器组成，具有满足一定要求

的继电特性。

♦izu6<—]-----

R3

RPU1

R31

-IZUO-

RO

20T

----T~1=3R2

CO=y=UDI,2¥公◎

RPUZ

1CZ

RO4RO2

HZUl

CO三UD4,5"2：◎

图3-3电平变换电路

无环流逻辑控制器中应设立“转矩极性鉴别〃和“零电流检测〃两个电平检测器，分

别将电流给定的极性和电流”是零〃或“非零〃转换成相应的“1〃或”0〃数字量，供逻

辑判断使用。

(i)转矩极性鉴别器

其输入信号为速度调节器的输出Ui*,它是左右对称的；其输出为转矩极性信号，为

给出“1”和“0〃的数字量，输出应是上下不对称的，"1"态表示正向转矩，用正向饱

和值+10V表示，“0〃态表示负向转矩，用负饱和值一0.6V表示。

图3-5转矩极性鉴别器的输入/输出特性

(ii)零电流检测器

其输入信号是电流互感器输出的零电流信号Uio,主电路有电流时约为+0.6V,零电

流检测器输出为“0”;主电路电流接近零时，.下降到+0.2V左右，输出为“1〃。”1〃

态仍用正向饱和值+10V表示，“0〃态用负向饱和值一0.6V表示。两个电平检测器输出

饱和值+10V和一0.6V可通过设置正、负限幅电路得到

图4-7零电流检测器的输入/输出特性

零电流检测器特性回环偏在纵轴的右侧，可在输入端增设偏移电路RT1来实现。

(2)逻辑判断电路

逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号，正确地发出切换信号，输出均有

“1〃和“0〃两种状态，究竟月"1”态还是"0〃态表示封锁触发脉冲，取决于触发电路

的结构。现假定该输出信号为“1〃态时开放脉冲，"0"态时封锁脉冲，归纳各种情况下

逻辑判断电路的输入输出状态，用与非门实现，其逻辑代数式为：

UF=UR・(UT-UZ)UR=UF[(UT-UZ)-UZ]

原理图如下所示:

图4-8逻辑判断电路结构图

(3)延时电路

在逻辑判断电路发出切换指令之后，必须经过封锁延时和开放延时，才能执行切换指

令，因此，无环流逻辑控制器中必须设置相应的延时电路。

在与非门的输人端加接二极管和电容，就可使与非门的输出由“1〃态变到“0"态时

获得延时。因为这时当输入由“0〃变到“1〃时，必须先使电容充电，待电容端电压充到

开门电平时，输出才由“1〃变"0”,电容充电到开门电平的时间那么为延时的时间，阻

容电路的充电时间可通过电容调整。

(4)联锁保护电路

在正常工作时，逻辑判断与延时电路的两个输出和总是一个为"1"态另一个为“0〃

态。一旦出现故障，两个输出和如果同时为“1〃态，将造成两组晶闸管同时开放而导致

电源短路。为了防止出现这种事故，在无环流逻辑控制器的最后局部设置了多“1〃保护

电路。

其原理如下：正常工作时，信号总是一个为“1〃另一个为“0〃，这时联锁保护环节

的与非门输出A点电位始终为“1〃态，那么实际的脉冲控制信号直接加到后面电路，总

能封锁一组脉冲。当出现信号同时为"1”的故障时，联锁保护环节中的与非门输出A点

电位立即变为“0”态，将输出信号都拉到“0〃，使两组脉冲同时封锁，这样就防止了两

组晶闸管同时处于整流状态而造成短路事故。

(5)DLC逻辑电路的硬件实现

由于工业现场的干扰十分严重，为此，采用抗干扰能力强的HTL与非门。HTL与非门

是专门为工业现场设计的，具有延迟时间长、噪声容限大、抗干扰能力强的优点，但其功

耗也很大。本次设计选用陶瓷封装H004HTL与非门作为逻辑元件。

4.3晶闸管集成触发器

采用西门子高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787o

TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计

的单片集成电路，是KJ系列的升级换代产品。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要

适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流

装置。

1.TC787外部结构

[1^18

Vc]Va

Vb[217]VDD

vss[316]Ca

Vr—15]Cc

Pi[514]Cb

Pc[613

-B[712JA

C[811J-c

-Ar910

管脚图

图4-9TC787的引脚排列图

(1)同步电压输入端：

引脚l(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)分别为三相同步输入电压连接端,应用中分别

接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC7B7的工作电源电压VDD.

(2)脉冲输出端：

脉冲分配及驱动电路是山6脚控制脉冲分配的输出方式。

6脚接低电平VL,输出为半控方式，12、11、10、9、8、7分别输出A、-C、B、-A、

C、-B的单触发脉冲。

6脚接高电平VH,