逻辑无环流可逆直流调速系统设计

逻辑无环流可逆直流调速系统设计

摘要

直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性

能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上

都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，

所以首先应该掌握好直流系统。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置

随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都

是通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。

在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运

行的特性，此时必须采用可逆调速系统。而本文着重介绍应用广泛的“逻辑无环流

可逆直流调速系统”的设计与仿真。

对于系统的设计，采用工程上对调节器的设计方法。而对系统的仿真，则采用

MATLAB中的S1MULINK工具箱对模型仿真。

关键词：逻辑无环流调速，直流电机，MATLAB仿真

DESIGNOFLOGICNON-LOOP-CURRENTREVERSIBLEDCSPEED

CONTROLSYSTEM

ABSTRACT

Thedirectcurrentelectricmotorhasagoodstartingandbrakingquality,

andcanbemodulatingsmoothlyandeasi1yinawiderang.Itisused

frequentlyincontrollableelectricdrivewithhighquality.Directcurrent

drivesthecontrolsystemintheoretic-callyquitetobeallmaturewith

thepracticein,moreoverlookedfromthefeedbackclosed-loopcontrolangle,

italsoistheexchangedrivesthecontrolsystemthefoundation,therefore

firstshouldgraspthedirectcurrentsystem.

Lookedfromtheproductionmachineryrequestcontrolphysicalquantity

that,theelectricpowerdrivestheautomaticcontrolsystemtohavethe

speedcontrolsystem,thepositionservosystem,thetensioncontrolsystem,

multi-electricmotorssynchronizationcontrolsystemandsoonmanykinds

oftypes,buteachkindofsystemoftenallistoachievebycontrolling

thespeed.Throughthespeedcontrolsystemisthemostbasicdrivescontrol

system.

Inmanyproducesinthemachinery,theelectricmotoroftenisrequested

bothtobeabletoreverse,andcanfastapplythebrake,toneedfour

quadrantsmovementstnechar-acterristic,thistimemustusethereversible

speedcontrolsystem.Thisarticleintroducedemphaticallytheapplication

widespreadlogicdoesnothavethecirculationreversibledirectcurrent

speedcontrolsystemdesignandthesimulation.

Forthesystem'sdesign,engineeringdesignoftheregulatormethod

isadopted.Whileforthesystemsimulation,MATLAB/SIMULINKtothemodel

simulationisadopted.

Keywords:logicnon-loop-currentspeedcontrol,DCmotor,Matlabsimulation

目录

I可逆倜速系统概述-------------------------------------------------------------1-

1.1绪论...................................................................1-

1.2可逆调速系统----------------------------------------------------------2-

1.2.1直流电动机的调速特点............................................2-

1.2.2晶闸管整流电路...................................................3-

1.2.3可逆直流调速系统-------------------------------------------------5-

1.3直流调速系统的技术指标................................................6-

2双闭环调速系统的基本原理-----------------------------------------------------7-

2.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性------------------------------------7-

2.1.1转速、电流双闭环调速系统的组成----------------------------------8-

2.1.2两个调节器的作用-------------------------------------------------9-

2.2调节器的设计...........................................................9-

2.2.1调节器结构的选择------------------------------------------------10-

2.2.2电流调节器的设计------------------------------------------------II-

2.2.3转速调节器的设计................................................12-

3逻辑无环流可逆调速系统------------------------------------------------------14-

3.1晶闸管•电动机系统的可逆线路及其环流分析..............................14-

3.2系统的组成和工作原理--------------------------------------------------16-

3.3可逆系统对无环流逻辑控制器的要求-------------------------------------17-

3.4无环流逻辑控制器的实现................................................18-

3.5逻辑无环流系统的优点--------------------------------------------------19-

4逻辑无环流可逆调速系统实验.................................................-20-

4.1DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置介绍-------------------------20-

4.1.1控制屏介绍及操作说明--------------------------------------------20-

4.1.2各挂件功能介绍..................................................21-

4.2逻辑无环流可逆直流调速系统实验---------------------------------------29-

5系统建模与仿真..............................................................-35-

5.1MATLAB软件介绍-----------------------------------------------------35-

5.2逻辑无环流可逆调速系统的建模----------------------------------------36-

5.2.1电力系统(PowerSystem)工具箱..................................-36-

5.2.2逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模----------------------------36-

5.2.3逻辑控制器DLC封装...........................................-38-

5.3系统主要环节的仿真参数-----------------------------------------------40-

5.3.1系统主要环节的仿真参数---------------------------------------------40-

结论...........................................................................42-

致谢---------------------------------------------------------------------------43-

参考文献.......................................................................44-

1.可逆调速系统概述

1.1绪论

在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力传动装置。轧钢机、电铲、提升

机、起重机、机床、纺织机、泵、压缩机、造纸机、运输机等各类生产机械都要采

用电动机来传动。随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来

越多的生产机械要求能实现自动调速。

对可调速的传动系统⑴，按照传动电动机的类型可分为两大类：直流调速系统

和交流调速系统。由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电

动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其

在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。但

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在,

使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

近年来，以电力电子器件为核心配合电力电子技术、控制技术、计算机技术等,

开创了电力电子技术蓬勃发展的新时代。从20世纪80年代起，在电气传动自动化

领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。

众所周知，交流感应电动机结构简单，坚固耐用，成本低，制造维修容易，但是由

于它的电压、电流和磁通之间具有强耦合，调速性能差，因此以往交流调速系统不

受重视。现在，借助于新兴的电力电子技术，特别是变频和矢量控制技术的完善，

很好地解决了交流调速存在的问题，使交流调速系统发生了质的飞跃。随着电子工

业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系

统发展趋势。

由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性

能，目前绝大多数对调速要求较高的生产机械，仍采用直流电动机来传动。作为一

个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理

解还是有必要的。

1.2可逆调速系统

1.2.1直流电动机的调速特点

直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来直流调速系统一直占据垄断

地位。近年来交流调速系统发展很快，但就目前而言，直流调速系统仍然是自动调

速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧刚、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性

能调速的场合得到广泛应用。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从

控制技术来看，又是交流调速的基础。

调速系统的转速控制是各式各样的，归纳起来，有以下三个方面：

(1)调速一一在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地(有级)或平滑地

(无级)调节转速；

(2)稳速一一以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允

许有过大的转速波动，已确保产品质量；

(3)力口、减速一一频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速以提高生产率；不

宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

直流他励电动机的调速方案：

他励直流电动机的转速公式：

EU-IR

n=------------、，〜

Ce①Ce^＞

式中：U为他励电动的电枢电压；

I为电枢电流；

E为电枢电动势；

R为电枢回路的总电阻；

n为电机的转速；

中为励磁磁通；

Ce为由电机结构决定的电动势系数。

(1)调节电枢电压的调速。当磁通＜!＞和电阻R一定时，改变电枢电压Ud，可

以平滑地调节转速n,机械特性将上下平移，但电枢电压只能向小于额定电压的方

向变化，所以这种调速方式只能在电动机额定转速以下调速。

(2)减弱励磁磁通的调速。当U.和R不变时，减小励磁磁通(1),电动机转速将

高于额定转速，其机械特性上移。

(3)改变电枢回路电阻调速。在电枢回路中串接附加电阻，损耗较大，只能进

行有级调速。

直流调速系统用的可控直流电源：

(1)旋转变流机组一一用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直

流电压。

(2)静止可控整流器一一用静止的可控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得

可调的直流电压。

(3)直流斩波器或脉宽调制变换器一一用恒定直流电源或不可控整流电源供

电，利用直流斩波器或昧宽调制变换器生产可变的直流平均电压。

1.2.2晶闸管整流电路

(1)晶闸管元件的额定电流是用最大通态平均电流来度量的。电动机的转矩与

电枢电流成正比，所以电动机的转矩也是与整流电流的平均值成正比的。而晶闸管

元件和电动机的发热，却和整流电流的平方成正比的，亦即与整流电流的有效值成

正比。因此，当电流断续时，导通角小，同样的平均电流，与它对应的有效值要大

得多，发热也严重的多，这个特点是在选择晶闸管元件、电机容量、整流电路形式

和电抗器时必须注意的，

(2)晶闸管整流电路的工作，是交流侧电流中含有较多的谐波成份，对电网产

生不利影响。因此在大、中功率整流电路的交流侧大多采用交流电抗器或通过整流

变压器供电以抑制谐波分量。

(3)晶闸管元件的过载能力很小，因此不仅要限制过电流和反向过电压，而且

还要限制电压上升率(dv/dt)和电流上升率(di/dt)。所以晶闸管整流电路设有许多

保护环节。

(4)晶闸管直流调速系统中，采用的整流电路的形式rr单相半控桥式，单相全

控桥式，三相半控桥式和三相全控桥式等几种。

优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在10,以上，门极

可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。

缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成

困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐

波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”⑵。

品闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压Uc与触发电路的控制电压L之间

的关系，即Ud=f(Uc)。图IT为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死

区，又会饱和。

图17晶闸管整流装置的调节特性

如果在一定范围内将非线性特性线性化，可以把它们之间的关系视为由死区和

线性放大区两个部分级成。其中线性放大区有：

U=K(1-2)

■($),

死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用的，这主要是由于整

流装置的失控时间造成为。由电力电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在

阳极正向电压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，门极便失去

了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉冲的相位产生移动，但是也必须等正

处于导通的元件完成其导通周期并自然关断后，整流电压也才能与新的脉冲相位相

适应。因此这就造成整流电压L滞后于控制电压U,的情况。

晶闸管触发可控整流装置的传递函数可以看成是由两个环节串联组成的，即：

可以把它的触发电压U与整流输出电压U.之间的放大系数K视为常数，而把晶闸管

电路和整流装置可以看成是一个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：

TS

G%(s)=Kse-(1-3)

式中，T。是晶闸管触发装置和整流装置的失控时间，单位为秒。

若再考虑到T。的延迟时间一般很小（三相桥式T。=1.7ms,单相全波T0=5ms）o

这样品闸管整流装置的传递函数为：

6卜⑹==KLx-^―«K、（1一4）

U*s）AM+1，

1.2.3可逆直流调速系统

生产实践中许多生产机械要求电动机能够正、反转，或在停车时要有电气制动,

以缩短制动时间，如可逆轧机的来回轧制，龙门刨床工作台往返运动，矿井卷扬机

和电梯的提升和下降，电气机车的前进和后退等。有些生产机械虽不要求可逆运行,

但却要求快速电气制动，因此，这些生产机械都要求电动机的电磁转矩能够自由地

改变方向，此类系统统称为可逆调速系统。

对于晶闸管供电的直流调速系统，由于晶闸管的单向导电性，电流不能反向，

要实现可逆，只能采用两组变流装置，各负责一个方向的电流。直流电动机的电磁

转矩方向可由磁场和电枢电流的方向来决定。

在要求频繁正反转的生产机械上，经常采用的是两组晶闸管装置反并联的可逆

线路。如图1-2所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反

组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，能灵活地控制电动

机的起、制动和升、降速C

图1-2两组晶闸管反并联的可逆线路

但在一般情况下，不允许两组晶闸管同时处于整流状态，否则将会造成电源短

路。因此，这种线路对控制电路提出了严格的要求，这是反并联可逆线路的一个特

别要注意的问题。

当其中一组向电动机供电的同时，正、反两组之间还可能产生不流过电动机的

电流(称为环流)，这电流对系统有弊也有利。因此，根据对系统性能的不同要求，

处理环流的方法也不同，允许环流存在的称为有环流系统。其中又分配合控制的有

环流，给定环流和可控环流的可逆系统。另一类系统则为不允许环流存在，称为无

环流可逆系统，其中乂分为逻辑无环流和错位无环流可逆系统⑶。

1.3直流调速系统的技术指标

(1)调速系统的静态指标：

主要是静差率(s)和调速范围(D)o静差率是表示负载变化时转速波动的程度，

一般是指最低速时的静差率。它反映了系统静态精度。调速范围是指一定静差率条

件下的调速比，它反映了系统的适应性。

调速范围：

生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速n皿最低转速—之比称为调

速范围，用D表示。即：

£)=公”(1-5)

“min

静差率：

调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对

应的转速降落An与理想转速n。之比，用s表示。即：

.?=—xlOO%=-^—^xlOO%(1-6)

两者之间的关系是:

(1-7)

(2)调速系统的动态指标：

对给定信号而言，主要是最大超调量(。)、调整时间(tj和振荡次数(N)；对扰

动信号而言，为最大动态速降(△/)、恢复时间(3)和振荡次数(N)。

最大超调量(或最大动态速降)反映了系统的动态精度，它和振荡次数又反映了

系统的稳定性。调整时间(或恢复时间)反映了系统的快速性。

2.双闭环调速系统的基本原理

2.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力

传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具

有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑

制。采用转速负反馈和pr调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现

转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速

降小等等，单闭环系统就难以满足要求.这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照

需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在

超过临界电流Lcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控

制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如

图2Ta所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必

然拖长。

在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的

允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动

系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马

上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2Tb所示，这时,

启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速

系统所能得到的最快的起动过程。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程

图2-1调速系统起动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启

动，关键是要获得一段使电流保持为最大值L“的恒流过程，按照反馈控制规律，采用

某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的

恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时

加到一个调节器的输入瑞，到达稳态转速后，乂希望只要转速负反馈，不再靠电流负

反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两

种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

2.1.1转速、电流双闭环调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别

调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即把转速调节器的输出当

作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭

环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成

了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作

为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能

提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般

的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性

能。

图2-2转速、电流双闭环直流调速系统

ASR一转速调节器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

2.1.2两个调节器的作用

(1)转速调节器的作用：

①使转速〃跟随给定电压U；变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；

②对负载变化起抗扰作用；

③其输出限幅值决定允许的最大电流。

(2)电流调节器的作用：

①在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U「变化；

②对电网电压波勾起及时抗扰作用；

③起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

④当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全

保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

2.2调节器的设计

设计过程分作两步：

(1)先选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的

稳态精度。

(2)再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

图2-3双闭环调速系统的实际动态结构框图

TH-电流反馈滤波时间常数％-转速反馈滤波时间常数

2.2.1调节器结构的选择

选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。

(1)典型I型系统

作为典型I型系统，其开环传函选择为

K

W(s)=(2-1)

s(Ts+1)

式中：T-系统的惯性时间常数：

K-系统的开环增益。

它的闭环系统结构框图如图2-4所示，选择参数，保证oj<1,使系统足够

稳定。

s(Ts+1)

图2-4典型I型系统闭环系统结构框图

(2)典型H型系统

在各种II型系统中，选择一种结构简单而且能保证稳定的结构作为典型II型

系统,其中开环传递函数为

K3+1)

W(s)=(2-2)

『(公+1)

它的闭环系统结构框图如图2-5所示，选择参数，保证T>T,使系统足够稳

定。

+1)C(s)

"s+D

图2-5典型II型系统的闭仄系统结构框图

(3)I型和II型系统在稳态误差上的区别：

典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差;

典型TT型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

2.2.2电流调节器的设计

(1)电流环结构的简化：

①忽略反电动势的动态影响；

②等效成单位负反馈系统；

③小惯性环节近似处理；

则图2-3中电流环结构框图最终简化成图2-6o

图2-6电流环结构框图化简

(2)电流调节器结构的选择：

采用典型I型系统设计，ACR选PI调节器。

为了让调节器零点与控制对象的大事件常数极点对消，选择

…(2-3)

则电流环的动态结构框图边成图2-7所示的典型形式，其中

K_KK0(2-4)

图2-7动态结构框图

2.2.3转速调节器的设计

(1)电流环的等效用环传递函数：

1

/3)_%3)〜1

大一一7一〜工^；&-5)

跖

原来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。

电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是内环控制的一个

重要功能。

(2)转速调节器结构的选择：

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点的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TT型系统。

ASR采用PI调节器，其传递函数为：

-)="内+1)0-6)

却s

图2-8转速环的动态结构框图简化

令转速开环增益K、为

一K〃R

(2-7)

八N-,

则:

(2-8)

校正后的调速系统动态结构框图如下:

2⑶

-(2+1)

图2-9校正后的系统动态结构框图

其中：Tn=hT(2-9)

/1+1

(2-10)

=一+D/CJ；

因此K(2-11)

11

2haRT^n

中宽频h的选择要看动态性能的要求决定，无要求时，一般选择h=5为好。

(3)转速环与电流环的关系：

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这

样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工

作非常有利。

(4)双闭环调速系统具有明显的优点：

①具有良好的静特性；

②具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小；

③系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而转速环

能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；

④由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先

调好电流环，再调转速环)，调整方便。

3.逻辑无环流可逆调速系统

3.1晶闸管-电动机系统的可逆线路及其环流分析

（1）两组晶闸管装置反并联线路：

较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向

导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控装置反并联的可逆线路，如图3-1

所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR

供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活的地控制电动机的起、制动

和升、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处在整流状态，否则珞造成

电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。

图37两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路

（2）两组晶闸管装置的可逆运行模式：

①正组晶闸管装置VF整流一正向电动运行（I）；

②反组晶闸管装置VR整流一反向电动运行（III）;

③正组VF逆变一反向回馈制动（IV）；

④反组VR逆变一正向回馈制动（II）;

实现四象限运行。

在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时

同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动，归纳起来。可将可逆线路正反转时晶闸管

装置和电机的工作状态列于下表中。

表3-1V-M系统反并联可逆线路的工作状态

V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动

电枢端电压极性++——

电枢电流极性+一—+

电机旋转方向++——

电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电

晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变

机械特性所在象限—•二三四

注：表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”。

(3)可逆V-M系统中的环流问题

采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，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。如图3-2

中的I,。一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消

耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：

①静态环流。两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又分

两类：

A、直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压差所产生的环流称作直

流平均环流。

B、瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差虽为零，但因电压波形

不同，存在瞬时的电压差，仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

图3-2反并联可逆V-M系统中的环流

R,L整流装置内限

②动态环流。仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

由图3-2可以看出，如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平

均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止产生直流平均环流，应

该在正组处于整流状态、Kf为正时，强迫让反组处于逆变状态，使为负，且幅

值与相等，使逆变电压Uw把整流电压心,顶住，则直流平均环流为零。

(4)直流平均环流与配合控制

如果止组VF和反组VR同时处于整流状态，两组的直流平均电压止负相连，必

然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，可采取的措施如下：

①采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作一一

无环流系统。

②采用a=P配合控制，当一组晶闸管装置工作在整流状态时，另一组工作

在逆变状态，则消除了直流平均环流，但仍有脉助环流一一有环流系统。

3.2系统的组成和工作原理

有环流可逆系统虽然具有反向快，过渡平滑等优点，但必需设置几个笨重而昂

贵的环流电抗器，增加了设备投资。因此，当工艺过程对系统过渡特性的平滑性要

求不高时，特别是对于大容量的系统，从生产可靠性要求出发，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系统。按实现无环流原理的不同而分为两

大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。

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。

逻辑控制的无环流可逆直流调速系统的原理框图如图3-3所示。主电路采用两

组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用设置环流电抗器。但为了保证稳定

运行时电流波形连续，仍保留平波电抗器L*控制系统采用典型的转速、电流双闭

环系统，为了保证不出现环流，设置了无环流逻辑控制环节DLC,这是系统中的关

键环节，它按照系统的工作状态指挥正、反组的自动切换。其输出信号Um用来控

制正组触发脉冲的封锁或开放，UM用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。在任何情

况下，两个信号必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲，以确保主电路

没有出现环流的可能。

图3-3逻辑控制的无环流可逆直流调速系统的原理框图

3.3可逆系统对无环流逻辑控制器的要求

无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是，当需要切换

到正组晶闸管VF工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组

VR工作时，封锁正组而开放反组。

(1)由电流给定信号U；的极性和零电流检测信号共同发出逻辑切换指令。

当U: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。

3.4无环流逻辑控制器的实现

依据要求，得出逻辑控制流的组成和输入输出信号(图3-4)。其输入为电流给定

(转矩极性)信号U：和零电流检测信号输出是正组和反组脉冲的控制信号U,”和U小，

DLC可由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四个基本环节组成。

电流给定极性信号%封锁正

(转矩极性)

电平逻辑延时联锁组脉冲

检测判断电路保护%

零电流检测信号“封锁反

--------►----------►

组脉冲

图3-4逻辑控制器的组成和输入输出信号

(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。无环流逻辑控制器中设立“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。

(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。

(3)延时电路

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t

#1和开放延时％。

从发出切换指令到真正封锁掉原来工作地那组晶闸管之间应该留出来的一段等

待时间叫作封锁延时。由于主电流的实际波形是脉动的，而电流检测电路发出的零电

流数字信号口。时，总有一个最小动作电流I。，如果脉动的主电流瞬时低于I。就立即发

出Ui。信号。实际上电流仍在连续地变化，这时本组正处在逆变状态，突然封锁触发脉

冲将产生逆变颠覆。

从封锁本组脉冲到开放它组脉冲之间也要留一段等待时间，这是开放延时。因为

在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要过一段时间后才能关断，再过一段时间才能恢

复阻断能力。如果在此以前就开放它组脉冲，仍有可能造成两组晶闸管同时出现导通,

产生环流。

(4)联锁保护电路⑷

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，将造成两组晶间管同时

开放而导致电源短路。

3.5逻辑无环流系统的优点

逻辑无环流可逆直流调速系统是目前应用比较成熟而且系列化的系统。它的特

点是：用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发

脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了

无环流控制。与有环流系统比较，省去了均衡电抗器，没有环流损耗，设备体积和

成本均有降低。

缺点是存在切换死又，快速性不如有环流可逆系统。但是，对于切换快速性要

求不高的设备，它的应用是很广泛的。在实际生产中，有许多机械要求电动机既能

正转，乂能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流可逆调速系

统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。因此，我

们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。

4.逻辑无环流可逆调速系统实验

4.1DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置介绍

4.1.1控制屏介绍及操作说明

(1)特点：

①实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、

使用方便、功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自

动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》、《控制理

论》等课程所开设的主要实验。

②实验装置占地面积小，节约实验室用地，无需设置电源控制屏、电缆沟、

水泥墩等，可减少基建投资。

③实验机组容量小，耗电小，配置齐全。装置使用的电机经过特殊设计，其

参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组。

④装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观。实验连接线采

用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成设备

损坏。除电源控制屏、挂件外，还设置有实验桌，桌面上可放置机组、示波微等实

验仪涔。

⑤控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型

漏电保护装置，切实保护操作者的安全，为开放性的实验室创造了安全条件，

⑥挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别,

不能互插。

⑦实验线路选择典型线路，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。

(2)技术参数：

①输入电压三相四线制380V±10%50Hz

②工作环境环境温度范围为-5~40℃,相对湿度＜75版海拔〈1000m

③装置容量：＜1.5kVA

④电机输出功率：〈200W

⑤外形尺寸：长X宽X高=1870mmX730mmXI600mm

(3)实验机组：

①直流电动机：PF185W,UN=220V,IS=1.20A,n=1600r/min,IfN<0.13A

②直流复励发电机MOLPN=100W,Us=200V,IN=0.5A,n=1600r/min

(4)实验挂箱：

①DJK01电源控制屏：三相电网电压指示，控制部分，定时器兼报警记录仪，

单控制部分，三相主电路输出，励磁电源，面板仪表；

②DJK02挂件：三相同步信号输出端，正、反桥脉冲输入端，三相正、反桥主

电路，电抗器，直流电压表及直流电流表；

③DJK027挂件：移相控制电压IL输入及偏移电压U观测及调节，触发脉冲

指示，三相同步信号输入端，正、反桥功放电路，正桥控制端必及反桥控制端U”

正、反桥脉冲输出端；

④DJK04挂件:电流反馈与过流保护(FBC+FAJ,给定(G),转速变换(FBS),速

度调节器(ASR),反号器(AR),电流调节器(ACR),转矩极性鉴别器(DPT),零电平

检测(DPZ),逻辑控制(DLC)；

⑤DJK08挂件：可调电阻、电容箱；

⑥选用挂件：DD03-2电机导轨、测速发电机及转速表。

4.1.2各挂件功能介绍

DJK02挂件：

D.JK02挂件由三相同步信号输出端，正、反桥脉冲输入端，三相正、反桥主电

路，电抗器，直流电压表及直流电流表等部份组成。

(1)三相同步信号输出端：

同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有/Y接法的三相同步变压器，和主

电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，供DJK02T内的KC04集成触发电

路，产生移相触发脉冲，

(2)正、反桥脉冲输入端：

从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路

±o

(3)三相正、反桥主电路：

正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/100CV晶闸管等组成。其中由VT1〜

VT6组成正桥元件；由VT1'〜VT6'组成反桥元件。

DJK02-1挂件：

(1)三相同步信号输入端：

通过专用的扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1"三相同

步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号。

(2)正、反桥功放电路：

正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图4T所示。由触发电路输出

的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器口输出。山即为

DJK02面板上的U”接地即可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲。正桥共有六路功

放电路，其余的五路电路完全与这一路一致。反桥功放和正桥功放线路完全一致，

只是控制端不一样。

(3)正桥控制端U”及反桥控制端，：

这两个端子用于控制止反桥功放电路的工作与否。当端子接地，表示功放甩路

工作，触发电路产生的冰冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示引放不

工作。U"控制正桥,U4空制反桥。

图4T功放电路原理图

DJK04挂件：

该挂件主要完成电机调速实验，如单闭环直流调速实验、双闭环直流调速实验、

逻辑无环流等实验。

(1)电流反馈与过流保护：

本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出

电流超过某一设定值时发出过流信号，切断电源。其原理如图4-2所示。

TAI,TA2,TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的

电流大小，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。

(2)给定

给定的原理图如图4-3所示。

图4-3电压给定原理图

电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关SI、S2组成。S1为正、负极性

切换开关，输出的正、负电压的大小分别由即1、RP2来调节，其输出电压范围为。〜

±15V,土为输出控制开关，打到“运行”侧,允许电压输出，打到“停止”侧，

则输出为零。

(3)转速变换

转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的

电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图4-4为其原理图：

RI

图4-4速度变换

使用时，将DD03-2(或DD03-3)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端

'T和“2”.输入电压经R1和RP1分压,调节电位器RP1可改变转速反馈系数。

(4)速度调节器

速度调节器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。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环

节及二极管限幅环节组成。其原理见图4-5o

图4-5速度调节器原理图

(5)反号器

反号器由运算放大器及有关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合。

如图4-6所示。

图4-6反号器原理图

反号器的输入信号口由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压L为：

U2=-(RPl+R3)/RlXU1(4-1)

调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=RL则

U2=也(4-2)

输入与输出成倒相关系，

(6)电流调节器

电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网

络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图4-7所示。电流

调节器也可当作速度调节器使用。元件RP1、RP2、RP3均装在面板上，电容C1、电

容C7和电阻R13的数值可根据需要，由外接电阻、电容来改变。

电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推B信号,

当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推B信号(高电平)

信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降,

使Q角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护

主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管,

三极管V4、V5导通，洛相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”

端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消

为零，这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻，只有一路信号

输入起作用，另一路信号接地不起作用。

图4-7电流调节器原理

(7)转矩极性鉴别

转矩极性鉴别用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成的模

数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”

电平信号。其原理图如用4-8所示。

继电特性的回环宽度为：

比=Usr2-Usrl=KI(Uscn2-UscnI)(4-3)

式中，KI为正反馈系数；Um和Ug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；Us和L.成分别为反向和正向输出电压。

图4-8转矩极性鉴别原理图

(8)零电平检测

零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控

制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流

反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图4-9和图

4-10b所示。

(a)转矩极性检测(b)零电平检测

图4T0转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性

(9)逻辑控制

逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零

电平信号进行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实

现系统的无环流运行。其原理图如图4-11所示。其主要由逻