课程设计（论文）-逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究--调机器设计.docx

沈阳理工大学课程设计1. 逻辑无环流可逆直流调速系统简介1.1 工作原理逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:图1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路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。 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。逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。图2 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图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ta交流互感器tg测速发电机m工作台电动机ar反号器1.2 逻辑无环流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3 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2 调节器的设计2.1 电流调节器的设计2.1.1 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：2.1.2 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。图3 pi型电流调速器根据设计要求，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：2.1.3 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。2.1.4 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2.2 速度调节器的设计2.2.1 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：2.2.2 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：2.2.3 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。图2 pi型转速调节器按设计要求，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：2.2.4 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2.2.5 计算调节器的电阻和电容值按所用运算放大器取，则，取890k，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：能满足课设要求。3 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 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。5 调试5.1 调试一 一实验目的1了解电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。2熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。3掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。二实验内容1测定晶闸管直流调速系统主电路电阻r2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数td3测定直流电动机电势常数ce和转矩常数cm4测定晶闸管直流调速系统机电时间常数tm5测定晶闸管触发及整流装置特性ud=f (uct)6测定测速发电机特性utg=f (n)三实验系统组成和工作原理晶闸管直流调速系统由晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机发电机组等组成。本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压ug作为触发器的移相控制电压，改变ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。四实验设备及仪器1mcl32电源控制屏2mcl31低压控制电路及仪表3mcl33触发电路及晶闸管主电路4电机导轨及测速发电机（或光电编码器）5mel03三相可调电阻器6双踪示波器7万用表8直流电动机m03、直流发电机mo1 五注意事项1由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。2为防止电枢过大电流冲击，每次增加ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。3电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。六实验方法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和整流装置的内阻rn，即r=ra+rl+rn为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图2.1所示。将变阻器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。调节偏移电压电位器rp2，使a=150。合上主电路电源开关。调节ug使整流装置输出电压ud=（3070）%unom（可为110v），然后调整rp使电枢电流为（8090）%inom，读取电流表a和电压表v的数值为i1,u1，则此时整流装置的理想空载电压为 udo=i1r+u1 调节rp，使电流表a的读数为40%inom。在ud不变的条件下读取a，v表数值，则 udo=i2r+u2 求解两式，可得电枢回路总电阻 r=(u2-u1)/(i1-i2) 如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得rl+rn=(u2-u1)/(i1-i2)则电机的电枢电阻为 ra=r-（rl+rn） 同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻rl。通过实验测得rl+rn=25 ra=17.5 rn+ra=35通过计算可得：ra=17.5 rn=17.5 rl=7.5 ra=42.52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 其电流变化曲线如图2.5所示。当t =td时，有 mcl-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上升至63.2%稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数td。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，即可由下式算出ce ce=kef=(ud2-ud1)/(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 cm=9.55ce由实验测得两组数据当n1=1225 r/min时v1=181v;当n2=1125 r/min时v2=161v带入上述公式得:ce=0.15v/(r/min) cm=1.432n.m/a4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 由于tmtd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 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。由实验测得：tm=37ms5测速发电机特性utg=f(n)的测定实验线路如图2.3所示。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,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线utg=f(n)。n（r/min）20050080011001500uct（v）0.320.620.941.412.40uct (v)1.393.425.447.5110.1ud(v)33771211652225.2 调试二一实验目的1. 了解并熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。2. 掌握各控制单元的原理，作用及调试方法。3. 掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。4. 了解逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。二实验内容1控制单元调试2系统调试3正反转机械特性n=f (id)的测定4正反转闭环控制特性n=f (ug)的测定5系统的动态特性的观察三实验系统的组成及工作原理逻辑无环流系统的主回路由二组反并联的三相全控整流桥组成，由于没有环流，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串接一个平波电抗器。控制系统主要由速度调节器asr，电流调节器acr，反号器ar，转矩极性鉴别器dpt，零电流检测器dpz，无环流逻辑控制器dlc，触发器，电流变换器fbc，速度变换器fbs等组成。其系统原理图如图2.10所示。正向起动时，给定电压ug为正电压，无环流逻辑控制器的输出端ublf为”0”态，ublr为”1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路正组可控整流桥工作，电机正向运转。减小给定时，ugun,使ui 反向，整流装置进入本桥逆变状态，而ublf,ublr不变，当主回路电流减小并过零后，ublf，ublr输出状态转换，ublf为“1”态，ublr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成正向运行；当ug=0时，则电机停转。反向运行时，ublf为”1”态，ublr为”0”态，主电路反组可控整流桥工作。无环流逻辑控制器的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，ublf为”0”态，ublr为”1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则ublf为”1”态，ublr为”0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于逻辑控制器的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉冲环流。四实验设备及仪器1mcl系列教学实验台主控制屏2 mcl31组件3mcl33组件4mel-11挂箱5mel03三相可调电阻6电机导轨及测速发电机、7直流电动机m03、直流发电机m018示波器9mcl34组件五实验预习1熟悉系统的接线图，分析逻辑无环流可逆直流调速系统的原理。2复习逻辑无环流可逆直流调速系统从正转切换到反转过程中，整流电压ud，电枢电流id，转速n的动态波形图。六注意事项1实验时，应保证逻辑控制器工作；逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。2为了防止意外，可在电枢回路串联一定的电阻，如工作正常，则可随ug的增大逐渐切除电阻。七实验方法1按图2.10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。2控制单元调试（1）按实验四的方法调试fbs，asr，acr（2）按实验2.2的方法调试ar，dpt，dpz，dlc对电平检测器的输出应有下列要求转矩极性鉴别器dpt：电机正转 输出um为”1”态电机反转 输出um为0”态 零电流检测器dpz： 主回路电流接近零 输出ui为”1”态 主回路有电流 输出ui为”0”态（3）调节asr,acr的串联积分电容，使系统正常，稳定运行。3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)，方法与实验四相同。n=1500r/minn(r/min)121512131213120912091208i(a)0.350.40.450.50.550.64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)。n(r/min)893135067099061102ug(v)0.411.432.223