电流_转速双闭环的逻辑无环流直流调速系统设计

1、目录第一章 绪论1.1 设计题目及技术指标1.2 设计题目意义1.3 系统总方案设计第二章 变流器工程设计 2.1整流变压器的选择 2.2晶闸管的选择 2.3平波电抗器的选择 2.4测速发电机的选择 2.5电流检测电路设计第三章 双闭环调速系统的工程设计 3.1转速、电流双闭环调速系统设计准备 3.2电流调节器的设计 3.3转速调节器的设计第四章 晶闸管触发电路 4.1第一节 设计原理、要求与电路选择 4.2 T C 7 8 7的特性和功能 4.3设计与工作原理 4.4设计电路说明与注意事项第五章 无环流逻辑控制器的选择 5.1无环流逻辑控制器的组成原理 5.2电平检测器电路的设计 5.3逻辑

2、判断电路的设计 5.4延时电路的设计第六章 保护电路设计 6.1过载保护 6.2过流保护 6.3过压保护第一章 绪论第一节 设计题目及技术指标1.1 设计题目为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为晶闸管-电动机系统。已知系统中直流电动机主要数据如下：额定功率；额定电压；额定电流；额定转速 ；电枢电阻 ；转动惯量 电枢回路总电阻电网供电电压为三相380V；电网电压波动为+5% - -10%；速度检测采用测速电机；控制系统电源电压为1.2 技术指标（1） 要求连续调速，可逆运行，回馈制动，过载倍数（2） 要求调速比,电流脉动，静差率（3） 要求以转速、电流双闭环

3、形式作为系统控制方案（4） 要求系统为逻辑无环流可逆调速系统（5） 主回路采用电枢可逆，磁场单独供电（6） 要求系统具有过流、过压、过载保护能力第二节 设计题目意义双闭环直流调速系统是电力拖动自动控制系统中一个很重要的系统，而逻辑无环流可逆直流调速系统是双闭环直流调速系统的典型系统。通过本设计培养了我们应用所学理论知识解决实际工程问题的能力，同时进一步提高我们理论的水平。该课程设计是我们第一次接触工程实际问题，有一定挑战性。第三节 系统总方案设计3.1 逻辑无环流工作原理逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图如图1所示。其主电路采用反并连接电路。因为无环流，所以不需要设置限环流电抗器，控制电路仍是

4、典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环是分设的。1ACR、2ACR分别控制的是正组VF、反组VR的整流桥。正组VF、反组VR工作时有整流和逆变两种状态。当给定信号U*n为正时，转速调节器ASR输出Ui*为负值，逻辑切换装置DLC给正组桥VF发出触发脉冲，使其处于整流状态，电动机正想转动，当给定信号U*n为0或负值，转速调节器ASR输出Ui*为正值。由于电机电枢电流不为零，逻辑切换电路DLC仍然向正组桥VF提供脉冲，但却使VF处于逆变状态，电流和转速变小。当电枢电流为0时，反组桥VR处于整流状态，此时电机处于制动状态，快速停车或反向运行。逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图 3.2 系统总体分析设

5、计 由逻辑无环流工作原理可知，逻辑无环流可逆直流调速系统中，逻辑切换装置DLC是一个核心装置。其任务是在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲，封锁反组脉冲，反组桥工作时相反。其中DLC判断、延时电路的正确建模和调节器参数的设置是关键因素。所以需要对主电路建模和参数设置。控制电路建模和参数设置。第四节 系统主电路第二章 变流器工程设计第一节 整流变压器的选择第二节 晶闸管的选择1晶闸管的额定电压 245裕量系数取25。2 晶闸管的额定电流 选用KP-300-8平板型晶闸管第三节 平波电抗器的选择1、电动机电枢电感:=1.5Mh2、变压器电感:=0.075MH其中，=3.9,=0.053、维持电流连续时

6、4、限制电流脉动系数S=0.1时 取两者中的较大的,所以平波电抗器的电感为2.359mH,电流连续和电流脉动同时满足，故采用DCL-23-7.5（其电感值为3.6 mH），第四节 测速发电机的选择因为电动机的额定转速为1000 ，所以采用ZYS-100A型测速发电机电路图直流测速发电机电路带负载直流测速发电机输出特性第五节 电流检测电路设计电流反馈环节是将主电路电流按一定的比例转换成相应的电压作为电流环的反馈信号，其极性为正。检测用电流互感器，主电路经电流互感器检测后，在负载电阻上获得电压，在经过三相整流桥、滤波后才能作为反馈的输入。在输出端的、设置的由稳压管、三极管以及继电器组成的过电流监视

7、环节。电路原理图如下：第三章 双闭环调速系统的工程设计第一节 转速、电流双闭环调速系统设计准备采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。为了随心所欲的控制电流和转速的动态过程，可以采用转速、电流双闭环调速系统.转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。系统中引入转速和电流负反馈，两者之间实现嵌套连接。转速调节器是双闭环控制直流调速系统的主导调节器，它可以实现稳态无静差。电流调节器作为内环的调节器能够加快动态过程。双闭环系统结构框

8、图给定=-15-15V，转速调节器与电流调节器的输出限幅均为10V。第二节 电流调节器的设计为了保证较好的跟随性能，可以把电流环校正成典I型系统。2.1 电流调节器参数的计算， 检验近似条件：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：电流环小时间常数近似处理条件：均满足近似要求。2.2 电流调节器的实现 取，则，取，取，第三节 转速调节器的设计为了保证较好的抗干扰性能，可以把转速环校正成典型系统。3.1 转速调节器参数的计算，取按跟随性能和抗扰动性能都较好的原则，取，则检验近似条件：电流环传递函数简化条件：转速环小时间常数近似处理条件：均满足近似条件。3.2 转

9、速调节器的实现， 取则 ，取，取，附录：1 限幅电路的实现2 系统的MATLAB仿真图第四章 晶闸管触发模块第一节 设计原理、要求与电路选择1、设计要求晶闸管装置的的正常工作 ， 与门极触发电路正确和可靠的运行密切相关 ， 门极触发电路必须按电路的要求来设计。晶闸管变流装置主电路对门极触发电路的要求如下 ： 触发脉冲信号对门阴极来说必须是正极性。 触发脉冲信号应有一定的宽度，保证被触发的晶闸管可靠导通，该脉冲的宽度一般为20一50s。对于感性负载，触发脉冲的宽度应大于晶闸管阳极电流从零上升到擎住电流的时间，触发脉冲的总宽度府小于100s 触发脉冲的形式应有助于晶闸管元件时间趋于一致，在大电流晶

10、闸管并联电路中，要求并联的晶闸管同时导通，使元件在允许的didt范围内，为此，宜采用强触发措施。 触发脉冲应与被触发晶间管阳阴极的电压同步，并通过控制电压使脉冲能有足够的移相范围。 不触发时，触发脉冲电路翰川加到品问管门阴极间的漏电压应为O15025V。 需要对触发信号源采用脉冲变压器或光电锅台器进行隔离。 触发脉冲应有足够的功率，触 发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。 触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同， 而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。触发脉冲的波形要符合要求。2设计原理图1是相控式触

11、发电路原理框图。同步信号发生器产生一个与交流电源电压之间有固定相位关系的同步信号，同步信号有方波脉冲、锯齿波等。按照控制信号的要求，移相器相对于同步信号移相后产生触发信号，触发信号经脉冲输出器放大和隔离后送到晶闸管门极触发晶闸管。 2.1同步信号发生器实现同步方法采用主电路电源电压经同步变压器降压再经阻容移相来获得符合相位要求的同步电压。尽管利用同步变压器可以获得适当相位同步电压，但为了滤除电网电压中的干扰信号，提高抗干扰能力，同步变压器输出端加设备阻容滞后移相滤波电路，由于同步变压器二次侧的同步电压应有公共点所以，同步变压器二次侧应选用Y n接线，便于和各单元触发电路相连。共接线组别的确定，

12、采用简化的电压向量图(钟点法)来实现。 例如下图2同步环节是有同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶闸管V2组成。同步变压器和整流二极管接在同意电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。 图22.2控制角的移相控制方法下面介绍一种余弦交点的垂直移相控制法。图3 垂直移相电路图 图4余弦交点移相控制方法原理框图及波形图2.3触发信号脉冲输出器图 5图 5所示是采用脉冲变压器隔离的形式c图中的vD1，vD2用来消除负半周波，为晶闸管提供正向触发脉冲，R、C起抗干扰作用。vL发光二极管用来指示脉冲是否正常。3 电路选择相控式触发电路的形式很多。按相

13、数可分为单相、三相和多相触发电路；按移相器的工作原理可分为水平控制、垂直控制和积分控制；按移相通道数可分为单通道、三通道和多通道；按触发电路的实现方法可分为模拟和数字触发电路。较常用的相控触发电路有以下4种。 1多通道相控触发电路：特点是多相变流器中各晶闸管触发电路的移相电路彼此独立，由同一控制信号进行相位控制。它的优点是电路简单，通用性强，触发角变化快速性好；缺点是各晶闸管的触发脉冲对称性较差。它的移相器可采用垂直控制、水平控制或积分控制进行移相。2单通道相控触发电路：特点是多相变流器的触发电路仅用同一个移相电路完成各相控制脉冲移相。因各相输出脉冲的移相通道相同，消除了各通道特性上差异的影响

14、。输出脉冲的对称度较高，某些单通道电路输出脉冲的不对称度只有0.2。单通道相控触发电路不但可以用于可控整流器、有源逆变器、周波变流器和交流调压器，而且可以用于无源逆变器。 3三通道相控触发电路：特点是三相变流器中的每相的一对晶闸管触发电路的移相电路公用。它的输出脉冲对称度较好，结构简单，能确保每一相的两只晶闸管的触发脉冲互差180,从而可以消除平衡电抗器和整流变压器的直流磁化。4数字式移相触发电路：由计数器和其他一些逻辑电路组成。当同步电压过零时，开始用某一频率的计数脉冲对计数器计数。当计入数与计数器的预置数相等时，触发电路就输出一个触发脉冲。根据不同的控制电压，改变计数脉冲的频率或改变预置数

15、，即可改变触发滞后角。综合以上各种触发电路的特点与应用范围，又由于集成触发电路拥有有体积小、功耗低、性能稳定可靠等诸多优点，所以我们选择集成式单通道相控触发电路。采用较常见的芯片TC787。第二节 T C 7 8 7的特性和功能 T C 7 8 7触发块可以提供完全独立的六路触发脉冲 ， 它的封装方式 为双排直插 式 ， 芯片可以在插座上自由插拔。 它总共有 l 8只管脚， 图 6为管脚排列示 意 图 ， 表 I 为各管脚功能 图 6 第三节 设计与工作原理T C 7 8 7的逻辑电路框图组成如图7所示。它由同步过零电路、极性检测电路 、锯齿波形成电路、锯齿波比较电路 、抗干扰电路、调制脉冲发

16、生器电路、脉冲形成电路和脉冲分配电路组成。经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后 ， 作为内部三个恒流源的形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路 假设系统未发生过电流 、 过电压或其他非正常情况 ， 则引脚 5禁止端的信号无效 ， 此时脉冲分配电路根据用户在引脚 6设定的状态完成双脉冲( 引脚 6为高电平) 或单脉冲( 引脚 6为低电平) 的分配功能 ，并经输出驱动电路功率放大后输出；一旦系统发生过电流 、 过电压或其他非正常情况 ，则引脚 5禁止信号有效， 脉冲分配及驱动电路 内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，

17、确保集成块的1 2 、 11 、10、9、8 、7六个引脚输 出全为低电平，同步信号与双脉冲触发关系如图8所示： 晶闸管的导通采用双脉冲触发， 脉冲宽度为 10， 每组脉 冲之间的间隔为 60触发脉冲由 T C 7 8 7集成电路完成。 图 7图 8第四节 设计电路说明与注意事项 同步电压 的零点 取 在 12电源 电压 处 ，所 以同步信号的“ 地” 若与电路共地，电路 的同步信号输入端应用电阻进行 12分压，然后将同步信号用电容耦合到输入端 ； 也可将 同步信号的“ 地” 接 12电源或电路采用正负电源后，将同步信号直接接输入端。12分压将直接影 响同步信号的零点，应选用相对误差小于 2

18、的电阻 为了防止 电路损坏 ， 同步信号的峰值不应超过电源电压。由于电路检测零点 的门限很小 ， 在较高频率应用时，同步信号的幅度还应适当减小。 电路采用集中式恒流源 向积分电容充电， 经 测试， 电流在18 0A左右 ， 相对误差小于 5 uA， 所 以为了保证三相锯齿波的一致性， 选取积分电容的 相对误差应小于 5 。5 O H z时 ，电容可取 0 .1 5 F左 右，较高频率时，为了保证电容积分 幅值， 电容应减 小 。 移相电压的调整幅度应与积分电容上锯齿波 的幅值一致 考虑到电路在积分 电容上放 电的离散 性 ， 移相电压的零电位应比电路的负电源正 2 0 0 m V 即移相范 围

19、在 O 2 1 3 V左右 。 脉冲发生器的电容 Cx决定了调制脉冲宽度 或方波输出宽度 ， 电容大则 宽度宽 ， 在频率为 5 0HZ 的 情况 下 ， 接0.01F的 电容 ， 其输 出宽度 约 为 0.5 m s ， 若需要输 出在01 8 0范围内满幅可调 ，则 Cx的值应大 于 0.2 F。 电路的半控 全控和禁止等控制端 ，不应在使 用时悬 空 。 输出端有不小于 2 5 m A的输出电流，驱动管 要可靠 的导通 和截 止 ， 电路 输 出的 限流 电阻 和管子 的 B值应与电路相适配。 由 T C 7 8 7构成的三相全控整流系统的触发电路。 图 9图 9示出采用 T C 7 8

20、 7电路设计的 T CZ 6板的 电路原理图 其中三相同步电压的零线和电源共地，同步电压经 R C的 型网络滤波分压并产生 3 O相 移 、 经电容耦合电路取得同步信号 ， 电路输入端采用 等值电路电阻分12电压， 以保证信号的对称 在电 路的 Ca、Cb、Cc上形成锯齿波 ， 移相电压由Ui输 入 ， 与锯齿波比较取得交相点 板上设有全控 半控 选择焊点 ， 可由用户决定输出是单脉冲还是双脉冲。Ucf为控制端 ， 禁止高电平， 可作为过压过流或系统 的开关。当Ucf电位大于或等于 1 2 V， 六路脉冲全部被封锁， 系统处于保护状态， 当Ucf电位 3 v 时， 系统正常工作；输出端由大功率

21、管驱动 ， 可配接脉冲变压器， 经隔离触发晶闸管。图 10图 10所示是采用脉冲变压器隔离的形式c图中的vD1，vD2用来消除负半周波，为晶闸管提供正向触发脉冲，R、C起抗干扰作用。vL发光二极管用来指示脉冲是否正常。 图 11图 11所采用 T CZ 6板的三相全控整流系统 原理图， 其主电路为 6只晶闸管组成的全控桥整流 调压 系统 三相同步变压器要根椐主电路的接法， 接成超 前 3 0。T CZ 6板上要进行滤波和微调 。移相电压可 用手动电位器调节 ， 也可用主电路采样的电流电压 信号积分放大取得 ， 并通过闭环对系统进行稳压稳 流。控制端可根椐采样信号的过流 、 过压及缺相等问 题进

22、行保护。此系统还可用过零开关，将移相电压调在 0.2 v， 改变控制端的电位， 即可达到开关的目的。第章 无环流逻辑控制器的选择第一节 无环流逻辑控制器的组成原理根据以上要求，逻辑控制器的结构及输入输出信号如下图所示。其输入为反映电流极性变化的电流给定信号Usi和零电流检测信号UI0，输出是封锁正组和反组脉冲的信号UI和UII。这两个输出信号通常以数字形式表示：“0”表示封锁，“1”表示开放。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四部分组成。图3-1 逻辑控制器的组成第二节 电平检测器电路的设计电平检测器的功能是将控制系统中的模拟量转换成“1”或“0”两种状态的数字量，它实际上是一

23、个模数转换器。一般可用带正反馈的运算放大器组成，具有一定要求的继电特性即可，其原理、结构及继电特性图如下所示：由常正反馈的运算放大器构成的电平检测器从结构图可得电平检测器的闭环放大系数其中， K 为运算放大器的开环放大倍数， Kv 为正反馈系数.当 K 一定时， 若 KKv 1， 则放大器工作于继电状态， 其输入输出特性会出现回环，如图 3-16（c） 所示. 回环宽度的计算公式为：U = Uin1 - Uin2 = KU（Uexm1 - Uexm2），其中， Uexm1 和 Uexm2 分别为正向和负向饱和输出电压， Uin1 和 Uin2 分别为当输出由正变为负和由负变为正时所需的最小输入

24、电压 KU. R1 越小， KU 越大，正反馈作用越强，回环越宽. 回环宽度一般取 0.2 V左右。电平检测器根据转换的对象不同，又分为转矩极性鉴别器DPT和零电流检测器DPZ。上图（a） 所示为转矩极性鉴别器 DPT 的输入输出特性. 其输入信号为 ASR 输出 Ui，它是左右对称的；其输出为转矩极性信号 UT，为给出 “1” 和 “0” 的数字量， 输出应是上下不对称的. 可通过在检测器输出加钳位二极管实现，“1” 表示正向转矩， 用正向饱和值 +12V 表示； “0” 表示负向转矩，用负饱和值 -0.6V 表示.(12v)(12v)上图（b） 所示为零电流检测器 DPZ 的输入输出特性，

25、其输入信号是电流互感器输出的零电流信号 Ui0，主电路有电流时 Ui0 约为 +0.6V（在电流检测电路串接二极管构成偏移电路得到）， 零电流检测器输出 UZ 为 “0”； 主电路电流接近零时， Ui0 下降到 +0.2V 左右， 输出 UZ 为 “1”，所以DPZ的输入应是左右不对称的。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。为了图重复电流是“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“0”。第三节 逻辑判断电路的设计逻辑判断电路的任务是根据电平检测器输出的两个信号 UT 和 UZ， 进行逻辑运算

26、， 之后正确发出切换信号 UF 和 UR（即封锁原组的脉冲， 开放另一组脉冲的指令信号）. UF 和UR 均有 “1” 和 “0” 两种状态， 究竟是 “1” 态还是 “0” 态表示封锁触发脉冲， 取决于触发电路的结构. 现假设 “1” 态时开放脉冲， “0” 态时封锁脉冲。为了确定逻辑判断电路的逻辑结构，先列出各种情况下逻辑判断电路各量之间的逻辑关系删去上表重复项，可得逻辑判断电路的真值表，如下根据真值表，按脉冲封锁条件可列出下列逻辑式：用与非门表示，为同理，可以写出逻辑代数与非表达式：根据以上两式，可采用具有高抗扰能力的 HTL 单与非门组成逻辑判断电路，如下图所示.无环流逻辑控制器DLC

27、原理图第四节 延时电路的设计封锁延时和开放延时可通过在 HTL 与非门输入端加接二极管 VD 和电容 C 来实现.图 3-18 中的 C1， VD1， C2， VD2 即为延时而用. 当与非门的输入端由 “0” 变到 “1” 时，必须先对电容充电，待电容充到开门电平时， “1” 才真正加到与非门输入端， 输出才由“1” 变 “0”，电容充电到开门电平的时间则为延时时间. 改变电容的大小可以得到不同的延时.阻容电路的充电时间式中 R充电回路电阻（HTL与非门内阻，图3-18中未表示出）；C外接电容；U电源电压，HTL与非门用U =15V；Uc电容端电压.根据所需延时时间表可计算出相应的电容值联锁保护电路正常情况下，逻辑判断与延时电路的两个输出 UF 和 UR 总是一个为 “1” 态而另一个为 “0” 态. 一旦发生故障， 两个输出 UF 和 UR 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. 为了避免这种事故，在无环流逻辑控制器的最后部分设置了多 “1” 联锁保护电路， 如图 3-18 的后面部分. 其工作原理为， 正常情况下， UF 和UR 总是一个为 “1”， 另一个为 “0”， 此时 A 点电位始终为 “1”，则实际的脉冲封锁信号 Ublf和 Ublr与 UF 和 UR 的状态完全相同，总能封锁一组脉