[汇总]逻辑无环流可逆调速系统的设计与仿真研究

1、电气传动是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。电气传动系统由电 动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成，它是将电能转换为机械能的装置，用 以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。电气传动系 统广泛用于冶金、机械、机械、轻工、矿山、港口、石化、航空航天等各个行业以及 h常生活之屮。它既有轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等大型调速系统，也有 空调机、电冰箱、洗衣机等小容量调速系统。电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生 产机械需要动力的场合，以及精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位 置、速度、加速度、压力、张力和传矩等

2、。应用电力拖动自动控制系统不仅改善了生 产过程屮的工作条件、节约劳动力和减少原材料和能源的消耗，而且提高了生产设备 的利用率、可靠性、安全性及其寿命，减少故障率和重大故障的可能性。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需耍调 速或快速正反向的电力拖动领域屮得到应用，它的优点在于：容易控制，能在很宽的 范围内平滑而准确的调速，以及快速响应等。品闸管使直流电力拖动的调速技术发生 巨大变化。相对于原有的直流发电机组对直流电动机供电的直流拖动系统，采用晶闸 管静止变流器供电的系统具有体积小、无噪声、效率高等一系列优点。目前，晶闸管 控制的直流拖动普遍地应用丁轧机拖动、纺织机械

3、、造纸机械和电力机车等场合。用 晶闸管变流器控制的他励直流拖动机调速系统若采用电枢电压控制，可以得到低于基 速的转速调节；若采用削弱磁场控制，可以得到高于基速的转速调节，可以通过晶闸 管的串联和并联，来达到高电压和大电流。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速和双闭环调速等过程，需要使 用matlab屮的simulink工具箱来进行辅助设计，因为它可以构建被控制系统的动 态模型，直接观察各观测点的波形，所以调速系统性能的完善可以通过反复修改动态 模型来完成，而不必对实物进行拆装和调试。第一章系统简介1.1电力拖动系统的简介电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置

4、四部 分组成。电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机 械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的； 电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更 高层次的自动化控制。电力拖动系统的发展按着从低级到高级、从简单到复杂的一般 规律，从最初的成组拖动，经过单屯动机拖动以至发展为现代屯力拖动的解百纳形式 多电机拖动。电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的 f-j刖景。1.2无环流调速系统采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了许多生产系机械要求电动机既能 正传，又能反转，而且常常还需要快速的启

5、动和制动的问题，但是，如果两组装置的 整流屯压同吋出现，便会产生不流过负载而直接在两组品闸管之间流通的短路屯流， 称做坏流。这样的坏流只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，i大i此应该予以抑 制或消除。当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高吋，特别是对于人容量的系统，常 采用既没有直流平均环流又没有i舜时脉动环流的无环流可逆系统。无坏流可逆调速系 统口丁按实现无环流原理的不同而分为两人类：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

6、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。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。 这就是组成逻辑无环流系统的基本思路，至于选择哪一组工作，就看电动机组需要的 转矩方向。若需正向屯动，应触发正组桥；若需反向屯动，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t/：信号。同时还要 考虑何吋封锁原來工作桥的问题，有电流吋不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造 成二桥短路。可见，只耍用（/;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。1.3控制系统的计算机仿真计

7、算机仿真是指通过计算机运行真实系统或预研系统的仿真模型。计算机仿真包 括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等。它是分析 评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设 计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有 着广泛的应用。matlab屮的simulink提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能使得用户能容 易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析，而且simulink的概念性仿真模 块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模 与仿真。第二章系统总体设计方案屯动机是拖动控制系统

8、实现把屯能转换成机械能的关键元件。本设计的技术条 件、技术参数等：调速范围d=10,静差率小于±5%,动态速降小于±10%；工作台电动机为一台 容量为60千瓦的直流电动机，技术数据如下：ped = 60kw , ued = 220v , ied = 305a , ned = 1000/jn ,他激，ujed = 220v ,2.1系统组成方案选择2.1.1供电方案60千瓦工作台拖动电动机采用可控硅整流装置直接供电的系统，考虑到对电网 三相屯压的平衡和整流屯压脉动小，决定采用三相可控整流电路。常用的三相整流屯 路有两种，即三相0式整流电路和三相桥式整流电路，三相0式整流电路的

9、优点是简 单，用的可控硅元件少，触发器也少，对220伏电动机整流装置可直接接380伏电网 而不需要另设整流变压器。但缺点是耍求可控硅元件耐压高；整流电压脉动率人，需 要平波电抗器大；电源变压器副边电流有直流分量，增加了发热和损耗。三相桥式整流屯路的特点是：当耍求最人整流输出电压相同吋，屯源相屯压可较 三相0式整流电路小一半，因此显著减轻了对变压器和可控硅的耐压要求；变压器副 边绕组中电流没有直流分量，同时变压器每和在两个半波内均导电，因此利用率较高; 输出整流屯压脉动率小，所以平波电抗器就可以小一-些。鉴丁以上比较，并考虑到木 台装置为探讨省掉平波电抗器进一步简化可控硅传动装置的可能性，不致由

10、于整流电 压脉动率大因而严重影响直流电动机的换向等，故决定采用三相桥式整流电路，针对 现用的220伏直流屯动机采用一台整流变压器，rtr丁变压器的隔离作用，也提高了系 统运行的可靠性。鉴于三相半控桥通常用于不可逆拖动系统屮，故木拖动系统采用三 和全控桥整流供电方案。2.1.2调速方案调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压u、改变电枢冋路电阻r和减弱励磁磁通。对于耍求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供屯 电压的方式为最好，其主要特点是：在整个调速范围内均有较大的硬度，此种方法的 调速范围较宽，如采用各种反馈或转速控制系统，调速范围可达儿方至儿千。改变电 阻只能实现有级调速；减

11、弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不人，往往只是配 合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，木次设计釆用的调速方案 是调节电枢供电电压u。2.1.3可逆方案根据工艺要求，工作台能频繁正反转以提高生产率，故采用电枢可逆方案，该方 案控制方法简单，调节过程迅速。在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，使电机能 平滑地起动和工作在四个象限，能实现冋馈制动，而控制功率较小。o b c正向组反向组图2-1三相桥式反并联可逆线路2.1.4控制方案系统对调速系统提出的主要要求是：1. 在要求的调速范围内电动机承受负载扰动时，静态和动态速度波动值不能太 大，以保证调速系统的要求。静差率要求小于

12、77;5%,动态速降小于±10%。2. 要求系统冇较强的抵抗屯网屯压波动因而影响屯动机转速的能力。要求系统起制、动过程较快。3. 假如系统采用开环调速系统，当负载扰动时系统静态速度降为：式中 5电动机额定电流，5=305 4 ；r主回路总、电i俎，瓦=rs + rh + rp =0.2150；rp平波电抗器电阻，心=0.01440；rs电动机电枢电阻，& =0.040；rn整流装置内阻，rn =0.125q；ct电动机电势系数电动机的额定转速为1000r/min时系统的静差率由此可见，开环系统最高速时静差率已达23.9%, 1： 1()调速至最低时静弟率就 更大了，满足不了

13、±5%的要求，必须用反馈控制减小静态速降。决定采用转速负反 馈系统，而且工作台拖动系统述要求起制动过程快，这也就要求在起制动过程小电动 机始终保持维持过载能力所允许的最大电流，则电动机既不会因过流而损坏，又能产 生最大转矩使过渡过程时间最短，为此必须采用电流负反馈。根据以上分析，控制系 统釆用典型的转速、电流双闭环系统，转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳 速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转矩控制，同时又能实现限流 以及改善系统的动态性能。2. 2逻辑无环流可逆调速系统原理图图2-2逻辑无环流可逆调速系统原理图asr速度调节器acr1、acr2止、反组电流调节器g

14、tf、gtr正反组整流装置vf、vr止反组整流桥dlc无环流逻辑控制器hx推0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过流保护环节这种逻辑无环流系统有一个转速调节器asr, 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、电流戏闭环系统,1acr 用來调节止组桥电流，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

15、信号经反号器ar作为2acr的给定信 号二这样可使电流反馈信号的极性在止、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 统屮关键部件。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止组。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。第三章主回路元件参数计算与选择3.1整流变压器的计算三向桥式整流电路变压器副边相电压疋2与最大整流直流电压"dn和的关系是:匕喰=2.34®在可逆系统中由于有最小逆变角限制的

16、问题，因此匕唤=2.34® cos/?minudmax应该等于电动机额定电压“曲加上过载电流所产生的附加压降 （/jmax再加上晶闸管的管压降a£,另外考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常还需要再增加（15%20%）,因此久喰=（1512）心+（/喰一5）心+肚=115220 + (305 - 305 )x 0.056 + 2 x 0.9v= 1.15220+1.8v= 255vu d maxe.=耳竺一=v = 126v2.34 cos 0min 2.34 x cos 30°根据整流负载的要求，所需要的变压器:副边线屯压“2=v3e2 = 1.732 x12

17、6v = 218v制边电流= 0.8167,d =0.816x3054 = 249a原边电流e2i2 126 x 249a = 143a耳220副边功率p =3£2z2 =3x126 x 249ke4 = 94kva考虑到工作负荷不会过重，并且变压器也容许一定过载，所以选取一台额定功率 为 62kva , y/y , ux =380v, u2 = 225v , i =100a, i2 =160/1 的变压器3.2可控硅元件的选择选择可控硅元件的额定电压un »（23）/“ = （2 - 3）x 2.45£2 =640955u选择可控硅的额定电流it （1.52）x

18、0.368匚=（1.52）x0.368x305 = 168 224a实选3ct200a/800v的可控硅整流元件，并强迫风冷。3.3可控硅的保护措施3.3.1桥臂电抗器为了限制电压上升率du/dt和电流上升率di/dt ,在变压器桥臂中加入桥臂电抗 器。桥臂电抗器采用空心电抗，为提高电感量，每个电抗器内安置有6根铁涂氧磁棒。 实测其电感量约左右。3.3.2快速熔断器快速熔断器主要用来切断内部和外部短路电流，具有快速限制短路电流的作用和 极小的外形尺寸。桥臂快速熔断器的额定电流ikr =（1 1.57"丁 =1.3 厶=1.3x200a = 260a环流快速熔断器的额定电流ikr =1

19、3/帀=1.3 x 305 a = 396.5a实选桥臂快速熔断器为rs325qa/500v，环流快速熔断器为rs3320m/700v3.3.3抑制过电压保护1. 交流侧阻容吸收装置交流侧阻容吸收装置接在变压器二次侧，采用三角形联结。c>6人(巾)=6x5 x 208001302uf = 37wf7?>2.3-（w）130220800式中i.% 变压器空载激磁电流百分数；(va)变压器的每相伏安数；u2变压器副边相电压；ud % 变压器短路电压百分数。因阻容吸收装置为三角形接法，故每相电容、电阻值为:cs =|c>12/f电容电压 > 1.5uc =1.5x 225v

20、= 340v电阻功率厶a （34）/沁$ = （34）（2/. ）2/?=（3 4）（2x34x50xl2x225xi0r）x6w=（3 4）xo.852 x6w=13 17w实选 c$ = 20/f/630v , rs = 10g/200w。2. 直流侧阻容吸收装置参照交流侧阻容吸收装置实选c” = 10/f/630v ,=200/200"。3. 晶闸管关断过电压阻容吸收装置对于200a 晶闸管元件实选ck =0.47“f/630u , pk =10g/10w。4. 交流侧和直流侧过电压保护用硒堆交流侧硒堆片数z1 a iv、“21-3x225 宀让宀g =（13 1.5）

21、71;片=16 片u x 18直流侧硒堆片数z1 、u&1.3x220 pl 1 a 宀n. = （1.3 1.5） u片=16 片ux 18式中u2变压器副边线电压有效值；ud整流电压；ux硒堆每片反向电压有效值，一般为1830v； （1.31.5）系数。硒堆面积实选60 x 60/7?/?2。3.4平波电抗器的选择为了保证稳定运行时电流波形的连续，控制直流电流断续范围，在电枢回路中设 置了平波电抗器。电动机电枢电感u ,220= kf）上=10 x= 1202mh31 2p：2x3x1000x305式屮p电动机磁极对数kd计算系数，对一般无补偿电动机k“取812,这里取k“=10折

22、算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感5995式中 kb与主电路有关的系数,三相全控桥心=3.9,三相半波k=6.75,单相全控桥心=3.18=0.46x103x230/732 对2x3.14x300x0.05x305你电抗器额定电压 限制输出电流脉动的电感量r _（人” /2）x1o'5式中si电流脉动系数，一般s,是给定的，这里取s, =0.05udm/u2整流电压最低谐波的幅值与屯源相电压之比,三相全控桥为0.46,三相半波为0.88,单相全控桥为1.2.九整流电流的最低次谐波频率，三相全控桥为九=300hz,三相半波为九=150hz,单相全控桥fd = 100hz所以，平波电抗器

23、的实际电感量为l = lm -(l5 + 2lb ) = 2.08 - (1.202 + 2 x 0.083) = 0.712mh第四章系统控制单元4.1无环流逻辑装置4.1.1无环流逻辑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 择其屮一组整流桥运行，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耍反向吋由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下:1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。2. 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。3. 使导通侧的整流桥（例如

24、止组桥）的电流迅速减小到零。4. 由零电流检测器得到零电流信号后，经3勺加延时，确认电流实际值为零， 封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。5. 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。6. 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41所示。dlc转矩极性电平逻辑延时逻辑检测运算电路保护零电流图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u；和零电流检测信号/（），输出是控

25、制正 组晶闸管触发脉冲封锁信号s和反组晶闸管触发脉冲封锁信号”2。4.1.2无环流逻辑装置的设计1电平检测器逻辑装置的输入有两个：一是反映转矩极性信号的转速调节器输出（/：,二是来 自电流检测装置反映零电流信号的4°,他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电 路需要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量,也就是转换成“（f状态（将输入转换成近似为0u输出）或“1”状态（将输入转换成近 似为+ 15v输出）。采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级茅动放大和一级射极跟随器。其原理图见图42。图4-2电平检测器原理图o use电

26、平检测器的输入输出特性如图43所示，具有回环特性。由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽 度的冋环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测冋环特性的动作电压uri=00mv ,释放电压匕2 =80mv。调整回环的宽度可通过改变射极偶合 触发器的集电极电阻实现。usr2 usrl usr图4-3电平检测器输入输出特性转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出t/；,其输出为t/卄电机正转时 u；为负,"为低电位（“（f态），反转时：为正，s为高电位（“1”态）。零屯流检测器的输入信号为屯流检测装置的零屯流信号so,其

27、输出为u/。有电 流时so为正，/为高电位（“1"态），无电流时5为0，s为低电位态）。2. 逻辑保护逻辑电路正常工作时，两个输出端总是一个高电位，一个低电位，确保任何时候 两组整流一组导通，另一组则封锁。但是当逻辑电路本身发生故障，一旦两个输出端 均出现低电位时，两组整流装置就会同时导通而造成短路事故。为了避免这种事故， 设计有逻辑保护环节，如图44所示。逻辑保护环节截取了逻辑运算电路经延时电路后的两个输入信号作为一个或非 门的输入信号。当止常工作时，两个输入信号总是一个是高电位，另一个是低电位。 或非门输岀总是低电位，它不影响脉冲封锁信号的正常输出，但一旦两个输入信号均 为低电位

28、时，它输岀一个高电位，同时加到两个触发器上，将正反两组整流装置的触 发脉冲全部封锁了，使系统停止工作，起到可靠的保护作用。+15v o2ap132k2ap1310k3dk4c3dk4co正组脉冲封锁22ap132ap13v60k 7 2ap13反组脉冲封锁o-15v62ap13图4-4逻辑保护装置结构图由电平检测、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45所示。图4-5无环流逻辑装置结构图3. 逻辑运算电路的输入是转速极性鉴别器的输出ut和零电流检测器输出u,。系统在各种运 行状态时，丁和s有不同的极性状态（“0”态或态），根据运行状态的要求经过逻 辑运算电

29、路切换其输出去封锁脉冲信号的状态（“（t态或t”态），由于采用的是错管 触发器，当封锁信号为正电位ct，态）时脉冲被封锁,低电位（©态）时脉冲开放。 利用逻辑代数的数学工具，可以设计出具有一定功能的逻辑运算电路。设正转时（/：为负，"为®反转时（/：为正，片为v 有电流时（/：为正，u, 为“1"无电流时u：为负，/为"（t。s代表止组脉冲封锁信号，s为“1"时脉冲封锁，（a为“（f时脉冲开放。/代表反组脉冲封锁信号，为t时脉冲封锁，匕为“（f时脉冲开放。5、5、u、匕表示“i"，s、5、u、“2表示“0雹按系统运行状态，可

30、列出各量要求的状态，如表41所示，并根据封锁条件列岀 逻辑代数式。表4-1逻辑判断电路各量要求的状态运行状态ut5u“2正向起动,1=00001止向运行，i有0101正向制动，i有1101止向制动，1=01010反向起动,1=01010反向运行，i有1110反向制动，i有0110反向制动，1=00()01根据正组封锁条件:u =utu,u2 +utulu2+utulu2(4-1)根据反组封锁条件:(4-3)(4-4)utui逻辑运算电路采用分立元件，用或非门电路较简单，故将上述（4-1）式和（42） 式最小化，最后化成或非门的形式。utufu2utulu2+utu,u2=u正七兀u瓦=兀2 t

31、 +万/)= u2(ut +(/) = (/2 +(t/r +uju2 = utu 2+utuju= uu +utu'ul=u(u+utul)=丽卫)=u +(/ +万)根据（43）、（4-4）式可画得逻辑运算电路，如图46所示，它由四个或非门电 路组成。依靠它来保证两组整流桥的互锁，并自动实现零电流时相互切换。图4-6逻辑运算电路现举例说明其切换过程，例如，整流装置原来止组工作，这时逻辑电路各点状态如图46中“广、“（f所示。41k+15v1. ik)k4c3 ok-15vo°usr2ap13°-u2ap13图4-7或非门电路现在要求整流装置从正组切换到反组，首先

32、是转矩极性信号改变极性，u7由“（t 变到“v,在正组电流未衰减到0以前，逻辑电路的输出仍维持原状（s为“（t,正组 开放。“2为“1"，反组封锁）。只有当止组电流衰减到零，零电流检测器的状态改变 后，逻辑电路输出才改变状态，实现零电流切换，这是逻辑电路各点状态如图46所 示。或非门电路如图47所示。采用错二极管2ap13和硅开关三极管3dk4c是为了 减小止向管压降。4. 延时电路前面的逻辑运算电路保证零电流切换，但仅仅采用零电流切换是不够的。因为零 电流检测装置的灵敏度总是有限的，零电流检测装置变成“（t态的瞬间，不一定原來 开放组的晶闸管已经断流。因此必须在切换过程中设置两段延

33、时即封锁延时和开放延 时，避免由于止反组整流装置同时导通而造成短路。根据这个要求，逻辑装置在逻辑 电路后面接有延时电路。图4-8延时电路延时电路如图所示，其工作原理如f：当延时电路输入为“（t时，输出亦为“（尸态（bg|截止、bg2导通），相应的整流桥脉冲开放。当输入tr（r变为t邛寸，电容c 经尺充电，经一定延时后，bg|导通，bg?截止，即输出由延时变“1二相应的整 流桥脉冲延时封锁。其延时时间由&c决定，这里整定为3林。当输入出“1”变“（t时, 电容c的电荷要经过/?2和3g|基射极冋路放电，经一定延时后，截止，bg?导 通，即输出由“1"延时变“0二相应的整流桥脉冲

34、延时开放。其延时时间由ct?参数决 定，这里整定为10林，这样就满足了“延时3皿封锁j “延时10恥开放”的要求。4.2速度给定环节速度给定环节的线路如图49所示，它由六段分压器组成，±15v稳压电源供电, 上面三段为止向速度给定，由止向继电器q的常开触头控制，下面三段为反向速度 给定，由反向继电器h的常开触头控制。多圈电位计必，吧能给出连续可调的正、反向速度。心、心和他、心）采用固 定电阻分压，作为止反向慢速给定，由减速继电器j控制。&、&和人7、他也采用 固定分压，它用来给定前进和后退的速度，由联锁继电器控制。v05-3d32 r33301ok口 r91kn ri

35、o_|_ 1 ok.i 4tjf图4-9速度给定环节联锁继电器在正常运行时得电，常开触头吸合，常闭触头断开，给定电位器 r、/?2和尺7、他失电，而工作速度给定电位器,巴和慢速给定电位器/?3、©和 他、&。有电，系统可以止常运行和减速，工作台停止后要求点车时，ji断电，常闭 触头闭合，常开触头断开，即只有点车电位器得电，而工作速度电位器和慢速给定电 位器皆失电，可以正、反向点车。减速继电器j由正反向减速行程开关qjs, hjs和慢速切入环节控制，需要慢 速时，j吸合，则其在工作速度给定电位器回路内的常闭触头断开，慢速给定电位器 回路内的常开触头吸合，工作台就由止常工作速度口

36、动转入慢速。当j断电时，就乂 自动的从慢速转入正常工作速度。开关mk是装在切削速度给定电位器m上，当切削速度很低时，a/压合，mk2 断开，将慢速给定切断，以防止低速运行的工作台碰到减速行程开关后而升速。根据给定电压和相应速度的要求，各电位器实选阻值为:r=r3=rs=r=ikr2 = r4 = ry = r9 = 3300w, = w2=.2k （多圈电位器）4.3控制电源±15v电源采用了 7815和7915稳压块，输出电流能力为3安。触发功率电源用 半波整流的24v,同时提供触发器同步电源心。7815和7915这类稳压器的特点是输出电压固定。但使用时很灵活，可以组接 成可调试稳

37、压器，提高输出电压，扩展电流等。用7815和7915的三端稳压器组成正 负输出的稳压电路，如图410所示。图屮稳压器的输入电容用以抵消输入端较长线 的电感效应，防止产生口激振荡。输出端电容用以改善负载的瞬态响应，减小高频噪 声。图中二极管、叫用于保护集成稳压器。图410正负稳压输出电源4.4逻辑无环流的推0环节当拖动系统由正向运转切换到反向吋，反组桥在刚刚开放的瞬间处于整流状态, 所以整流桥的整流屯压与屯动机的反屯势叠加，有很人的制动电流冲击。然后利用屯 流反馈将反组桥推到逆变状态，由电流调节器维持制动电流不变，电机进行冋馈制动, 这就是一般无环流控制的制动过程。这种控制方法的主要问题是切换初

38、始电流太大， 特别是高速换向吋尤为严重。这种电流冲击将造成较人的机械冲击，其至造成过流保 护跳闸。为了解决这个问题，我们采用以下的限流方法：既然产生换向电流冲击的根源是 刚切换过來的反组桥处在整流状态（假定电流从正组桥切换到反组桥），整流电压与 反电势相加产生很大的冲击电流。为使反组桥不处在整流状态而处在逆变状态，可以 从无环流逻辑装置的输出分别引信号到电流调节器的入口，将正组的封锁电压6引 到止组电流调节器acr1的入口，将反组封锁电压“2引到反组电流调节器acr2的 入口，如图4-11所示。这样，当/在封锁反组触发器的同时，也迫使反组电流调节器acr2的输出为 负限幅值，反组桥处在待逆变状

39、态（假设需要使电流从反组桥切换到止组桥，则”2与 /的状态发生倒换）。由于有t型滤波网络的惯性，可以将逆变状态保持一小段时间, 这样就避免了冲击电流。只要适当的选择滤波时间常数，可以将换向电流的上升前沿 调节到要求的程度。图4j1推0环节4.5触发电路1.系统对触发器的要求（1）为保证较宽的调速范围和可逆运行，耍求触发脉冲能够在180。范围内移向。(2) 对于三和全控桥式整流电路，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) 为了使可控硅可靠导通，要求脉冲的电压和电流必需大于相应可控硅的控制极 触发电压和触发电流。对200a可控硅一般要求触发电压为4v左右，触发

40、电流为 200ma左右。为减小可控硅元件的导通时间提高元件承受电流上升率d“力的能力要 求脉冲前沿陡，上升时间在lous以内，采用强触发。(4) 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0聞和匕讪限制。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。原理线路 见图4-12,这种线路的优点是线路简单，调整容易。理论上移相范围可达180°,实 际上由于止弦波顶部平坦移相范围只能有150。左右。移和的线性度就触发器木身來 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s与可控硅整流电压“刊的控制

41、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动，当匕不变时，控制角q也随电源电压的波动 而波动，而可控硅整流电压匕()=udmax c0s6z , udz随电源电压增高而增高，而cosq 则随电源电压的增高而减小，故"do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，移和 角度一般要大于30。-15v+15v一=.去前相去后相逻辑封锁图412同步信

42、号为正弦波的触发电路原理图触发器采用内双窄脉冲（曲bg3、bg占门电路实现），可以减小脉冲变压器体 积。为保证可控硅可靠的触发，脉冲宽度为20。，脉冲幅值为200ma,为了提高可控 硅承受d“力的能力，脉冲带有强触发，强触发脉冲的幅值为400600mao脉冲波 形如图413所示。触发器还设计有如.和0斷保护，保证系统逆变时可靠工作，不致逆变颠覆，取 anin =30° ,由于采用逻辑无坏流系统，不要求如.=anin，取 =。触发器共有五部分组成：脉冲形成和放人环节，脉冲移相环节，同步环节，双脉 冲环节和强触发环节。脉冲移相环节 当eg】管从导通到截止（即bg?管由截止到导通）的瞬间产

43、生脉 冲。把一个直流控制信号电压uk和一个交流正弦波同步电压伽同时输入到管的 基极勺点,当uk =ohj-,勺点电位完全由饥同决定，呦为负半波时,勺点电位小于0, bg导通，饥同为正半波吋，勺点电位大于0, eg】截止。旳司曲负变正的瞬间就是输 出脉冲的瞬间。图4-13脉冲波形图图414同步电压的正弦波形一般当然希望在控制电压"k =0时整流电压输出为0,对三和整流电路电感性负 载或电动机负载电流连续吋，cr=90°,则整流电压匕=0。这就耍求uk = 0时的脉 冲相位应对应于主冋路6/ = 90°的位置，也就要求同步电压的正弦波由负半波到正半 波的过0点在a =

44、 90。处，如图414所示，当k>0时，因勺点电位过0的瞬时是在 伽瞬吋值为负值吋岀现，因此如>0的线图中反而i田倒横坐标下面了，这吋脉冲相 位相对于=0吋是前移了，即«<90°,整流电路工作在整流状态。反之，uk <0, 脉冲就后移，即g90。，整流电路工作在逆变状态。这种把同步电压和位固定，而 利用交育流叠加进行移相控制的方法，称为正弦波移相的“垂肯控制二实质上它就是 使匕爲=卜同峰值|，当如由正的最大值到负的最大值之间变化吋，与如得到不同 的交点，这个交点的和位理论上说可以有180啲变化，也就是脉冲信号可以在0180。 范围内移和。在实际工作中

45、，当|k|较大时，与止弦同步电压和交在止弦波的峰值附 近，正弦电压变化较慢，的开关过程不干脆，bg2的导通过程也较慢，为此，由 3g?的集电极到bq的基极接上一个180k电阻形成正反馈，使bg?刚开始导通就加 速bq的截止，也就反过來加速了 bg?的导通，这样输出脉冲前沿就比较陡。在这里 移相信号就是同步电压，采用同一个正弦波。整流装置为防止脉冲丢失引起工作不正常，要求有q罰限制。对可逆传动，整流 装置需要工作在逆变状态，为防止逆变颠覆还要求有0伽限制。木系统采用无环流控 制系统，不要求0 = 0的配合控制,故取amin =10°, 0斷=30。%、0品的限制 在图4-12所示的触发

46、电路屮是采用在同步电压止弦波上叠加安全止弦波的措施实现 的。从同步变压器的另外两个绕组上取两个电压，其中一个经rc1滤波通过二极管 取其负半波作为乞罰限制，记作,另一个电压经rc浸波通过二极管取其正半波4.6调节器釆用由8fc2中增益线性固体组件构成的运算放大器，其特点是止负电压对称, 为±15v ,故最人输出屯压可达±10v ,输出最人屯流可达1112ma。开环电压放人 倍数为50000倍，它的电路如图牛16所示。其工作原理如下：bg、管组成射极跟随器，它的作用是：提高输入阻抗，减小输入偏置屯流,从而降低失调电流。bg“ bgq组成第一级并动放大。双端输入，双端输出。bg

47、8、 bg9为第二级差动放大，单端输出。bg、bg|°分别构成第一级、第二两级的恒流 源，bg6接成二极管形式，起温度补偿作用，以提高bg,、bgg的恒流特性。bg?是 共模反馈，从bg“ eg?的发射极取冋共模信号，经放大后接到第一级的集电极公共 电阻鸟的下端，以提高电路的共模抑制比和减小漂移，bg“管是射极跟随器，它和 pnp型管bg"构成电压移动电路，降低静态工作电压，以便与后一级偶合，达到输 入信号为零时输出信号也为零的要求。3久的输出送至输出级bg门的基极，并且经 过接成二极管的bgi3>送到8久的基极，利用这两个管子的压降，来保证无信号输入时，输出管bgw

48、、bg7屮流过一建的静态丁作电流，避免产生输出波形的失 真，bgx bgm同时起补偿bg&、管发射结温度特性的作用，使输出管的工作 电流免受环境温度的影响，bg、6、 bgn串联组成输出级。图4-16 8fc2电路图8fc2组件共有14个管腿，其排列如图4-17所示。各脚的接法如t： 1或12为反向输入端，2或3是同和输入端。8和10, 9和11, 7和5z间均可接入补偿网络,以消除电路的寄生振荡，具体数值大小要根据使用条件加以选择。5为输出端，6接 电源(+15v ), 4接负电源(-15v)0 13为空端，14为外壳接地。图4-17 8fc2组件管教底视图8fc2组件的技术指标和性

49、能见表4-2o由8fc2b2组件构成的转速和电流调节器 的接线图如图418所示。为了使运算放大器工作稳定，不开环使用，接固定反馈电 阻/?2=1.5a/qo转速调节器和电流调节器皆为pi调节器。由于8fc2的输入阻抗 x150kq,故选择调节器的输入阻抗r. = 20 w o图屮®、q?为输入保护二极管。 8fc2组件由于原电路中没有调零电位器的位置，输入偏置电流(<0.2妙)又小，改 变两个输入端电阻的作用也不人，所以要考虑外接调零装置。例如在图8-21中，在 反向输入端通过电位器w由电源引入一个补偿电压，使/,为零，但这种调零方法用 的调零电源必须有很高的稳定度。组件的8和

50、10, 9和11端接消除口激振荡的rc 校正网络，其数值由实际调整时确定。这里采用cf = 6800pf , rf = k o由电组 r5 > r“他、他和二极管0、6组限幅环节，调节器最大输出限幅值为±10v附注：(1)电源电压为 vcc=+5v,vee=-5v o(2) a 类，c、0、$ 类 12、3 是输入端；b 类，c?、c4> 0、2 类 1、2是输入端。4.7检测装置4.7.1测速发电机系统用转速负反馈，用永磁式的直流测速发电机作为转速检测元件。型号为zys, 激磁电压为110v ,最大工作转速为1900r/min ,激磁功率为23.1w ,激磁电流为 0.

51、2m o测速发电机和工作台拖动电动机直接和连，安装要求对中不偏心，防止振动。系统采用双闭环调速系统，电流调节器需要检测主冋路电流的反馈信号。其次， 系统为逻辑无环流控制系统，逻辑装置需要零电流信号。第三，万一发生过流时，发 出过流信号达到自动保护的h的。考虑上述要求，采用交流互感器作为屯流检测装置。 交流互感器构造简单，制造容易，线性度好，能反映电流波形。交流互感器电流检测装置的接线如图4-19所示。首先交流进线电路通过交流电 流互感器变成输岀额定电流为0.1a的电流信号，然后在0.1a的电流加到交流互感器 的输入端后，经二极管2126的三相全波整流后变为直流电压信号。输出量的大 小可由电位器

52、调整，与电位器并联的电阻可防止电流互感器二次侧开路造成的电压击 穿事故。交流互感器选用标准的西安互感器厂牛产的lqr-0.5型交流互感器：使用范围 500a/0.1a,频率为50h乙额定电压为0.5kv以下的交流进线。4.8过流保护环节由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而 损坏可控硅。系统采用了三种过流保护措施：电流调节器限流，电流整定值为 250a,过流保护环节，整圧值为350a,快速熔断器；对直流回路和每个可控 硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。它可以在冲击电流很大，冲击时间乂很短的 情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便。过流保护环

53、节的电路如图420所示。在系统正常工作时，电流检测装置输出电 压小于14v （相当于主回路电流350a）,稳压管dw不导通。bg1截止，继屯器人 释放，bg2导通，bg3截止，发射极输出零电位，不影响正反组晶闸管整流装置的 正常工作。当主回路电流超过350a时，电流检测装置输出大于14v,稳压管dw被 雪崩击穿，bg1导通，bg2截止，bg3导通，发射极输出高屯位+15v,同时封锁正 反两组触发器的脉冲。当bg1导通时继电器人得电吸合。一方面自锁，另一方面使 继电器人得电吸合，人在交流侧线路接触器sb线圈中的常闭触头打开，使sb跳 闸，切断主回路交流电源。改变电阻尺和/?2数值或选择不同稳压值

54、的稳压管dw即 可整定不同的跳闸电流。o5vjo电装adwt2rikbgd1z1k2c2cp12r3r52kd3bg33dg警去封锁 d4 rtirbg2 3dg12b312pjo b v 2 wk10kr42cp12u 2cp12x230kds"去前 必 gtr00-15 v图4-20过流保护坏节4.9防止传动机构撞击的换向转矩限制环节逻辑无环流可逆调速系统的传动装置的换向动作不仅要快，而h应避免传动机构 的撞击。传动机构的撞击是由它各部件之间的间隙产生的，假如拖动电动机的转矩以 高值迅速换成相反方向的话，在传动机构间隙之间，电动机会因此加速得如此厉害, 使传动机构各部件边缘互相严

55、車碰撞。尤其采用晶闸管装置供电后，由于电动机起、 制动电流上升前沿较陡，因此在换向时传动机构的撞击现象更为显著。因此，在转矩 改变方向时，希與新方向转矩起初得有一段时间保持在小的数值上，直到传动机构边 缘互相啮合上为止。然后，才能使传动机构承受所允许的最人转矩。这种要求固然增 加了换向时间和超程，但为了延长传动机构的寿命却是必须要顾及到的。图4-21换向转矩限制环节电动机的起制动电流和转矩是由电流调节器的给定电压也就是转速调节器的输 出电压u：决定的，限制了它也就限制了电动机的转矩。基于这种想法，可以设计两 个单稳电路，它的输出分别引到正、反组屯流调节器的一个输入端上，图4-21示出 了这一环

56、节的结构。正常工作时单稳电路输出为0v,对电流调节器没有影响。当换 向时，例如从正转到反转，正转制动时反组桥开放，反组电流调节器acr2已经由反 向器输入一个10v的电压，这时使单稳电路触发翻转，输出一个+6v的电压。这时 对电流调节器和当于一个4v的给定电压，如果整定电流调节器给定值为10v时相当 于制动电流为250a,现给定为4v,则制动电流在一开始瞬间只能是100a,这样制 动转矩就受限制。传动机构中的主动件制动速度减慢，使反向间隙靠近，传动机构的 撞击减小。等传动机构反向啮合后再取消转矩限制而以最大转矩制动和反向起动以提 高快速性。这受单稳电路翻转时间决定，等单稳电路触发信号消失后，其输出乂由+6v 回到0v时转矩限制取消，所以整定单稳电路的延时时间即可调整转矩限制时间。单稳电路如图4-22所示。根据换向转矩限制的要求，毎次制动瞬间要求单稳电 路触发翻转一次，因此单稳电路的触发输入信号可利用无环流逻辑装置的输出信号。 当正向制动（即由正组桥切换到反组桥开放）时，无环流逻辑装置输出“2恰恰打t' 态变为v态，则反组单稳电路就触发翻转一次，输出一个+6v的脉冲给反组电流调 节器acr2,达到限制止向制动转矩的目的。反z,当反向制动（即由反组桥切换到 正组桥开放）时，无环流逻辑装置输出7恰恰由“1”态