逻辑无环流可逆直流调速系统设计

1、 逻辑无环流可逆直流调速系统设计CHENGNAN COLLEGE OF CUST课程设计（论文）题目： 逻辑无环流可逆直流 调速系统设计学生姓名： 钟山学 号： 201197250114班 级: 1101班专 业： D自动化（工业自动化）指导教师： 李益华 吴军2014年7月逻辑无环流可逆直流调速系统设计 学生姓名： 钟山学 号： 201197250114班 级： 1101班所在院(系): 电气与信息工程系指导教师： 李益华 吴军 完成日期: 2014年7月11日逻辑无环流可逆直流调速系统设计摘要逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管的附加设备容量。

2、两组晶闸管装置反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还能实现回馈制动。本文对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计，并且计算了电流和转速调节器的参数。关键词：逻辑无环流、可逆直流调速系统、逻辑控制器、ACR、ASR 目 录1 绪论 31.1 设计要求 31.2 现状与发展 32 系统结构方案的选择 43 主回路的选择 53.

3、1 主电路形式的选择与论证 53.2 交流电源的选择（单相或三相） 53.3 晶闸管元件的计算与选择 63.4 晶闸管保护措施的电路设计与计算 63.5 平波电抗器的计算与选择 83.6 测速机的选择与可变电位器的选择与计算 93.7 电动机励磁回路设计 104 触发器的设计和同步相位的配合 114.1 触发电路的设计与选择 114.2 同步相位的配合 125 辅助电路设计 135.1 高精度给定电源的设计 135.2 其他电路设计 146 电流环设计 176.1 调节器参数计算 176.2 调节器实现 197 转速环设计 207.1 调节器参数计算 207.2 调节器实现 218 系统原理框

4、图 22课程设计总结 23参考文献 241绪论1.1 设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s2） (3) 动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施1.2 现状与发展在现代的工业生产中，几乎无处不使用电力传动装置。轧钢机，电铲，提升机，起重机，机床等各类生产机械都要采用电动机来传动。随着对生

5、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，按照传动电机的类型可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。由于直流电机的电压，电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机就要良好的机械特性，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。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

6、较高的生产机械，采用直流电机来传动。作为一个延用近百年的调速系统，了解其基本工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。2系统结构方案的选择2.1 方案论证在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转方向有两种办法：一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。2.2 系统设计要实现逻辑无环流可逆

7、调速，就要采用桥式全控整流逆变电路。要达到电流和转速的超调要求就要设计电流-转速双闭环调速器；逻辑无环流的重要部分就是要采用逻辑控制，保证只有一组桥路工作，另一组封锁。逻辑控制器可以采用组合逻辑元件和一些分立的电子器件组成；触发电路要保证晶闸管在合适的时候导通或截止，并且要能方便的改变触发脉冲的相位，达到实时调整输出电压的目的，从而实现调速。保护电路有瞬时过压抑制，过电流保护和过电压保护，当过压或过流时封锁触发脉冲，从而实现保护功能。3主回路的选择3.1主电路形式的选择与论证逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如图3.1所示:图3.1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路两组桥在任何时刻只有一组投入

8、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，因为已经导通的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

9、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。3.2交流电源的选择（选择三相桥式整流电路）1.三相桥式整流脉波数为6，而且所用器件数相对较少。脉波数越大，脉动电流越小，产生的谐波分量也小。脉动电流产生的脉动转矩，对生产机械不利，脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增加点击发热。2失控时间与脉波数有关，即脉波数越多，平均失控时间越小。3.整流电压平均值较大，所得到的触发整流环节的系数也相对较大。综合考虑，三相桥式整流电路比较适合。3.3 晶闸管元件的计算与选择：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为： ( 3-1 )则晶闸管的额定电流为： （3-2）取

10、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： （3-3）取23倍的安全裕量， 3.4 晶闸管保护措施的电路设计与计算晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。3.4.1.晶闸管的过流保护  晶闸管设备产生过电流.是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发

11、电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，最常见的就是接入快速熔短器的方式。见图3.2。快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流见表3-1。图3.2 快速熔断器的接入方法表3-1.：快速熔短器的接入方式、特点和额定电流方式特点额定电流备注A型熔断器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个元件：晶闸管通态 平均电流B型能在交流、直流和元件短路时起保护作用，可

12、靠性稍有降低见表3-2：交流侧线电流与之比：整流输出电流C型直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用：整流输出电流表3-2：整流电路型式与系数KC的关系表型式单相全波单相桥式三相零式三相桥式六相零式六相曲折双Y带平衡电抗器系数电感负载0.70710.5770.8160.1080.289电阻负载0.7851.110.5780.8180.4090.2903.4.2. 晶闸管的过流保护过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图3.3. 图3.3过电压保护3.5平波电抗器的计算与选择在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中

13、，含有各种谐波成份。当触发角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感按下式计算： （3-4）式中为交流测电源相电压有效值；为要求连续的最小负载电流平均值。与整流主电路

14、形式有关的计算系数， 对于不同控制角，所需的电感量为 （3-5）本设计中的参数为：，临界值。将以上所述参数代入可计算出本设计所需的临界电感参数值为 （3-6）整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算： （3-7）式中与整流主电路形式有关的系数，本设计，。将以上所需参数代入式可计算出漏电感的值，即 （3-8）综上所述，根据直流电动机的电枢电感为，可得使输出电流连续的临界电感量 （3-9）电抗器要选的值应比大，故选9mH的电感作为平波电抗器。3.6 测速机的选择与可变电位器的选择与计算直流测速机的额定数据分别为10W，10V，0.2A，1900转/分;可变电位器的选择：考虑测速发电机输

15、出最高电压时，其电流约为额定20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是 （3-10）其中 （3-11）此时所消耗的功率为： （3-12）为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上。故选择为1W，250的可调电位器3.7 电动机励磁回路设计直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电动机可分为下列几种类型。他励直流电动机；并励直流电动机；串励直流电动机；复励直流电动机。本设计采用他励形式给电动机励磁。将线路电压经过变压器和整流二极管变成220V的直流电压，给电动机励磁。4触发的设计和同步相位的配合4.1触

16、发电路的设计与选择。晶闸管装置的正常工作与其触发电路的正确、可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按要求来设计，为了能可靠触发晶闸管应满足以下几点要求:(1)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，并保留足够的裕量。(2)为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲的相位应能在一定的范围内连续可调。(3)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。(4)触发脉冲的波形要符合一定的要求。多数晶闸管电路要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的导通控制。对于电感性负载，由于电感的存在，其回路中的电流不能突变，所

17、以要求其触发脉冲要有一定的宽度，以确保主回路的电流在没有上升到晶闸管擎住电流之前，其门极与阴极始终有触发脉冲存在，保证电路可靠工作。 锯齿波同步移相触发电路I、II锯齿波同步移相触发电路I、II由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图4.1所示。 图4.1锯齿波同步移相触发电路由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了

18、锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图4.2所示。本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，供单相整流及逆变实验用。电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。图4.2锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形(=900)4

19、.2 同步相位的配合。晶闸管控制角表4-1晶闸管控制角与触发电压的关系00.51.01.502.02.53.03.454.04.55.05.45辅助电路设计辅助电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，总所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款的直流稳压电源供电，其电路图如下图所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流

20、电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及有电容电感组合而成的各种复式滤波电路。5.1 高精度给定电源的设计高精度给定电源的设计给定的原理图如图5.1所示。图5.1 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S1、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RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允

21、许电压输出，打到“停止”侧，则输出恒为零。按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：(1)将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。(2)将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。(3)将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给

22、定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。注意：不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。5.2 其他电路设计5.2.1转速变换(FBS)转速变换用于有转速反馈的调速系统中，反映转速变化并把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5.2为其原理图：图5.2 转速变换原理图使用时，将DD03-3(或DD03-2等)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”

23、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。5.2.2调节器I 调节器I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。调节器I由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原理如图5.3所示。在图5.3中“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节，其电阻、电容均从DJK08挂件上获得。改变R7的阻值改变系统的放大

24、倍数，改变C5的电容值改变系统的响应时间。RP3为调零电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。电阻R7、电容C1和电容C5两端在面板上装有接线柱，可根据需要外接电阻及电容，一般在自动控制系统实验中作为速度调节器使用。图5.3调节器I原理图5.2.3反号器(AR)反号器由运算放大器及相关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合，如图5.4。图5.4反号器原理图反号器的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为：U2 = -（RP1+R3）/R1×U1调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则U2 = -U1输入与输出成倒相关系。RP1在面

25、板上，RP2装在内部线路板上5.2.4调节器II调节器II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，工作原理基本上与调节器I相同，其原理图如图5.5所示。调节器II也可当作调节器I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，一般在自动控制系统实验中作为电流调节器使用。调节器II与调节器I相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推信号，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，使角向180度方

26、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，将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5.5调节器II原理图6 电流环设计 已知电动机参数为：PN =500kW，UN =750V，IN =760A，nN=375 r/min，电动势系数Ce =1.82V·min/r, 电枢回路总电阻R=

27、0.14,允许电流过载倍数=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反馈滤波时间常数=0.002s,转速反馈滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*= Unm =10V,调节器输入电阻R0=40k。 设计指标:稳态无静差，电流超调量5%，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。（1）选择转速、电流调节器结构,并计算其参数。（2）计算电流环的截止频率和转速环的截止频率，并考虑它们是否合理?6.1调节器参数计算确定时间常数由于采用三相桥式整流电路，故Ts=0.

28、00167s三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本虑波平头，应有（12）=3.33ms，=2ms=0.002s电流环小时间常数 （6-1）选择调节器的结构根据的要求，而且 （6-2）因此可按I型系统设计。电流调节器选择PI型，其传递函数为 （6-3）选择电流调节器参数ACR超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取，因此 （6-4）于是，ACR的比例系数为 （6-5）校验近似条件电流环截止频率 （6-6）晶闸管装置传递函数近似条件：， （6-7）满足近似条件。忽略反电动势对电流环影响的条件： （6-8）满足近似条件。 3. 小时间常数近似条件： （6-9）满足近似条件。计算电阻和

29、电容按所用运算放大器取R0=40K，各电阻和电容计算如下： （6-10） （6-11） （6-12）6.2调节器实现图6.1调节器的实现7转速环设计7.1调节器参数计算确定时间常数电流环等效时间常数为转速滤波时间常数Ton根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.005s转速环小时间常数 （7-1）选择转速调节器结构根据动态要求，应按典型II型系统设计转速换。故ASR选择PI调节器，其传递函数为 （7-2）选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好，取h=5，则ASR的超前时间常数为 （7-3）转速开环增益 （7-4）ASR的比例系数 （7-5）校验近似条件转速环截止频率为电流环截止频率电流环传递函数近似条件：满足近似条件。小时间常数近似条件：满足近似条件计算电阻