逻辑无环流双闭环调速系统

1、目录1 绪论11.1电力拖动简介11.2直流调速系统11.3无环流调速系统简介22.调节器设计32.1 电流调节器32.1.1确定电流调节器的时间常数42.2设计电流调节器结构42.2.1校验近似条件52.2.2计算调节器电阻和电容52.3速度调节器52.3.1确定转速调节器的时间常数62.3.2转速调节器结构设计72.3.3校验近似条件72.3.4计算调节器的电阻和电容值83. 触发电路设计93.1 KJ004原理介绍93.2 触发电路设计113.2.1 系统对触发器的要求113.2.2 触发电路及其特点123.3 逻辑控制器的设计144.系统参数计算及测定164.1 晶闸管直流调速系统参数

2、和环节特性的测定164.1.1 电枢回路电阻R的测定164.1.2 主电路电磁时间常数的测定184.1.3 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定204.1.4 系统机电时间常数TM的测定204.1.5 测速发电机特性UTG=f(n)的测定214.2 逻辑无环流双闭环调速系统特性测试224.2.1 机械特性n=f (Id)的测定244.2.2系统动态波形的观察245.系统主电路设计265.1主电路原理及说明265.2主电路参数设计27总 结28参考文献28 1 绪论1.1电力拖动简介随着科学技术的发展，人力劳动被大多数生产机械所代替。电力拖动及其自动化得到不断的发展。随着生产的发展，生产工艺对

3、电力拖动系统的要求越来越高，尤其在其准确性、快速性、经济性、先进性等方面的要求，与日俱增。因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化可以跟得上技术要求。电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置等四部分组成。电动机及其供电电源是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能进行传递与分配；执行机构是使机械能完成所需的转变；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。随着生产的要求不断提高，技术不断更新，拖动系统也随之更新。同时，新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的发展使电力拖动自动化发生了巨大的变

4、革。1.2直流调速系统直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但是交流电动机传动控制的基础仍是直流电动机的传动技术。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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电机容易实现各种控制系统，也容易实现对控制目标的“最佳化”，直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统可以更好的研究交流拖动系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动

5、系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。1.3无环流调速系统简介无环流控制的可逆调速系统主电路由两组反并联的晶闸管组成，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路或逻辑算法去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以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。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，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可逆系统。

6、无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：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，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：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。至于选择哪一组工作，就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，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，就决定于信号。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用信号极

7、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。基于这种逻辑判断电路的“指挥”下工作的可逆系统称逻辑无环流可逆系统。2.调节器设计2.1 电流调节器电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。其原理图如图2.1所示。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。 图2.1电流调节器原理图电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推b信号，来自电流变换器的过流信号Ub，当该点电位高于某值时

8、，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。2.1.1

9、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：2.2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。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

10、函数为： 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：2.2.1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。2.2.2计算调节器电阻和电容，取，取，取2.3速度调节器速度调节器ASR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。 图2.2速度调节器原理图 它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图2.2所转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个

11、输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图2.2中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两

12、端也装有接线柱，可根据需要外接电容。2.3.1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：2.3.2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。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：2.3.3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：

13、，满足近似条件。2.3.4计算调节器的电阻和电容值，取66.6k，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：3. 触发电路设计3.1 KJ004原理介绍可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。一、电路工作原理：电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图

14、：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。 二、封装形式电路采用双列直插C16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。半导体集成电路外形尺寸SJll0076功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号1 2

15、3 45 678910111213141516三、典型接线图及各点波形同步串联电阻R4的选择按右式计算：R4=同步电压/23×103（）各点波形式如右图所示四、电参数：1电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5(±10时功能正常)。2KJ004 电源电流：正电流15mA,负电流10mA。3同步电压：任意值。4同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)5移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k)6锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。7输出脉冲：3.2 触发电路设计3.2.1 系统对触发器的要求为保证较宽的调速范围和可逆运行，要求触发脉冲能够在180

16、°范围内移向。对于三相全控桥式整流电路，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。对可逆系统，为了防止逆变颠覆和提高工作的可靠性，触发脉冲需要有和限制3.2.2触发电路及其特点系统对触发器的要求如下： 为保证较宽的调速范围和可逆运行，要求触发脉冲能够在180°范围内移向。 对于三相全控桥式整流电路，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。 对可逆系统，为了防止逆变颠覆和提高工作的可靠性，触发脉冲需要有和限制。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。这种线路的优点是线路简单，调整容

17、易。理论上移相范围可达180°，实际上由于正弦波顶部平坦移相范围只能有150°左右。移相的线性度就触发器本身来说较差，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，即控制电压与可控硅整流电压的控制特性是接近线性的，由于作同步信号的正弦波电压随电源电压的波动而波动，当不变时，控制角也随电源电压的波动而波动，而可控硅整流电压，随电源电压增高而增高，而则随电源电压的增高而减小，故可维持近于不变。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

18、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，移相角度一般要大于30°。触发器还设计有和保护，保证系统逆变时可靠工作，不致逆变颠覆，取，由于采用逻辑无环流系统，不要求，取。图5.3同步信号为正弦波的触发电路设计图3.3 逻辑控制器的设计 无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以0 和1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正

19、组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。仅用电流给定信号去控制DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。只有在实际电流降到零时，才能发出正反组切换的指令。因此，只有电流转矩极性和零电流检测信号这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让DLC 发出切换指令。逻辑切换指令发出后还不能马上执行，需经过封锁时时间Tdb1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时时间Tdt后才能开放另一组脉冲。通常Tdb1=3ms，Tdt=7ms。在逻辑运

20、算判断发出切换指令UF、UR后，必须经过封锁延时Udb1和开放延时Udt才能执行切换命令。用FX2系列PLC实现时，只要用其内部的1ms定时器即可达到延时目的。一般封锁延时取Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时Udt=7ms开放另一组。若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为3+7=10ms，设延时后的UF'、UR'状态分别用辅助继电器M4、M5表示。DLC装置的最后部分为逻辑保护环节。正常时，UF'与UR'状态总是相反的；一旦DLC发生故障，使UF'和UR'同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。满足

21、保护要求的逻辑真值表如下表。设DLC的输出信号由PLC输出端子Y0、Y1输出。M4M5Y0Y100000101101011禁止表4-1 逻辑真值表其中Y0控制GTF，Y1控制GTR。为了实现逻辑保护，一方面可以用Y0、Y1实现联锁，另一方面还可以用M4、M5接通特殊辅助继电器M8034禁止全部输出，进行双重保护。X2和X3是过压和过流检测信号。4.系统参数计算及测定4.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定(一) 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

22、万用表8直流电动机M03、直流发电机MO1 （二）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。（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。4.1.1 电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电

23、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5.1所示。图5.1电枢回路电阻R 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I

24、1,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。测试结果U总7390I总0.90.5 表5.1 电枢回路总电阻测试据公式R=(U2-U1)/(I1-I2)得 R=(90-73)/(0.9-0.5)=42.5U'92102I'0.9

25、0.5 表5.2平波电抗器的直流电阻RL与整流装置的内阻Rn之和测试据公式RL+Rn=(U2-U1)/(I1-I2) 得RL+Rn=(102-92）/(0.9-0.5)=25.0U''8397I''0.90.5 表5.3 整流装置的内阻Rn与电枢电阻Ra之和测试据公式Ra+Rn=(U''2-U''1)/(I''1-I''2) 得Ra+Rn=(97-83)/(0.9-0.5)=17.5所以可得：电枢回路总电阻 R=42.5整流装置的内阻Rn=17.5电枢电阻Ra=17.5 平波电抗器的直流电阻RL=7

26、.54.1.2 主电路电磁时间常数的测定实验线路如图5.2所示： 图5.2 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4.3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。 图5.3 电流变化曲线4.1.3 电动

27、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CeCe=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)4.1.4 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Tm>>Td，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

28、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。实测曲线如图5.4所示：由实验测得：Tm=37ms 图5.4 实测过渡过程曲线4.1.5 测速发电机特性UTG=f(n)的测定图5.5 系统电机常数的测定实验线路如图5.5所示。电动机

29、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)3377121165222 表5.4 实验结果4.2 逻辑无环流双闭环调速系统特性测试（一）实验系统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

30、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，Ug<Un,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，

31、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。（二）实验设备及仪器1MCL系列教学实验台主控制屏2 MCL31组件3MCL

32、33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9MCL¾34组件（三）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。4.2.1 机械特性n=f (Id)的测定将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57.5F； （c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min，再调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内分别记录78点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）n(r/min)12151213121212091208120