逻辑无环流V-M可逆直流调速系统设计

1、 逻辑无环流V-M可逆直流调速系统设计摘要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。本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电路进行了计算和设计。运用了一种基于Matlab的Simulink进

2、行仿真并对仿真结果进行分析。 关键词: 直流电机；环流；逻辑无环流可逆调速；Matlab仿真25目 录摘要3第1章 设计任务及要求61.1设计任务41.2设计要求5第2章 逻辑无环流V-M可逆调速系统结构及原理1.1 逻辑无环流调速系统简介61.2逻辑无环流调速系统的结构与原理6第三章 系统主电路设计133.1主电路原理及说明133.2主回路参数设计133.2.1整流变压器的选择3.2.2晶闸管参数的计算3.3保护电路设计143.3.1过压保护3.3.2过流保护第四章 调节器的设计74.1电流调节器的设计74.2速度调节器的设计9第五章 控制及驱动电路设计165.1逻辑控制器的组成165.2逻

3、辑控制器的设计175.2.1零电平检测5.2.2转矩极性检测5.2.3逻辑判断的电路5.2.4延时电路5.2.5连锁与保护5.3反相器195.4直流电压源5.5给定电压5.6操作回路第六章 心得体会22参考文献23第一章 逻辑无环流V-M可逆直流调速系统的结构及原理1.1 设计任务设计题目：设计要求：逻辑无环流V-M可逆直流调速系统设计动态性能指标：电流环超调量 ； 空载启动到额定转速时转速超调量 。参数：直流电动机型号Z2-101额定容量（KW）2.2额定电压（V)220额定电流（A)12.5最大电流（A)18.75额定转速（rmp)1500额定励磁电压 220V0.106电动机电枢电阻1.

4、06电动机电枢电感8.93其它参数名称数值整流侧内阻0.037整流变压器漏感0.24电抗器直流电阻0.024电抗器电感3.2负载折算值0.7091.2设计要求1. 完成设计说明书一份（包括院里的简要说明和主要参数的计算的过程）；2. 绘制电气原理图（包括主电路、控制回路）A2图纸一张，可用铅笔绘制，应符合相关制度标准；3. 设计说明书和电气原理图必须按照“电气图形符号”和“电气技术文字符号”的国家标准，并规定主回路用粗实线，控制回路用细线；4. 设计说明书应包含封皮、目录、征文、参考文献等，字数满足要求。第二章 逻辑无环流V-M可逆调速系统结构及原理2.1逻辑无环流调速系统简介许多生产机械要求

5、电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。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，

6、又没有脉动环流的无环流可逆系统。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，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，这要看工作桥有没有电流存在，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

7、见，只要用信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。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。2.2逻辑无环流V-M可逆调速系统结构及原理逻辑控制的无环流可逆调速系统主电路采用两组晶闸管反并联线路，由于没有环流，不用设置环流电抗器，但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍应保留平波电抗器。两组桥在任何工作时只有一组工作，另一组关断，避免造成环流。其原理图如下图： 图1-1逻辑无环流可逆调速系统原理图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

8、、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器1ACR和2ACR，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2ACR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。第三章 系统主电路设计3.1 主电路原理及说明 图3-1 主电路原理图主电路采用的是三相桥式反并联可

9、逆线路，可使电动机在四个象限内运转。 两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以两组晶闸管不会同时处于整流状态，也就不会产生环流，造成电源短路。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。因为主电路的实际波形是脉动的，而电流检测电路发生零电流数字信号时，总有一个最小的动作电流。如果脉动的主电流瞬时低于最小动作电流，实际上电流仍在连续的变化，这时本组正处于逆变状态，突然封锁将发生逆变颠覆，造成事故。因此要有一个延时封锁。在从封锁本组到开放它组脉冲之间也要留一段等待时间。因为在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要经过一段时间

10、后才能关断，再经过一段时间才能恢复阻断能力。如果在此以前开放它组脉冲，将会造成两组晶闸管同时导通，形成环流，这是不允许的。因此需要一个开放延时时间。3.2 主回路参数设计 3.2.1整流变压器的选择 对于三相全控桥A=2.34，取最小控制角=30°，=0.886,C=0.5,晶闸管导通平均压降=1v,电网电压波动系数=0.9，变压器的短路比%=5，=1.158 =*/=0.06 =0=1+（+）/-+n*/A*B-=136V用近似算法：=(1.21.5)220/2.34=（113141）V 取136V变压器变比K=2.79又 所以=3.84A 变压器容量的计算: 变压器一次侧容量 。

11、 变压器二次侧容量。一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为 对于本设计 = 设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器。 3.2.2 晶闸管参数计算：选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流。 1.晶闸管额定电压对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压计算结果： 取 式中 晶闸管可能承受的电压最大值（V）。 2.晶闸管额定电流 晶闸管额定电流的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。

12、 已知 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： 取16A额定电压： 1000V 额定电流： 16A3.3 保护电路的设计3.3.1过电压保护 1.交流侧过电压保护 图3-2 交流测过电压保护 阻容吸收保护通常在变压器二次侧并接电阻R和电容C串联支路进行保护。此种接法电容电阻的计算： 电容的耐压 电阻功率 通过电阻的电流 式中 S变压器容量（)； 变压器二次相电压有效值（V）； 变压器励磁电流百分比； 变压器的短路比； 阻容元件两端正常工作时交流电压峰值（V）。本系统 S=4.2 =136V =3A =3V1）电容的计算 取52）电阻的计算 取11 2.直流侧过电压保护 图3-3 直流侧过于保护 直流

13、侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成加大（上升率大会使SCR误导通）。因此，一般只用压敏电阻作过电压保护。压敏电阻标称电压按下式选择，即 式中 正常工作时加压敏电阻两端的直流电压（V）。则 所以压敏电阻选取额定电压440V的。选型：压敏电阻规格为10K681。3. 晶闸管过电压保护 为了抑制晶闸管的换相过电压，采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，如图3-3。阻容保护的元件参数可以根据表3-1列出经验数据选定。电容耐压值，通常按加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.5倍计算。电阻功率（W）为 式中 f电源频率（Hz） C电容值（） 晶闸管工作电压峰值（

14、V）。表3-1 阻容保护的元件参数晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052图3-4 晶闸管过压保护晶闸管的额定电流则由表可得保护电容，。电容的耐压值 3.3.2过电流保护1. 交流侧过电流保护 1）交流一次侧过电流保护 交流一次侧过电流保护可通过断路器实现 图3-5 交流一次过电流保护低压断路器的冲击电流为 断路器的型号为：DZ52）交流二次侧过电流保护 图3-6 交流二次过电流保护额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即 额定电流：则选型为RS3/250-20。2. 晶闸管过电流保护过电流是晶闸管电

15、路经常发生的故障，是造成器件损坏的主要原因之一，因此，过电流保护应首先考虑。造成晶闸管过电流的主要因素有：电网电压波动太大，电动机轴上负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路简单游等。快速熔断器保护是最简单有效的过流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在通常的发生短路后，熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前熔断自身而断开故障点，避免过电流烧坏管子。图3-7 晶闸管过电流保护快速熔断器的选择主要考虑以下两个方面：（1） 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即 取240V。（2） 快速熔断器的额定电流应大于等于被保护晶闸管额定电流。 则选型为RS3/25

16、0-20。3.4触发回路设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。 （2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。 （3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的

17、可靠触发区域之内。 （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。本设计用到两组三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触cc发电路。1.三相全控桥整流电路的集成触发电路如图3-7。 图3-7三相全控桥整流电路的集成触发电路2. 隔离电路 由于晶闸管在主回路中，与触发电路直接相连时易导通，所以要设计一个变压器隔离两部分电路。VD1、VD2用

18、来消除负半周波。 图3-8 隔离电路3.电源触发电路需要+15V、15V的稳压电源（直流）和、同步信号，利用变压器将电网电压降压后接入。 图3-9 同步信号变压器4.5励磁回路设计 图3-10励磁回路设计本设计要求励磁额定电压220V，则可通过三相半波进行整流，通过RP进行 电压调节，使励磁线圈两侧电压为220V。欠电流继电器可以进行失磁保护，当电流小于某一数值时将电路断开，防止因失磁而引起飞车现象。第四章 控制回路的设计4.1电流调节器的设计1.确定时间常数1）整流装置之后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间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

19、.3s，为了基本滤平波头，取Toi=0.002s。3）电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s。2.选择电流调节器结构根据设计要求i5%时，并保证稳态电流误差，可用典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。 图4-1电流环原理图回路总电阻：R=1.06+2×0.037+0.024=1.158回路总电感：L=8.93+2×0.24+3.2=12.61mH检查对电源电压的抗干扰性能：=L/R=0.011s电动势系数：=(220-12.5×1.06)/1500=0.138V·min/r额定励磁下电动机的转矩系数：

20、=1.138N·m/A电力拖动系统电机时间常数：²R/375=0.138s3. 计算电流调节器参数1） 电流调节超前时间常数：i=0.011s2） 选择给定信号：Un*=10V 选择转速环限幅电压：Ui*=10V 选择电流环限幅电压：Uc=10V 则电力电子变换器的电压放大系数：Ks=Ud/Uc=220/10=223） 取电流反馈系数=Uim*/Idbl=10/18.75=0.533V/A4) *T=0.5 =135.1s-1 4. 检验近似条件电流环截止频率ci=135.1s-11） 晶闸管整流装置的传递函数的近似条件1/3Ts=1/(3×0.0017)=196

21、.1s-1>ci满足近似条件2） 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3） 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件5. 计算调节器电阻和电容运算放大器取=40K各电阻和电容为Ri=Ki/=5.88K Ci=i/Ri=1.833F Coi=4Toi/=0.2F 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%，满足设计要求。4.2转速环设计3.2.1速度调节器设计1.确定时间常数1) 电流环等效时间常数1/=2Ti=2×0.0037=0.0074s2) 转速滤波时间常数Ton=0.01s3) 转速环节小时间常数Tn=1/+Ton=0.0174s2

22、.选择转速调节器结构根据设计要求，可用典型型系统设计转速调节器。 图4-2转速环原理图3. 计算转速调节器的参数1）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n=hTn=0.087s转速开环增益转速环系数ASR的比例系数 =5.564.检验近似条件 转速环截止频率1) 电流环传递函数简化条件为满足简化条件2) 转速环小时间常数近似处理条件满足简化条件5. 计算调节器电阻和电容取=40K6. 校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量7. 按ASR重新计算超调量调速系统开环机械特性的额定稳态速降过载倍数，理想空载转速时，n

23、=0查表得，h=5时，则，=2.17%<10%满足设计要求。第五章 控制回路设计5.1逻辑控制器的组成逻辑控制器DLC按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，用来控制反组触发脉冲的封锁与开放。DLC的输出要求：正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR；反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF。因此，DLC有两种工作状态：VF开放=1，VF封锁=0；VR开放=1，VR封锁=0DLC应有如下的结构： 图5-1逻辑控制器的组成和输入输出信号5.2逻辑控制器的设计5

24、.2.1零电平检测零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理是在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图如下所示： 图4-2零点平检测原理图5.2.2转矩极性检测转矩极性鉴别用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如下图所示。 图5-3转矩极性鉴别原理图5.2.3 逻辑判断电路逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号，正确地发出切换信号，输出均有“l”和“0”两种状态。 图54逻辑控制器原理图 电路的输入

25、是转速极性鉴别器的输出和零电流检测器输出。系统在各种运行状态时，和有不同的极性状态（“0”态或“1”态），根据运行状态的要求经过逻辑运算电路切换其输出去封锁脉冲信号的状态（“0”态或“1”态），由于采用的是锗管触发器，当封锁信号为正电位（“1”态）时脉冲被封锁，低电位（“0”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“0”；反转时为正，为“1”；有电流时为正，为“1”；无电流时为负，为“0”。代表正组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。代表反组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。、表示“1”，、表示“0”。

26、按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表4-1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。表5-1 逻辑判断电路各量要求的状态运 行 状 态 正向起动，I=00001 正向运行，I有0101 正向制动，I有1101 正向制动，I=01010 反向起动，I=01010 反向运行，I有1110 反向制动，I有0110 反向制动，I00001根据正组封锁条件： （5-1）据反组封锁条件： （5-2）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（5-1）式和（5-2）式最小化，最后化成或非门的形式。 （5-3） （5-4）5.2.4延时电路逻辑切换指令发出后并不能马上执行，还须经过两段延时时间，以

27、确保系统的可靠工作，这就是封锁延时tdbl和开放延时tdt。从发出切换指令到真正封锁掉原来工作地那组晶闸管之间应该留出来的一段等待时间叫作封锁延时。由于主电流的实际波形是脉动的，而电流检测电路发出的零电流数字信号Ui0时，总有一个最小动作电流I0，如果脉动的主电流瞬时低于I0就立即发出Ui0信号。实际上电流仍在连续地变化，这时本组正处在逆变状态，突然封锁触发脉冲将产生逆变颠覆。从封锁本组脉冲到开放它组脉冲之间也要留一段等待时间，这是开放延时。因为在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要过一段时间后才能关断，再过一段时间才能恢复阻断能力。如果在此以前就开放它组脉冲，仍有可能造成两组晶闸管同时出现导通，

28、产生环流。5.2.5联锁保护电路在正常工作时，逻辑判断与延时电路的两个输出和总是一个为“1”态，另一个为“0”态。一旦出现故障，两个输出和如果同时为“1”态，将造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。 5.3反相器 本设计中正组与反组的触发脉冲成关系，即 所以应当用反号器将触发电路的控制电压进行取反。图5-5反相器反号器的输入信号由与运算放大器的反相输入端输入，故输出电压为： 调节电位器RP1的滑动触电，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则 即输入与输出成倒像关系。故为反号器。5.4直流稳压电源 图5-6直流稳压电源 由单相桥式整流器和三端稳压器构成的稳压电源，作为给定电源。（1） 电路的

29、组成 电路经变压器变压后的42V电压经单相桥式整流后向给定电路提供电源。将变压器线圈分为两部分，中间接地，以得到正、负电压同时输出。在电桥的两端分别串入一对容量较大的电容、和一对容量较小的电容、，两对电容的中间接地。 在正电压输出端串入三端稳压器LM117，在负电压输出端串入LM137.分别稳定+15V、-15V电压的输出。 为了保证电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线电阻上产生误差电压。（2） 电路的工作原理给定电路的电源由单向不可控整流后的电源提供。电源电压经变压器变压后的输出电压是42V，变压器线圈绕组的中间接地，经变压器分为两个同时输出21V的副边电压。电流经不可控整流后，直接向稳压器提供稳压电源。21V的电流经整流桥后，输入稳压器的电压大约为 这样稳压器LM117可输出电压为+15V，LM137可输出电压15V。整流后输出电压的电流为正弦波形电流，在整流桥的两端并入电容、后，可将正弦波电流变为输出电流大小基本恒