逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究.docx

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逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究

逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究

——主电路设计

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。

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u「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ui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系统总体参数

2.1系统已知参数及设计指标

设计一个逻辑无环流直流可逆调速系统，基本技术数据如下:

2.1.1已知参数

1、拖动设备：

直流电动机：

P=185WU=22VI=1.1A

NNN

n=16O0/minN，过载倍数怎=1.5。

2、负载：

直流发电机：

P=100WU=220/I=0.5An=1500/minN

NNN

3、机组：

转动惯量GD2=0.065Nm2

2.1.2设计指标

1、D=4,稳态时无静差。

2、稳态转速n=1200r/min,负载电流0.8A。

3、电流超调量Ci<5%,空载起动到稳态转速时的转速超调量；亠乞15%。

2.2未知参数设计

2.2.1测定晶闸管直流调速系统主电路的电阻R

禾U用伏安法测量电枢回路总电阻R,包括电机的电枢电阻Ra,平波电抗器的直流电阻Rl，整流装置的内阻Re测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

调节Ug使整流装置输出电压Ud为110V，然后调整RP使电枢电流分别为0.9A、0.5A时的理想空载电压，由公式

R=（U2-U1）/（I1-12）（2.1）

可求得电枢回路总电阻，测试结果如下表

1

2

3

4

5

6

U

78V

93V

96V

105V

88V

100V

I

0.9A

0.5A

0.9A

0.5A

0.9A

0.5A

表2.1电枢回路电阻R的测定

其中1、2组数据为回路总电阻为电机电枢电阻Ra、平坡电抗器直流电组RI、整流装置内阻Rn之和测的，3、4组数据为回路总电阻为平坡电抗器直流电组RI、整流装置内阻Rn之和测的，5、6组数据为回路总电阻为电机电枢电阻Ra、整流装置内阻Rn之和测的。

经过计算电机电枢回路电阻Ra=22.5「，平坡电抗器直流电阻RI=15.0「，整

流装置内阻Rn=15.25门。

2.2.2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间爱你常数Td

电动机不加励磁，调节Uct监视电流表的读数，使电动电枢电流为110V。

然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄ld=f（t）的波形，由波形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2.1电流变化曲线

由图可知直流调速系统主电路时间常数Td为6.2ms。

2.2.3测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM

将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测的相应的n，即可由公式

Ce=Ke：

：

」=（Ud2-Ud1）/（n2-rn）（2.2）

Ce的单位为V/（r/min）转矩常数CM的单位为N・m/A，可由Ce求出CM=9.55Ce。

电压（V）

110

140

转速（n）

344

575

表2.2电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定

故可算得Ce=0.12V.,CM=1.07N・m/A

/r/min

2.2.4测定晶闸管智力调速系统机电时间常数TM

系统的机电时间常数可由下式计算

2

Tm=（GD*R）/375CeLM（2.3）

当电枢突加给定电压时，转速n按指数规律上升，当n达到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。

经过测试，系统的时间常数为44ms。

2.2.5测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）

电动机加额定励磁，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

N（r/min）

1000.0

1100.0

1200.0

1300.0

1400.0

UTG（V）

6.75

7.44

8.12

8.83

9.46

表2.3测速发电机特性

Ud（V）

75.0

150.0

185.0

202.0

210.0

Uct（V）

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

表2.4晶闸管触发及整流装置特性

n（r/ttunJ

1400

1300

1200

11D0

3无环流可逆调速系统设计

3.1系统组成

主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用典型的转速、电流双闭环方案；电流环为内环，转速环为外环。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

1、电流环分设两个电流调节器，1ACF用来控制正组触发装置GTF2ACF控制反组触发装置GTR

2、速度环把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。

3、为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC这是系统中的关

键环节。

它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换。

3.1.1逻辑无环流调速系统的原理图

图3.1逻辑无环流调速系统原理图

（TG：

永磁式直流测速发电机；DLC逻辑控制器；TA三相电流传感器；ASR

转速调节器;Ld:

平波电抗器；ACR电流调节器；TR:

联接的三相整流变压器；U:

三相整流桥；GTRGTF为正反组晶闸管触发电路；A:

反相器）

3.1.2逻辑无环流系统工作原理

逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。

实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。

采

用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另

一套装置就可以节省下来了。

1、正向运行：

当开关S与+10V接通时，Usn的极性为（+），在起动过程中△Un=Usn-Ufn）＞0,使Usi呈（+）极性，设此时逻辑控制器LC发出的控制器Uc1为“1”正组处于工作状态；Uc2为“0”反组处于封锁阻断状态；并设此时电枢电流Id极性为

（+），电动机正转。

系统处于正向运行状态。

2、反向运行：

当S突然与+10V断开，而与-10V接通，此时Usn极性变号成为（-）极性，而电动机依靠惯性仍在正向运行，因而Usn极性未变仍是负极性；这样使△Un

变为数值较大的负电压△UnvQ此电压使速度调节器ASR的输出电压Usi的数值急快下降并变号呈现（-）极性。

这时，随着Usi绝对值的下降，将使Id不断下降（Id二Usi/B），电磁转矩Te下降（Te二Kt①Id），电动机转速n下降。

当电流Id下降至零，逻辑控制器LC的输入端同时出现Usi极性变号｛（+）-（-）｝及Id=0两个信号时，LC将发出逻辑切换指令，使Uc1由“1”变为“0”正组被封锁阻断；Uc2由“0”变为“1”反组开始投入运行。

由于反组开通工作，将使电枢电流反向流动。

电动机的电磁转矩Te也将反向。

由于此时电动机

依靠惯性仍在正向转动，这样电磁转矩Te将与转速n反向，形成制动作用，使电动机转速n迅速下降。

这时的电动机成为发电机，通过反组整流桥向电网回馈电能。

此时系统处于回馈制动状态。

随着电动机的转速迅速降至零，并且在已经反了向的电磁转矩的作用下，将

开始加速反向运行，这一加速过程一直要到电动机转速升到新的给定值n'、△

Un=O时为止，系统重新处于平衡状态，此时系统处于反向运行状态。

至此，电动机反向过渡过程完成。

给定电压（Usn）

Usn（+）

切

Usn（+）

Usn（-）

切

|Usn（-）|

速度调节器输出（Usi）

Usi（-）

换

Usi（+）

Usi（+）

换

Usi（-）

电枢电流（Id）

Id（+）Id=OId（-）

Id（-）Id=OId

（+）

表3.1逻辑无环流可逆调速系统正反组切换指令

3.2系统主电路设计

3.2.1主电路原理及说明

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示

图3.2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。

322主电路参数设计

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E2与最大整流直流电压Udmax的关系

是：

Udmax=2.34E2（3.1）

在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题，因此

Udmax=2.34E2COS-（3.2）

dmax

应该等于电动机额定电压Ued加上过载电流所产生的附加压降

=1.15[220（305

-305）0.05620.9]V

压波动，通常还需要再增加（15%〜20%），因此

（3.3）

Udmax=（1.15〜1.2）[UedUdmax-IedMsE]

=1.15[2201.8]V

=255V

E2

dmax

2.34COS:

min

255

V=126V

2.34cos30

（3.4）

根据整流负载的要求,

所需要的变压器：

副边线电压

U2

二3E2=1.732126/=21V

（3.5）

副边电流

丨2

=0.816Id=0.816305A=249A

（3.6）

原边电流

丨1

E2I2126249

工二A=143A

E,220

（3.7）

副边功率

PYE,

I^3E2I^3126249KVA94KVA

（3.8）

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，丫/丫，U1=380V，U2=225V，1—100A，1—160A的变压

器

2、晶闸管的选择

晶闸管参数计算:

对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为:

1

I2=IvtId二0.577Id

■.3

（3.10）

则晶闸管的额定电流为:

IVT（AV）匚=0.368Id=0.368287A=105.616A

1.57

（3.11）

取1.5~2倍的安全裕量，Ivt（av）=168-224A

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：

UFM二Urm=2.45U2=2.45108.56=266V

（3.12）

取2~3倍的安全裕量，UVT=640-955V

故可选3CT200A800V的可控硅整流元件

3.3触发电路

3.3.1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，要求触发脉冲能够在180°范围内移向。

2、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。

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di：

dt的能力要求脉冲前沿陡，上升时间在10us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

-min和〉min限制。

3.3.2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Uk与可控硅整流电压Ud。

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Uk不变时，控制角：

•也随电源电

压的波动

2E

-15V

■15V-40V

d.LliF

BG

去前相去后相送辑封锁

图3.3同步信号为正弦波的触发电路原理图

而波动，而可控硅整流电压Ud。

二UdomaxCOS〉，Ud0max随电源电压增高而增高，

而cos:

•则随电源电压的增高而减小，故Udo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R—C滤波器，移相角度一般要大于30°

触发器采用内双窄脉冲（由BG3、BG4与门电路实现），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di.fdt的能力，脉冲带有强触发，强触发脉冲的幅值为400〜

600mA。

3.4逻辑控制器的设计

3.4.1逻辑控制器的工作原理

逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输入来判断输出的逻辑状态。

逻辑控制器有两个输入输出，两个输出信号Ublr和Ublf分别通过触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲，输出信号Ublf和Ublr的状态必须始终保持相反，以保证两

组整流器不会同时处于工作状态。

由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向，即电枢电流的方向，在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出Ui*的极性来决定的，也就是说Ui*的符号改变是逻辑控制器切换的条件之一。

从a=B配合控制的分析中已经知道，可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变，反馈制动和回馈制动三个阶段。

在本桥逆变阶段电动机电流下降至零，然后才经历反接制动阶段建立反向电流，如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整流器，就可能产生逆变失败现象，并损坏整流器，所以在转速调节器的输出Ui*改变极性后，还必须等待电动机原方向电流减小到零后，Ui=O，才能关断原

来工作的整流器，而开通原封锁的另一组整流器，因此电枢电流下降为零Ui=O

是逻辑切换的条件之二。

只有在Ui*改变极性和Ui=O两个条件满足后，逻辑控制器的输出状态才能改变。

但是逻辑控制器的输入端分别联接转速调节器的输出Ui*和电流的反馈信

号Ui。

因电流反馈取自电动机的电枢电流，因此电流信号可以有正向，反向和零三种工作状态，而逻辑控制器仅需要判断电枢电流的有无，因此需增加绝对值

计算环节。

控制器输出的整流器切换信号Ublf和Ublr，则分别通过触发模块控制是否输出移相触发脉冲，而此触发模块的block端的要求是逻辑控制器输出的信号为“0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果逻辑控制器输出的信号为“1”,

则该触发器没有脉冲输出。

342逻辑控制器的组成

逻辑控制器由以下四部分组成：

1、电平检测

电平检测是将输入的模拟信号（Ui*，Ui）转换为数字信号（UT，UI），转换由两个滞环控制模块实现，转换要求如下：

（1）转换极性检测。

当Ui*>0时，UT=1,当Ui*<0时,UT=0;

（2）零电流检测。

当有电流Ui不为零时，UI=0;当电流为零时，UI不为零;

2、逻辑判断电路

由转速电流闭环控制系统模型主要参数可以得到逻辑控制器输入和输出的

逻辑关系表达式为（用与非门实现）：

UF=UR（UT.UI）

UR=UF[（UTUI）UI]

逻辑判断由与非门YF1~YF4组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT,UI;输出为逻辑切换信号UF,UR

3、延时电路

逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测

电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延时3ms左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止，并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延

时取7ms左右。

关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。

由于延时

发生在逻辑判断电路输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号的下降沿不需要延时。

4、联锁保护

为了保护正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5~YF7组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。

在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。

5、DLC的逻辑真值表

UT

UI

Ublf

Ublr

1

1

1

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

表3.2逻辑控制器真值

3.5电流调节器设计

3.5.1调节器基本思路

1、先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。

2、在选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

将控制对象校正成为典型系统。

系统设计的一般原则：

“先内环后外环”如下图所示：

输出

控制对象►

输入

►调节器

系统校正

输入*典型系统输出

图3.4调节器设计的基本思路

电流超调量Si<5%，电流环按典型I型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就

够了。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用

只是次要的因素，电流环应以跟随性能为主。

图3.5PI型电流调速器

整流装置滞后时间常数Ts为三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s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（1~2）Toi=3.33s。

则电流滤波时间常数Toi=0.002s按小时间常数近似处理：

电流小时间常数

TT=TsToi=0.0037s

.。

根据设计要求G一5%，并保证稳态电流无差，可按典型I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，其传递函

数为：

Wacr（卄

■S

电流调节器超前时间常数:

.i二T］二0.0062s

取电流反馈系数:

匕二厶53.0V.A

Idbi1.5汉1.1

电流环开环增益：

取K|Tq=0.5，因此

0.50.5

Ki135.14s

Tg0.0037s

于是，ACR的比例系数为:

K“R135.14x0.0062X52.5

Q=0.3666

KsP40x3.0

3.5.2计算调节器电阻和电容

按所用