毕业设计论文－逻辑无环流直流可逆调速系统设计.doc
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课程设计说明书
课程名称：
运动控制
姓名：
班级：
学号:
系别：
电气工程及其自动化
专业：
电气自动化技术
辅导老师：
题目:
逻辑无环流直流可逆调速系统设计
2011-3-21
目录
摘要 3
1设计任务及要求 4
1.1设计任务 4
1.2设计要求 5
2系统结构设计 6
2.1方案论证 6
2.2系统设计 6
3调节器的设计 7
3.1电流调节器的设计 7
3.1.1确定电流调节器的时间常数 7
3.1.2设计电流调节器结构 7
3.1.3校验近似条件 9
3.1.4计算调节器电阻和电容 9
3.2速度调节器的设计 9
3.2.1电流环的等效闭环传递函数 9
3.2.2确定转速调节器的时间常数 10
3.2.3转速调节器结构设计 10
3.2.4校验近似条件 11
3.2.5计算调节器的电阻和电容值 12
4系统主电路设计 13
4.1主电路原理及说明 13
4.2主电路参数设计 13
4.3保护电路设计 14
5控制及驱动电路设计 16
5.1调节器结构组成及说明 16
5.2逻辑控制器的设计 17
5.3触发电路设计 19
6电气原理总图 21
7心得体会 22
参考文献 23
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。
关键词：
逻辑无环流、可逆直流调速系统、逻辑控制器、ACR、ASR
1设计任务及要求
1.1设计任务
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：
1．技术数据：
晶闸管整流装置：
Rrec=0.5Ω，Ks=40。
负载电机额定数据：
PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2
系统主电路：
Tm=0.07s，Tl=0.017s
2．技术指标
稳态指标：
无静差（静差率s≤2,调速范围D≥10）
动态指标：
电流超调量：
≤5%，起动到额定转速时的超调量：
≤8%，（按退饱和方式计算）
直流电动机：
PN=3KW,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min,Ra=1.25Ω堵转电流Idbl=2IN,截止电流Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2
三相全控整流装置：
Ks=40,Rrec=1.3Ω
平波电抗器：
RL=0.3Ω
电枢回路总电阻R=2.85Ω，总电感L=200mH,
电动势系数：
（Ce=0.132V.min/r）
系统主电路：
（Tm=0.16s，Tl=0.07s）
滤波时间常数：
Toi=0.002s,Ton=0.01s,
其他参数：
Unm*=10V,Uim*=10V,Ucm=10V，σi≤5%,σn≤10
分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。
确定调速系统主电路元部件及其参数。
动态设计计算：
根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。
绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。
1.2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（D≥10），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s≤2）
（3）动态性能指标：
转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s
（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
2系统结构设计
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，也可用单片机实现，本文使用PLC来实现逻辑控制；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调节器的设计
3.1电流调节器的设计
3.1.1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（1~2）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：
3.1.2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。
图1PI型电流调速器
根据设计要求，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：
检查对电源电压的抗扰性能：
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：
3.1.3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。
电流环小时间常数近似处理条件：
，满足近似条件。
3.1.4计算调节器电阻和电容
按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：
，取
，取
，取
3.2速度调节器的设计
3.2.1电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：
忽略高次项，可降阶近似为：
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：
3.2.2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：
3.2.3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。
图2PI型转速调节器
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：
3.2.4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：
，满足近似条件。
3.2.5计算调节器的电阻和电容值
按所用运算放大器取，则
，取440kΩ
，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：
4系统主电路设计
4.1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。
4.2主电路参数设计
Ud=2.34U2cos
Ud=UN=220V,取=0°U2=
Idmin=（5%-10%）IN,这里取10%则
L=0.693
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：
则晶闸管的额定电流为：
取1.5~2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：
取2~3倍的安全裕量，
4.3保护电路设计
在主电路变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲。
过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现过流保护。
过流保护电路如下图所示。
图4过流保护电路
过压保护是在直流电动机的电枢两端并上电压取样电阻，当电压值超过设定值时，发出过电压信号，经过电平转换后送到逻辑控制器，由逻辑控制器封锁触发脉冲。
5控制及驱动电路设计
5.1调节器结构组成及说明
逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。
图5逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图
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、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1和ACR2，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ACR2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。
5.2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。
在逻辑控制环节的两个输出信号之间必须有互相连锁的保护，决不允许出现两组脉冲同时开放的状态。
逻辑控制器装置由PLC来实现，转矩极性鉴别信号UI*和零电流检测信号Ui0作为PLC的输入信号X0和X1，再由PLC的软件来实现逻辑运算和控制。
在逻辑运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。
表1逻辑真值表
M4
M5
Y0
Y1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
禁止
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。
逻辑控制器的梯形图如图6所示。
图6逻辑控制器梯形图
5.3触发电路设计
触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。
只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。
TC787的原理框图如图7所示
图7TC787原理框图
由图可见：
在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。
引脚18、l、2分别为三相同步电压Va、Vb、Vc输人端。
引脚16、15和14分别为产生相对于A、B和C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。
电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。
引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。
引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高
电平有效。
引脚4为移相控制电压输入端。
该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。
引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。
其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的A、B、C相晶闸管；
引脚9、7和11分别控制下半桥臂的A、B和C相晶闸管。
正组晶闸管触发电路原理图如图8所示，反组的与正组相同。
图8正组触发电路原理图
6电气原理总图
7心得体会
通过这次课程设计，使我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。
其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、逻辑控制器的设计及晶闸管触发电路的设计，涉及到了电力电子，电力拖动和PLC等多学科。
双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型Ⅰ型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。
转速调节器采用典型Ⅱ型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。
通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。
逻辑控制器的设计用到了PLC，即可编程逻辑控制器，使设计大为简化，省去了复杂的组合逻辑元件及一些分立电子元件，系统的可靠性也得到了很大的提高。
晶闸管的触发电路采用TC787集成触发器，外围器件简单，而且只需一片就能触发一组桥式全控型晶闸管，两片TC787就能完成本设计。
完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。
总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，也使我认识到自己的不足之处。
在此，对老师说声谢谢！
参考文献
【1】陈伯时主编.《电力拖动自动控制系统》,北京,机械工业出版社,2003.7
【2】杨荫福,段善旭,朝泽云.《电力电子装置及系统》,北京,清华大学出版社,2006.9
【3】王兆安,黄俊.《电力电子技术》,北京,机械工业出版社,2007.7
【4】漆汉宏.《PLC电气控制技术》,北京,机械工业出版社,2006.12
【5】康华光.《电子技术基础》,北京,高等教育出版社,2006.01
【6】马莉.《MATLAB数学实验与建模》,北京,清华大学出版社,2010.01
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