逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真

远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）

题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真学习中心：内蒙古学习中心

学

姓名：孔利强

专业：电气工程及其自动化

指导教师：王旭东

2017 年 9 月 5 日

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表

学生姓名：孔利强学号专业：电气工程及其自动化毕业设计（论文）题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

学生姓名：孔利强学号专业：电气工程及其自动化毕业设计（论文）题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真

论文原创性声明

本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文《交流电机串级调速系统建模与仿真》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：孔利强

日期：2017年9 月 5 日

摘要

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

关键词： 1、直流电机 2、无环流系统 3、调节器

目录

一、概述 (1)

（一）直流调速系统......................................错误！未定义书签。

（二）无环流调速系统简介 (1)

二、系统总体参数.. (3)

三、无环流可逆调速系统设计 (4)

（一）系统组成 (4)

（二）系统主电路设计 (12)

（三）触发电路 (14)

（四）电流调节器设计 (16)

（五）转速调节器设计........... (17)

四、仿真结果截屏显示 (20)

五、结论 (24)

致谢 (25)

参考文献 (26)

一、概述

（一）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。

（二）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

U信号。同时还见，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

i

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

U信号极性和电流“有”、

i

“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。

二、系统总体参数

直流调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s

三、无环流可逆调速系统设计

（一）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。

电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR。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。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。

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；GTR、GTF为正反组晶闸管触发电路； A:反相器）

2、逻辑无环流系统组成及其工作原理

在无环流控制系统中，反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢电流极性来选择其中一组整流桥运行，而另一组整流桥触发脉冲是被封锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下： （1）由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生的转矩极性反向。

（2）由转速调节器输出反映这一转矩的极性，并由逻辑装置对该极性进行判断，然后发出切换开始的指令。

（3）使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。

（4）由零电流检测器得到零电流信号后，经3～ms 5延时，确认电流实际值为零，封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。

（5）由零电流检测器得到零电流信号后，经ms 10延时，确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后，开放待工作侧整流桥（例如反组桥）的触发脉冲。 （6）电枢内流过与切换前反方向的电流，完成切换过程。

根据逻辑装置要完成的任务，它由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成，逻辑装置的功能和输入输出信号如图3-2所示。

图3-2 无环流逻辑控制环节DLC

其输入为电流给定或转矩极性鉴别信号*

i U 和零电流检测信号0i U ，输出是控制正组

晶闸管触发脉冲封锁信号1U 和反组晶闸管触发脉冲封锁信号2U

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。

3、无环流逻辑装置的设计

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=β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=0，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=0是逻辑切换的条件之二。只有在Ui*改变极性和Ui=0两个条件满足后，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。

（1）电平检测器

逻辑装置的输入有两个：一是反映转矩极性信号的转速调节器输出*

U，二是来自

i

U，他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电路需电流检测装置反映零电流信号的

0i

要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量，也就是转换成“0”状态（将输入转换成近似为V

0输出）或“1”状态（将输入转换成近似为V

输出）。

15

采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。其原理图见图3-3。

图3-3 电平检测器原理图

电平检测器的输入输出特性如图3-4所示，具有回环特性。由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽度的回环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测回环特性的动作电压mV U r 1001=，释放电压mV U r 802=。调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。

图3-4 电平检测器输入输出特性

转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出*i U ，其输出为T U 。电机正转时*

i U 为负，T U 为低电位（“0”态），反转时*i U 为正，T U 为高电位（“1”态）。

零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号0i U ，其输出为I U 。有电流时0i U 为正，I U 为高电位（“1”态），无电流时0i U 为0，I U 为低电位（“0”态）。 （2）逻辑运算

电路的输入是转速极性鉴别器的输出T U 和零电流检测器输出I U 。系统在各种运行状态时，T U 和I U 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*i U 为负，T U 为“0”；反转时*i U 为正，T U 为“1”；有电流时*i U 为正，

I U 为“1”；无电流时*i U 为负，I U 为“0”。

1U 代表正组脉冲封锁信号，1U 为“1”时脉冲封锁，1U 为“0”时脉冲开放。 2U 代表反组脉冲封锁信号，2U 为“1”时脉冲封锁，2U 为“0”时脉冲开放。 T U 、I U 、1U 、2U 表示“1”，T U 、I U 、1U 、2U 表示“0”。

按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表3-1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。

表3-1 逻辑判断电路各量要求的状态

根据正组封锁条件：

2221U U U U U U U U U U I T I T I T ++= （3-1） 根据反组封锁条件：

1112U U U U U U U U U U I T I T I T ++= （3-2） 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（3-1）式和（3-2）式最小化，最后化成或非门的形式。

2221U U U U U U U U U U I T I T I T ++=

)(222I T T I T T U U U U U U U U U +=+=

)()(22I T I T U U U U U U ++=+= （3-3）

1112U U U U U U U U U U I T I T I T ++=

)(111I T T I T T U U U U U U U U U +=+=

)(1I T U U U +=

)(1T I U U U ++= （3-4）

根据（3-3）、（3-4）式可画得逻辑运算电路，如图3-5所示，它由四个或非门电路组成。依靠它来保证两组整流桥的互锁，并自动实现零电流时相互切换。

图3-5 逻辑运算电路

现举例说明其切换过程，例如，整流装置原来正组工作，这时逻辑电路各点状态如图3-6中“1”、“0”所示。

图3-6 或非门电路

现在要求整流装置从正组切换到反组，首先是转矩极性信号改变极性，T U 由“0”变到“1”，在正组电流未衰减到0以前，逻辑电路的输出仍维持原状（1U 为“0”，正组开放。2U 为“1”，反组封锁）。只有当正组电流衰减到零，零电流检测器的状态改变后，逻辑电路输出才改变状态，实现零电流切换，这是逻辑电路各点状态如图3-4所示。或非门电路如图3-5所示。采用锗二极管2AP13和硅开关三极管3DK4C 是为了减小正向管压降。

（3）延时电路

前面的逻辑运算电路保证零电流切换，但仅仅采用零电流切换是不够的。因为零电流检测装置的灵敏度总是有限的，零电流检测装置变成“0”态的瞬间，不一定原来开放组的晶闸管已经断流。因此必须在切换过程中设置两段延时即封锁延时和开放延时，避免由于正反组整流装置同时导通而造成短路。根据这个要求，逻辑装置在逻辑电路后面接有延时电路。

图3-7 延时电路

延时电路如图3-7所示，其工作原理如下：当延时电路输入为“0”时，输出亦为“0”态（1BG 截止、2BG 导通），相应的整流桥脉冲开放。当输入由“0”变为“1”时，电容C 经1R 充电，经一定延时后，1BG 导通，2BG 截止，即输出由“0”延时变“1”。相应的整流桥脉冲延时封锁。其延时时间由C R 1决定，这里整定为ms 3。当输入出“1”变“0”时，电容C 的电荷要经过2R 和1BG 基射极回路放电，经一定延时后，1BG 截止，

2BG 导通，即输出由“1”延时变“0”。相应的整流桥脉冲延时开放。其延时时间由2CR 参数决定，这里整定为ms 10，这样就满足了“延时ms 3封锁”、“延时ms 10开放”的要求。 （4）逻辑保护

逻辑电路正常工作时，两个输出端总是一个高电位，一个低电位，确保任何时候两组整流一组导通，另一组则封锁。但是当逻辑电路本身发生故障，一旦两个输出端均出现低电位时，两组整流装置就会同时导通而造成短路事故。为了避免这种事故，设计有逻辑保护环节，如图3-8所示。

逻辑保护环节截取了逻辑运算电路经延时电路后的两个输入信号作为一个或非门

的输入信号。当正常工作时，两个输入信号总是一个是高电位，另一个是低电位。或非门输出总是低电位，它不影响脉冲封锁信号的正常输出，但一旦两个输入信号均为低电位时，它输出一个高电位，同时加到两个触发器上，将正反两组整流装置的触发脉冲全部封锁了，使系统停止工作，起到可靠的保护作用。

图3-8 逻辑保护装置结构图

由电平检测、逻辑运算电路、延时电路、逻辑保护四部分就构成了无环流逻辑装置。其结构如图3-9所示。

图3-9 无环流逻辑装置结构图

（5）、DLC的逻辑真值表

UT UI U

blf U blr

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

（二）系统主电路设计

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3-10 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。 2、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2E 与最大整流直流电压max d U 的关系是：

2max 34.2E U d = （3.1）

在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题，因此

min 2max cos 34.2βE U d = （3.2）

max

d U 应该等于电动机额定电压

ed

U 加上过载电流所产生的附加压降s

ed d R I I )(max -再加上晶闸管的管压降E ?，另外考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常还需要再增加%15(～%)20，因此

15.1(max =d U ～])()[2.1max E R I I U s ed d ed ?+-+ （3.3）

V ]9.02056.0)305305(220[15

.1?+?-+= V ]8.1220[15.1+= V 255=

∴

V

V U E d 12630cos 34.2255

cos 34.2min max 2=??==

β （3.4）

根据整流负载的要求，所需要的变压器： 副边线电压

V V E U 218126

732.1322=?== （3.5） 副边电流

A A I I d 249305816.0816.02=?== （3.6）

原边电流

A A E I E I 143220249

1261221=?== （3.7）

副边功率

K V A K V A I E I E P 942491263332211=??=== （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

KVA 62，Y

Y ，V U 380

1=，V U 2252=，A I 1001=，A I 1602=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：

d d VT I I I I 577.031

2==

= （3.10）

则晶闸管的额定电流为：

A A I I I d VT

AV VT 616.105287368.0368.057.1)(=?===

（3.11）

取1.5~2倍的安全裕量，A I AV VT 224~168)(=

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：

V U U U RM FM 26656.10845.245.22=?=== （3.12）

取2~3倍的安全裕量，V U VT 955~640= 故可选V A CT 8002003的可控硅整流元件 （三）触发电路 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dt di

的能力要求脉冲前