逻辑无环流可逆调速系统

目录

1逻辑无环流可逆直流调速系统简介 ............................................................................ 1 2逻辑无环流直流调速系统参数和缓解特性的测定 (3)

2.1电枢回路电阻R 的测定 ................................................................................... 3 2.2主电路电磁时间常数的测定 ............................................................................ 5 2.3电动机电势常数e C 和转矩常数M C 的测定........................................................ 6 2.4系统机电时间常数Tm 的测定 ......................................................................... 7 2.5测速发电机特性)(n f U TG 的测定 .................................................................. 8 3驱动电路的设计 (10)

3.1电流调节器的设计 (10)

3.1.1电流调节器的原理图 ........................................................................... 10 3.1.2电流调节器的参数计算 ....................................................................... 11 3.2速度调节器的设计 .. (13)

3.2.1速度调节器的原理图 ........................................................................... 13 3.2.2速度调节器的参数计算 ....................................................................... 13 3.3触发电路的设计 .. (15)

3.3.1系统对触发器的要求 ........................................................................... 16 3.3.2 触发电路及其特点 .............................................................................. 16 3.3.3KJ004的工作原理 . (16)

4无环流逻辑控制器DLC 设计 ................................................................................... 19 5系统主电路设计 (20)

5.1主电路原理及说明 ......................................................................................... 20 5.2保护电路的设计 ............................................................................................ 21 总结 ........................................................................................................................... 22 参考文献 .. (23)

附录 (24)

1逻辑无环流可逆直流调速系统简介

许多生产机械要求电动机既能正转，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，称作环流。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，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*

U信

i 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*

U信号极

i

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。

这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。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，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连

续，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速﹑电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置GTF；2ACR调节反组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号*

U经反号器AR作为2ACR的给定信号*i U,这样

i

可使电流反馈信号

U的极性在正﹑反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检i

测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC，这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。

逻辑无环流可逆调速直流系统主要分为三部分：主电路和稳压电源，驱动电路，逻辑无环流控制器。系统原理图如图1.1。

图1.1 逻辑无环流可逆调速系统原理图

ASR——速度调节器

ACR1﹑ACR2——正﹑反组电流调节器

GTF、GTR——正反组整流装置

VF、VR——正反组整流桥

DLC——无环流逻辑控制器

HX——推β装置

TA ——交流互感器 TG ——测速发电机 M ——工作台电动机 LB ——电流变换器 AR ——反号器 GL ——过流保护环节

2逻辑无环流直流调速系统参数和缓解特性的测定

2.1电枢回路电阻R 的测定

电枢回路的总电阻R 包括电机的电枢电阻Ra ，平波电抗器的直流电阻RL 和整流装置的阻Rn ，即R=Ra+RL+Rn

为测出晶闸管整流装置的电源阻，可采用福安比较法来测定电阻。将变压器RP （可采用两只900Ω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α=150°。

合上主电路电源开关。调节Ug 使整流装置输出电压Ud=110V ，然后调整RP 使电枢电流为0.88A ，读取电流表A 和电压表V 的数值为1I ，1U ，则此时整流装置的理想空载电压为

11U R I U do +=

调节RP ，使电流表A 的读数为0.44A 。在Ud 不变的条件下读取A,V 表数值，则

21U R I U do +=

求解两式，可得电枢回路总电阻

)/()(2112I I U U R --=

如把电机的电枢两端短接，重复上述实验，可得

)/()('

2'1'1'2I I U U R R n L --=+

则电机的电枢电阻为

)(n L a R R R R +-=

同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器之久电阻RL 。 测试结果：当示波器显示如图2.1时，开始测定参数。

图2.1

?=150α

表2.1电枢回路总电阻测试

V U / 79 62 A I /

0.44

0.88

据公式)/()(2112表2.2 平波电抗器的直流电阻RL 与整流装置的阻Rn 之和测试

V U /' 82 91 A I /'

0.88

0.44

2112

I I U U R R n L --=+得，Ω≈--=+45.20)44.088.0/()8291(n L R R 表2.3整流装置的阻Rn 与电枢电阻Ra 之和测试

V U /'' 71 85 A I /''

0.88

0.44

2112

I I U U R R n a --=+得，Ω≈--=+82.31)44.088.0/()7185(n a R R 所以可得：电枢回路总电阻 R ≈38.64Ω 整流装置的阻Rn ≈13.63Ω

电枢电阻Ra ≈18.19Ω

平波电抗器的直流电阻RL ≈6.82Ω

2.2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 )1(/Td t d d e I i --=

其电流变化曲线如图2.1所示。当t =Td 时，有 d d d I e I i 632.0)1(1=-=- 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(50~90)%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2.2 电流变化曲线

测定结果如图2.3

图2.3主电路电磁时间常数的测定

由图2.3可知，电磁时间常数ms T d 2.5= 三相桥式整流电路L=0.693

m in

2d I u =0.693

=??1

.01.13220796.74mH 取L=0.80H

l

T =

R L =64

.3880.0=0.02s 2.3电动机电势常数e C 和转矩常数M C 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Ce

)/()(1212n n U U K C d d e e --==φ

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

e M C C 55.9=

由实验测得两组数据

表2.4 电动机电势常数e C 的测定

Ud/V 177 147

1212d d e e m in)//(15.0)10001200/()147177(r V K C e e =--==φ

A m N C M /.43.115.055.9≈?=

2.4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

M CeL R GD Tm 375/)(2?=

由于Tm>>Td ，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

Ud TmS K n ?+=)1/(

当电枢突加给定电压时，转速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。

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2.4所示：

由实验测得：Tm=37ms

图2.4 系统机电时间常数Tm 的测定

2.5测速发电机特性)(n f U TG =的测定

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 ，的数值若干组，即可描绘出特性曲线U TG =f(n)。晶闸管整流装置放大倍数C

d

s U U K ??=。实验结果如表2.5

表2.5测速发电机特性

)

(n f U TG =的测定

n （r/min ） 1000 1100 1200 1300 1400 Uct （V ） 6.89 7.63 8.30 8.99 9.68 UCT (V)

1.07

1．20 1.36 1.55 1.76 Ud(V) 152.50 166.51

180.28

194.83

209.34

分析可知 取Ks ≈20

3驱动电路的设计

由晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，由第二章测的，基本数据如下：

直流电动机：220V, 185W, 1.1A, 1600r/min ； 晶闸管装置放大系数：Ks ≈20

电枢回路总电阻：R=24.35Ω； 时间常数：Td=21ms ，Tm=49ms ； 电流反馈系数：A V I V N /06.65.1/10≈≈β 转速反馈系数：r V r V N V n min/0063.0min/1600

10

10?≈?=≈

α 设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量%5=i σ；设计转速调节器，要求转速超调量%10=n σ

3.1电流调节器的设计

3.1.1电流调节器的原理图

如图3.1

图3.1 电流调节器原理图

3.1.2电流调节器的参数计算 1.确定时间常数

1）整流装置滞后常数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时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms ，因此取Toi=2ms=0.002s 。 3）电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取0.0037i s oi T T T s

∑=+=

2选择电流调节器结构

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的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为：

(1)

()i i ACR i K s W s s

ττ+=

检查对电流电压的抗扰性能：

68.50037

.0021

.0==∑i d T T ，参照附录表1的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 3.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：s T d i 021.0==τ。

电流环开环增益：要求%5=i σ时，按照附录表2，应取5.0=∑i I T K ，因此

11.1350037

.05

.0-==

s K I

于是，ACR 的比例系数为

60.006

.62035

.24021.01.135=???==

βτS i I I K R K K 4.校验近似条件

电流环截止频率：11.135-==s K w I ci

⑴ 晶闸管整流装置传递函数的近似条件

ci s w s s

T >=

?=-11.1960017.03131 满足近似条件。

⑵ 忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件

ci d m w s T T <=??=-152.93049

.0021.01

313

满足近似条件。

⑶ 电流环小时间常数近似处理条件

ci oi s w s s

T T >=?=-18.180002.00017.01

31131

满足近似条件。 5计算调节器电阻和电容

如图3.2，按所用运算放大器取Ω=k R 400，各电阻和电容值为

图3.2 PI 型电流调节器

i i 0

R K R =

i i i

R C τ=

oi 0oi 1

4T R C =

Ω=Ω?==k k R K R i i 244060.00，取Ωk 24

F F R C i

i

i μτ88.01024021

.03

=?=

=

,取F μ90.0

F F F R T C oi oi μ2.0102.010

40002.0446

30=?=??==

-,取F μ2.0

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4<=i σ，满足设计要求。

3.2速度调节器的设计

3.2.1速度调节器的原理图

原理图如图3.3

图3.3 电流调节器原理图

3.2.2速度调节器的参数计算 1.确定时间常数 1）电流环等效时间常数

1/I

K :有前面的计算可得

1

220.00370.0074i I

T s s K ∑==?=

2）转速滤波时间常数 on T ：有条件可知01.0=on T s 3）转速环时间常数 n T ∑：按小时间常数近似处理，取

0174.001.00074.01

=+=+=∑s T K T on I

n s 2. 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数表达式为

(1)()n n ASR s K s W s s ττ+=

3. 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取 5h =,则ASR 的超前时间常数为

s hT

n

n 087.00174.05=?=∑=τ

转速开环增益N

K

1

2222

35.3960174.0521521-=??+=∑

+=

s T h h K n

N ASR 的比例系数N K

01.100174

.035.240063.052049

.015.006.662)1(=???????=+=

∑N m e n RT h T C h K αβ

4.检验近似条件 由公式

1c

K ωω= 可得转速环截止频率为

1

11

48.34087.035.396--=?===

s s K K n n n

cn τωω

（1）电流环传递函数简化条件为

1

163.695cn

s ω--==>

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

cn

on I s T K ω>==-74.3801

.01.13531311

均满足近似要求。

5.计算调节器电阻和电容 根据图3.4，取0R =40K Ω

图3.4 PI 转速调节器

n n n R C τ=，

on 0on 1

4

T R C =

，n 0n R K R =

Ω=Ω?==k k R K R n n 4.4004001.100，取Ωk 400

F F F R C n

n

n μτ22.01022.010

400087.06

3

=?=?=

=

-,取F μ2.0 F F F R T C on on μ110110

4001.0446

30=?=??==

-.取F μ1 6.校核转速超调量

当 5h = 时，由附录表3得，37.6%n σ=，不能满足设计 10%n σ≤ 的要求。实际上，由于表3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况计算超调量。

下面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算： 设理想空载启动时 0z =，

max

81.2%b

C C ?= ， 带入

max max **(

)2()()n

b N n b b m

T

C n C n z C n C n T σλ∑????==-

可得 %10%65.9049

.00174.0160015.035

.241.15.1%2.812<=???

??=n σ，可以满足设计要求。 3.3触发电路的设计

3.3.1系统对触发器的要求

1）为保证较宽的调速围和可逆运行，要求触发脉冲能够在180°围移向。 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)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 β 和min α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。这种线路的优点是线路简单，调整容易。理论上移相围可达180°，实际上由于正弦波顶部平坦移相围只能有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k U 与可控硅整流电压0d U 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k U 不变时，控制角α也随电源电压的波动而波动，而可控硅整流电压

αcos max 00d d U U =，max do U 随电源电压增高而增高，而αcos 则随电源电压的增高而减小，

故0d U 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°。

根据系统性能要求，采用集成触发器。集成触发器具有可靠性高、技术性能好、体积小、能耗低、调试方便等优点。采用KJ004。它可分为同步、锯齿波形成、移向、脉冲形成、脉冲分选和脉冲放大几个环节。只需用三个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，即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。 3.3.3KJ004的工作原理

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。电原理如图3.5：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。

图3.5 KJ004原理图

电路采用双列直插C—16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》SJll00—76。芯片封装形式如图3.6，引脚功能如表3.1。

图3.6 KJ004封装形式表3.1 引脚功能说明

功能输

出

空

锯齿波

形成

-Vee

(1kΩ)

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 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 触发电路原理图如图3.7。