逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究——保护电路

摘要

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。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。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。

关键词：逻辑无环流；可逆直流调速系统；DLC；保护电路；触发电路。

目录

1 绪论 (2)

1.1 无环流调速系统简介 (2)

1.2系统设计 (4)

2系统主电路设计 (5)

3 调节器的设计 (6)

3.1电流调节器的设计 (6)

3.2速度调节器的设计 (7)

4 DLC设计 (8)

5触发电路设计 (9)

6保护电路设计 (11)

6.1 过电流保护 (11)

6.2过电压保护 (13)

总结 (15)

参考文献 (16)

附录一 (17)

附录二 (22)

1 绪论

1.1 无环流调速系统简介

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i

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

i

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。

下图为逻辑无环流可逆调速系统原理图。

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 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

1.2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。

2系统主电路设计

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:

图2-1 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。

3 调节器的设计3.1电流调节器的设计

图3-1 电流调节器

3.2速度调节器的设计

图3-3 速度调节器

4 DLC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。

图4.1 无环流逻辑控制环节DLC

5触发电路设计

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°。

图5.1 同步信号为正弦波的触发电路原理图

触发器采用内双窄脉冲（由3BG ﹑4BG 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dt di 的能力，脉冲带有强触发，强触发脉冲的幅值为400～600mA 。脉冲波形如图4-3所示。

触发器还设计有min α和min β保护，保证系统逆变时可靠工作，不致逆变颠覆，取?=30min β，由于采用逻辑无环流系统，不要求min min βα=，取?=10min α。

触发器共有五部分组成：脉冲形成和放大环节，脉冲移相环节，同步环节，双脉冲环节和强触发环节。

脉冲移相环节 当1BG 管从导通到截止（即2BG 管由截止到导通）的瞬间产生脉冲。把一个直流控制信号电压K U 和一个交流正弦波同步电压同u 同时输入到1BG 管的基极1b 点，当

0=K U 时，1b 点电位完全由同u 决定，同u 为负半波时，1b 点电位小于0，1BG 导通，同u 为正半波时，1b 点电位大于0，1BG 截止。同u 由负变正的瞬间就是输出脉冲的瞬间。

图5-2 脉冲波形图

一般当然希望在控制电压0=K U 时整流电压输出为0，对三相整流电路电感性负载或电动机负载电流连续时，?=90α，则整流电压0=d U 。这就要求0=K U 时的脉冲相位应对应于主回路?=90α的位置，也就要求同步电压的正弦波由负半波到正半波的过0点在?=90α处，在

位于0的瞬时是在同u 瞬时值为负值时出现，因此0>K U 的线图中反而画到横坐标下面了，

这时脉冲相位相对于0=K U 时是前移了，即?<90α，整流电路工作在整流状态。反之，090α，整流电路工作在逆变状态。这种把同步电压相位固定，而利用交直流叠加进行移相控制的方法，称为正弦波移相的“垂直控制”，实质上它就是使

同峰值u U K =max ，当K U 由正的最大值到负的最大值之间变化时，与同u 得到不同的交点，这个交点的相位理论上说可以有180°的变化，也就是脉冲信号可以在0～180°范围内移相。在实际工作中，当K U 较大时，与正弦同步电压相交在正弦波的峰值附近，正弦电压变化较慢，1BG 的开关过程不干脆，2BG 的导通过程也较慢，为此，由2BG 的集电极到1BG 的基极接上一个180K 电阻形成正反馈，使2BG 刚开始导通就加速1BG 的截止，也就反过来加速了2BG 的导通，这样输出脉冲前沿就比较陡。在这里移相信号就是同步电压，采用同一个正弦波。

整流装置为防止脉冲丢失引起工作不正常，要求有min α限制。对可逆传动，整流装置需要工作在逆变状态，为防止逆变颠覆还要求有min β限制。本系统采用无环流控制系统，不要求

βα=的配合控制，故取?=10min α，?=30min β。min α﹑min β的限制在图4-12所示的触发电路

中是采用在同步电压正弦波上叠加安全正弦波的措施实现的。从同步变压器的另外两个绕组上取两个电压，其中一个经R-Cl 滤波通过二极管取其负半波作为min α限制，记作αu ，另一个电压经R-C 浸波通过二极管取其正半波作为min β限制，记作βu ，如图4-5所示

图5-3αu 、βu 的波形图

6保护电路设计

6.1 过电流保护

由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控

硅。系统采用了三种过流保护措施：① 电流调节器限流，电流整定值为250A ，② 过流保护环节，整定值为350A ，③ 快速熔断器；对直流回路和每个可控硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。它可以在冲击电流很大，冲击时间又很短的情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便

图6.1电流检测装置

过流保护环节的电路如图 4-20所示。在系统正常工作时，电流检测装置输出电压小于14V （相当于主回路电流350A ），稳压管DW 不导通。BG1截止，继电器0J 释放，BG2导通，BG3截止，发射极输出零电位，不影响正反组晶闸管整流装置的正常工作。当主回路电流超过350A 时，电流检测装置输出大于14V ，稳压管DW 被雪崩击穿，BG1导通，BG2截止，BG3导通，发射极输出高电位+15V ，同时封锁正反两组触发器的脉冲。当BG1导通时继电器0J 得电吸合。一方面自锁，另一方面使继电器1J 得电吸合，1J 在交流侧线路接触器S-B 线圈中的常闭触头打开，使S-B 跳闸，切断主回路交流电源。改变电阻1R 和2R 数值或选择不同稳压值的稳压管DW 即可整定不同的跳闸电流。

图6.2过流保护环节

6.2过电压保护

开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器所组成的保护电路如图3所示。

图6.3 输入过电压保护

在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管V导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。其中稳压管的稳压值Vz=ESrmax－UBE。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。

输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5V的开关稳压器来说,它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时,开关稳压器的开关三极管突然损坏,输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值,瞬时造成很大的损失。常用的方法是晶闸管短路保护。最简单的过电压保电路如图4所示。

图6.4 简单的输出过电压保护

当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路,造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为5～10μs。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。图6.5是改后的电路。其中R1、R2是取样电路，Vz是基准电压。

图6.5 输出过电压保护

输出电压Esc突然升高，晶体管V1、V2导通，晶闸管就导通。基准电压Vz由式Esc=(R1＋R2)(Vz＋UBEI)/R1 ，来确定，UBE1为V1的发射结（BE）电压降。本电路的动作电压可变，并且动作点相当稳定。当稳压管为7V时，其温度系数和晶体管V1的发射结（BE）电压的温度系数可以抵消，能使温度系数降得很低。但是对于输出为5～5.5V的直流开关稳压器来说，其常用的动作电压是5.5～6V。那么稳压管电压必在3.5V以下，此电压附近的稳压管的温度变化系数是－20～－30mV/℃。因此,温度变化大的场合保护电路还会发生误动作。采用集成电路电压比较器来检测开关稳压器的输出电压，是目前较为常用的方法，利用比较器的输出状态的改变跟相应的逻辑电路配合，构成过电压保护电路，

总结

我们将课程设计分为主电路设计，触发电路设计，保护电路设计，及DLC设计，调节器设计。主电路设计部分主要是设计了主电路，选择主电路参数，触发电路部分是利用数字集成电路进行触发器设计，调节器部分分为转速调节器和电流调节器，根据直流调速系统的工程设计方法进行设计，保护电路部分分为过压保护和过流保护。

本次课程设计的数据均是实验测得的数据，所以比较可靠，我们也按要求完成了课程设计的各部分内容。

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>王兆安,黄俊.《电力电子技术》,北京,机械工业出版社,2007.7

<3> 康华光.《电子技术基础》,北京,高等教育出版社,2006.01

<4> 付文.电力拖动自动控制系统实验指导书.

<5> 杨松才.电力拖动自动控制系统图集

附录一

参数设置（晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验）

一．实验目的

1．了解电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。

2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。

3．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。

二．实验内容

1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R

2．测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td

3．测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM

4．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM

5．测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f (Uct)

6．测定测速发电机特性UTG=f (n)

三．实验系统组成和工作原理

晶闸管直流调速系统由晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

四．实验设备及仪器

1．MCL—32电源控制屏

2．MCL—31低压控制电路及仪表

3．MCL—33触发电路及晶闸管主电路

4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）

5．MEL—03三相可调电阻器

6．双踪示波器

7．万用表

8．直流电动机M03、直流发电机MO1

五．注意事项

1．由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。

2．为防止电枢过大电流冲击，每次增加Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。

3．电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。

六．实验方法

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和整流装置的内阻Rn，即R=Ra+RL+Rn

为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图A1所示。

图A1.1 电枢回路电阻R的测定

将变阻器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U ct=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=（30~70）%Unom（可为110V），然后调整RP使电枢电流分别为（80~90）%Inom和40%Inom，在Ud不变的条件下读取A，V表数值I1、I2，U1、U2。

表A1.1

U(V) 73 89

I(A) 0.9 0.5

可得电枢回路总电阻R=(U2-U1)/(I1-I2)=40.0Ω

如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得

表A1.2

U(V) 92 101

I(A) 0.9 0.5

RL+Rn=(U’2-U’1)/(I’1-I’2)=22.5Ω

则电机的电枢电阻为

Ra=R -（RL+Rn ）=17.5Ω

短接电抗器两端，重复上述实验，可得电抗器直流电阻RL 。

表A1.3

U(V) 73 89 I(A)

0.9

0.5

RL=R -（Ra+Rn ）=40.0Ω-32.5Ω=7.5Ω

2．主电路电磁时间常数的测定

图A1.2 主电路电磁时间常数的测定

实验线路如图A2所示。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2.5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 。