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逻辑无环流可逆直流调速系统


设计说明书

设 计 题 目

完 成 日 期







专 业 班 级

自动化 12 本







指 导 教 师

课程设计成绩评定
专 业 姓 名 教研室主任 指导教师评语: 自动化 班 学 级 号 自动化 12 本

指导教师

签字: 年 设计成绩: 月 日

签字: 年 月 日






言....................................................................1

一、 逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理.....................................2
(一)主电路及其原理图...........................................................2 (二)系统原理图各部件电路结构及原理.............................................3

二、无环流逻辑装置的组成 .................................................7 三、无环流逻辑装置的设计..................................................8 四、逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态、.............................11
(一) 、正向起动到稳定运转.......................................................11 (二) 、正向减速过程.............................................................11 (三) 、正转制动.................................................................12 (四) 、停车状态.................................................................13

五、 系统参数选择..........................................................13
(一) 、整流变压器额定参数的计算与选择...........................................13 (二) 、晶闸管和整流管的选择及计算...............................................14 (三) 、平波电抗器的电感量的选择及计算...........................................14 (四) 、闸管的保护装置及其计算...................................................15

六、总结.................................................................17 七、参考文献.............................................................18

设 计 用 纸
前 言

直流电动机具有良好的起制动性能,易于在广泛范围内平滑调速,在需要高性能可控电力拖动 的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,它是交流拖动控制 系统的基础,所以首先应该掌握直流系统。 从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系统,位置随动系统,张力 控制系统,多电动机同步控制系统等多种类型,而各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因而 调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中,常要求电动机既能正反转,又能快速制动, 需要四象限运行的特性,此时必须采用可逆调速系统。 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, 必须改变电动机电磁转矩的方向。改变电动机电磁转矩的方向有两种办法:一种是改变电动机电枢 电流的方向,实际是上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。与此对应, V-M 系统的可逆线路有两种方式,电枢反接线路和励磁反接可逆线路。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,节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。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 逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器,没有了附加的环流损耗,节省变压器和晶闸 管装置的附加设备容量。和有环流系统相比,因换流失败造成的事故率大为降低。 关键词:逻辑无环流;可逆直流调速系统;逻辑控制器

主回路方案的论述、比较及选择
生产控制过程中,当要为某生产机械制造一台晶闸管整流装置。首先要确定采用什么样的整流 电路,只有整流电路的形式确定后,才能根据负载来决定晶闸管、变压器、电抗器、熔断器等元件, 才能对触发电路提出移相范围、脉冲等技术要求,才能选择适当的保护元件。为此,我们的首要任 务是选择比较理想的主电路方案。 对于晶闸管可控整流电路而言,主要分单相和三相可控整流电路,其中,单相可控整流电路的 整流电压脉动大,脉动频率低,而且对三相电网电源而言,仅是其中的一相负载,就影响三相电网 的平衡运行,所以我们在设计中就不采用单相整流电路。 一般当负载容量较大(4KW 以上) ,或者要求直流电压脉动较小、易滤波或要求快速控制时, 应考虑采用三相可控整流电路,这是因为三相整流装置三相是平衡的,输出的直流电压和电流脉动 小,对电网影响小以及控制滞后时间短的缘故。三相整流的类型有很多,例如:三相半波、三相全 控桥式、三相半控桥式整流电路等。 此次设计采用的是在工业上广泛应用的三相桥式反并联整流电路。三相桥式全控整流电路的实 质是三相半波共阴极与共阳极组的串联。

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一、逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理
(一)主电路及其原理图 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 所示,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式同时进行,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。

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 2ACR 的给定信号 U i ,这样可使电流反馈信号
?

U i 经反号器 AR 作为

?

Ui

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。

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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 TA +U*n Ui + Un U*i ASR Ui 0 DLC U*i -1 A R U*i +Ui 2 ACR Ucr GTR 1 ACR Ucf GTF Ublf Ld Ublr M VR VF TA——交流互感器 TG——测速发电机 M——工作台电动机 AR——反号器

T G 图 2 逻辑无环流可逆调速系统原理框图 (二)系统原理图各部件电路结构及原理

1、给定
给定的原理图如图 1 所示。电压给定由两个电位器 RP1、RP2 及两个钮子开关 S1、S2 组成。 S1 为正、负极性切换开关,输出的正、负电压的大小分别由 RP1、RP2 来调节,其输出电压范围为 0~士 l5V,S2 为输出控制开关,打到“运行”侧,允许电压输出,打到“停止”侧,则输出为零。 按以下步骤拨动 S1、S2,可获得以下信号: (1)将 S2 打到“运行”侧,S1 打到“正给定”侧,调节 RP1 使给定输出一定的正电压,拨动 S2 到“停止”侧,此时可获得从正电压突跳到 0V 的阶跃信号,再拨动 S2 到“运行”侧,此时可 获得从 0V 突跳到正电压的阶跃信号。 (2)将 S2 打到“运行”侧,S1 打到“负给定”侧,调节 RP2 使给定输出一定的负电压,拨动 S2 到“停止”侧,此时可获得从负电压突跳到 0V 的阶跃信号,再拨动 S2 到“运行”侧,此时可 获得从 0V 突跳到负电压的阶跃信号。

图 1 电压给定原理图

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(3)将 S2 打到“运行”侧,拨动 S1,分别调节 RP1 和 RP2 使输出一定的正负电压,当 S1 从“正 给定”侧打到“负给定”侧,得到从正电压到负电压的跳变。当 S1 从“负给定”侧打到“正给定” 侧,得到从负电压到正电压的跳变。 元件 RP1、RP2、S1 及 S2 均安装在挂件的面板上,方便操作。此外由一只 3 位半的直流数字 电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地,特别是输出电压比较高的时候, 可能会将 RP1、RP2 损坏。

2、转速变换
转速变换用于有转速反馈的调速系统中,它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成 适用于控制单元的电压信号。图 2 为其原理图:

图 2 速度变换

使用时,将 DD03-2(或 DD03-3)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2” 。输入 电压经 R1 和 RP1 分压,调节电位器 RP1 可改变转速反馈系数。

3、速度调节器
速度调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算,使 其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原 理见图 3。 在图 3 中“1、2、3”端为信号输入端,二极管 VD1 和 VD2 起运放输入限幅,保护运放。二极 管 VD3、VD4 和电位器 RP1、RP2 组成正负限幅可调的限幅电路。由 C1、R3 组成微分反馈校正环 节,有助于抑制振荡,减少超调。R7、C5 组成速度环串联校正环节,其电阻、电容均从 DJK08 挂 件上获得。改变 R7 的阻值改变了系统的放大倍数,改变 C5 的电容值改变了系统的响应时间。RP3 为调零电位器。 电位器 RP1、 RP2、 RP3 均安装面板上。 电阻 R7、 电容 C1 和电容 C5 两端在面板上装有接线柱, 可根据需要外接电阻及电容。

图 3 速度调节器原理图

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4、反号器
反号器由运算放大器及有关电阻组成,用于调速系统中信号需要倒相的场合,如图 4。

图 4 反号器原理图

反号器的输入信号 U1 由运算放大器的反相输入端输入,故输出电压 U2 为: U2 = -(RP1+R3)/R1×U1 调节电位器 RP1 的滑动触点,改变 RP1 的阻值,使 RP1+R3=R1,则 U2 = -U1 输入与输出成倒相关系。电位器 RP1 装在面板上,调零电位器 RP2 装在内部线路板上(在出厂 前我们已经将运放调零,用户不需调零) 。

5、电流调节器
电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成, 工作原理基本上与速度调节器相同,其原理图如图 5 所示。电流调节器也可当作速度调节器使用。 元件 RP1、RP2、RP3 均装在面板上,电容 C1、电容 C7 和电阻 R13 的数值可根据需要,由外接电 阻、电容来改变。 电流调节器与速度调节器相比,增加了几个输入端,其中“3”端接推β 信号,当主电路输出 过流时,电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推β 信号(高电平)信号,击穿稳压管,正电压 信号输入运放的反向输入端,使调节器的输出电压下降,使α 角向 180 度方向移动,使晶闸管从整 流区移至逆变区,降低输出电压,保护主电路。 “5、7”端接逻辑控制器的

图 5 电流调节器原理

相应输出端,当有高电平输入时,击穿稳压管,三极管 V4、V5 导通,将相应的输入信号对地 短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端,其输入的值正好相反,如果两路输入都有效的 话,两个值正好抵消为零,这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻,只有一路 信号输入起作用,另一路信号接地不起作用。

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6、转矩极性鉴别
转矩极性鉴别为一电平检测器,用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成 的模数转换器,可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”“1”电平信号。 、 其原理图如图 6 所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图 8a 所示,具有继电特性。调节运放同 相输入端电位器 RP1 可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的 回环宽度为: Uk = Usr2 一 Usr1 = K1(Uscm2 一 Uscm1)式中,K1 为正反馈系数,K1 越大,则正反馈越强, 回环宽度就越小;Usr2 和 Usr1 分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压; Uscm1 和 Uscm2 分别为反

图 6 转矩极性鉴别原理图

向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取 0.2~0.6V,环宽大时能提高系统 抗干扰能力,但环太宽时会使系统动作迟钝。

图 7 零电平检测器原理

7、零电平检测
零电平检测器也是一个电平检测器,其工作原理与转矩极性鉴别器相同,在控制系统中进行零 电流检测,当输出主电路的电流接近零时,电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零,输出高 电平。其原理图和输入输出特性分别如图 7 和图 8b 所示。

(a)转矩极性检测

(b)零电平检测 图8 转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性

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二、无环流逻辑装置的组成
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 ~ 5ms 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 10 ms 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 2-1 所示。

图 2-1 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 U i 和零电流检测信号 U i 0 , 输出是控制正组晶闸管触发 脉冲封锁信号 U 1 和反组晶闸管触发脉冲封锁信号 U 2 。 软件逻辑控制切换程序流程图

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三、无环流逻辑装置的设计
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 置反映零电流信号的

U i* ,二是来自电流检测装

U i 0 ,他们都是连续变化的模拟量,而逻辑运算电路需要高、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 0V 输出)或“1”状态(将输入转换成近似为 ? 15V 输出) 。 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 3-1。

图 3-1 电平检测器原理图

电平检测器的输入输出特性如图 3-2 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 U r1 ? 100m V ,释放电压
U r 2 ? 80m V 。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 3-2 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 为低电位( “0”态) ,反转时

U i* ,其输出为 U T 。电机正转时 U i* 为负,U T

U i* 为正, U T 为高电位( “1”态) 。
U i0
, 其输出为 U I 。 有电流时

零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号

U i0

为正,

U U I 为高电位( “1”态) ,无电流时 i 0 为 0, U I 为低电位( “0”态) 。

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②逻辑运算
U 电路的输入是转速极性鉴别器的输出 U T 和零电流检测器输出 U I 。 系统在各种运行状态时, T

和 U I 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。 其逻辑运算电路,如图 3-3 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 3-3 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 3-3 中 “1”“0”所示。 、

图 3-4 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, U T 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( U 1 为“0” ,正组开放。 U 2 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 3-3 所示。或非门电路如图 3-4 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。

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图 3-5 延时电路

延时电路如图 3-5 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 BG1 ( 截止、 BG2 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 R1 充电,经一 定延时后, BG1 导通, BG2 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 R1C 决定, 这里整定为 3ms 。 当输入出“1”变“0”时, 电容 C 的电荷要经过 R2 和 BG1 基射极回路放电,经一定延时后, BG1 截止, BG2 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 CR2 参数决定,这里整定为 10 ms ,这样就满足了“延时 3ms 封 锁”、“延时 10 ms 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 3-6 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 3-6 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 3-7 所示。

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图 3-7 无环流逻辑装置结构图

四、逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态
(一) 、正向起动到稳定运转
当给出正向起动讯号, n 为正, 转速调节器 ASR 的输出 U i* 为负, 转矩极性鉴别器 DPT 输出 U T U* 的状态仍为“0”。在起动电流未建立以前,零电流检测器 DPZ 输出的状态也不变,仍为“0”,所 以逻辑装置输出仍封锁反向组脉冲,正向组开放。在给定电压的作用下,正向组触发器的脉冲控制 角 ? 由 90 ? 往前移动,正组整流装置 VF 的平均整流电压逐渐增加,电机开始正向起动,在起动过 程中由正组电流调节器 ACR1 的调节作用使起动电流维持最大允许值,得到恒加速起动。在起动电 流作用下,电动机一直加速到给定转速,进入稳定运行。当主回路电流建立后,通过电流检测装置 送给零电流检测器 DPZ 一个信号 U i 0 为正,这时 DPZ 的输出 U I 为“1”,但由于逻辑电路的记忆作 用,其输出状态不变,正向组开放,反向组封锁。电动机稳定运行,转速的高低取决于给定电压 U n 的大小,改变 U n 的大小,可以在一定范围内任意调速。
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(二) 、正向减速过程
正向减速时,则要突减给定电压 U n (其极性不变) ,系统便进入降速过程。本系统降速过程可 分为以下四个阶段: ①.本桥逆变阶段 由于 U n 极性不变,仅数值突然减小,而转速来不及改变,所以使得转速调节器 ASR 的输入偏 差为负,其输出 U i 立即变正,但电枢电流不为零,逻辑装置的输出不发生翻转。此时电流调节器 为负的最大值, ? min ? 30? ,使正向整流装置进入逆变状态。电枢电流 I d 减小,主回路电感通过处 于逆变状态的正组整流装置将能量回送电网。此过程一直进行到 I d 衰减到零,本桥逆变结束。 ②.第一次切换 当 I d 衰减到零,本桥逆变结束,零电流检测器输出 U I 从 1 态变为 0 态,经封锁延时 t dbl ,逻 辑装置的输出 U 1 从 0 态变为 1 态,封锁正组整流装置触发脉冲,再经开放延时 t dt ,U 2 由 1 态变为 0 态,开放反组晶闸管整流装置脉冲。但是,在 t dt 延时过程中,逻辑装置输出 U 1 已经变为 1 态, 而 U 2 还没有变为 0 态仍是 1 态,但由于推 ? 环节的 T 型滤波网络的惯性,可以将逆变状态保持一 小段时间,避免了换向时电流的冲击。
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③.他桥逆变阶段 经过 t dt 延时后,逻辑装置的输出 U 2 变为 0 态。此阶段电流调节器输出退出负限幅值,向正的 ,当反组的逆变电压小于电动机反电势后,建立反向组的逆变 U ctf 变化, ? 前移(向增大方向移) 电流。在反电势作用下,这个逆变电流上升到( ? I dm )后,电动机的转速 n 直线下降,反组整流 装置处于有效逆变状态,电动机处于发电制动状态,通过反组整流装置逆变将电机的机械能回馈到 电网,称此过程为它桥回馈制动。 待电动机转速下降到新的转速给定电压后, 转速调节器的输入偏差为正, 转速调节器的输出 U i* 退出限幅成为负值。由于此时电枢电流不为零,逻辑装置输出不翻转。这时电流调节器输出为负的 限幅值 U ctf ,则 ? min ? 30? ,反组整流装置输出逆变电压又变为最大值,使反组逆变电流减小,在 主回路电感两端产生感应电势,阻碍逆变电流减小。电感释放能量,维持反组继续逆变工作。此过 程仍为它桥逆变,其作用迫使逆变电流衰减到零。 ④.第二次切换 当反组逆变电流衰减到零后, 逻辑装置经 t dbl 延时,U 2 变为 1 态, 封锁反组脉冲, 再经 t dt 延时,

U 1 变为 0 态,开放正组脉冲。待电流调节器输出 U ctf 变为正值并且正组整流电压 U d1 ? E 后,建
立整流电流 I d 1 ,使正组整流装置又重新进入整流状态工作。电枢电流开始上升,待电流上升到负 载电流值并略有超调后,经系统调节作用,使系统重新稳定于正向低速度运行状态。

(三) 、正转制动
当给定停车命令后, U n ? 0 ,由于机械惯性,转速负反馈仍存在,在它的作用下,转速调节
*

器的输出 U i 由负变正。因此 DPT 输出 U T 由“0”变“1”,如图 4-1 所示。但是只要电流未衰减到 零,DPZ 输出 U I 仍为“1”。或非门 HF1、HF2 状态不变,逻辑装置总输出状态亦不变,仍维持正组 整流装置电流导通,只有当 DPZ 输出变为“0”即电流过零了,或非门 HF2 输出的状态才改变,由 “0”变为“1”,HF4 输出的状态由“1”变为“0”,致使 HF3 的输出由“0”变“1”。经延时电 路延时 3ms 后输出由“0”变“1”, 逻辑装置输出至正组触发器的脉冲封锁信号 U 1 由“0”经 t dbl 延 时后变“1”,即当电流过零后正组整流装置的脉冲经 t dbl 封锁延时后被封锁。在 HF4 输出的状态由 “1”变“0”后,经延时电路,延时 10ms 后输出由“1”变“0”,故它的输出由“1”变“0”时 延时 t dt ( 7 ms )逻辑装置输出至反组触发器的脉冲封锁信号 U 2 由“0”经 t dt 延时后变“1”,即当 电流过零后反组整流装置的脉冲经 t dt 开放延时后开放。 从制动过程来看大体可以分为两个阶段。制动的第一阶段是主回路电流过零以前,这是由于转 速调节器输出 U i 改变了极性,正组触发装置 GTF 的输入移相控制信号 U ctf 变负,而正组整流装置 仍然是导通的,故处于逆变状态。主回路电感很快衰减,释放能量,通过处于逆变状态的正组整流 装置将能量送回电网,这个过程称为“本桥逆变”过程。这个过程是很短的因为此刻
*

*

L

的。

di ? U df ? E ( E —电机的反电势, U df —正组整流装置的逆变电压) ,所以电流的衰减是很快 dt

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图 4-1 制动时的逻辑电路图

制动的第二阶段,也就是制动的主要阶段,是在切换到反组整流装置以后。当切换开始,由于 转速调节器的输出由负变正。 这个极性使 U 1 为正, 对正组整流装置是逆变状态 ? ? 90? ) 而使 U 2 ( 。 为负,对反组整流装置则是整流状态( ? ? 90? ) 。因此,刚切换过来反组整流装置开放时是处在整 流状态,其整流电压与电动机反电势同极性相串联,形成很大的制动电流,这电流通过电流调节器 的作用才把反组的触发脉冲推向 ? ? 90? 的逆变状态,而且维持电流为恒值,直到最后电机转速制 动到零为止。 同理,可分析反向时的各种运行状态。当反向起动的主令信号给出后,由于首先要完成逻辑切 换,解除反向组触发脉冲的封锁,因此反向起动要滞后一个延时时间。

(四) 、停车状态
* 停车时, 转速给定信号 U n ? 0 , 转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 的输出 U i* 和 U ct 均为零,

触发器 GT 输出的触发脉冲在 ? ? 90? 位置,变流装置输出整流电压为零,电动机处于停止状态。 此时,零电流检测器 DPZ 的输出 U I 为 0 态,但转矩极性鉴别器输出 U T 的状态却有两种可能:一 种是 U i* 由负变为零,则 U T 为 0 态;另一种是 U i* 由正变为零,则 U T 为 1 态。所以停车状态是正 组晶闸管有脉冲,还是反组晶闸管有脉冲,则视接通电源时, U T 的状态而定,或者是系统已经工 作了一段时间之后,则由停车前一时刻的状态而定。为方便以下分析,先假设停车时,U T 为 0 态,
U I 为 0 态,则 U 1 为 0 态, U 2 为 1 态,此时再正向起动,其逻辑装置不必进行切换;若是再反向

起动,逻辑装置输出就应切换,且有 t dbl ? t dt 的延时,才能反向起动,比正向起动拖长了约 10 ms 的 时间。

五、系统参数选择
本系统主电路为三相桥式反并联电路,被控电机额定电压 220V,对于本电路,采取了阻容保护, 非线性电路及过电流保护,现对电路中各元件参数选择做简要说明。

(一) 、整流变压器额定参数的计算与选择
在平均电压 Ud 和主电路形式一定的条件下,晶闸管交流侧的电源相电压有效值 U2 只能在一个 较小的范围内变化。因为电压 U2 选择过高,则晶闸管装置运行的控制角α 过大造成功率因数变坏, 无功功率增大。并在电源回路的电感上产生很大的电压降,但若电压 U2 过低,则有可能在晶闸管控 制角α =0 时仍达不到负载要求的电压额定值因而达不到负载要求的功率,在一般情况下,晶闸管装 置所要求的交流供电电压于电网电压往往不一致,另外,为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互

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设 计 用 纸
干扰,要求能够隔离,所以通常需配用整流变压器,整流变压器的一次相电压 U1 就是电网相电压,根 据本系统要求的整流电压 Ud=220V,及整流电流 Id=10A,在下面对整流变压器的额定参数,二次相电 压 U2、二次相电流 I2、一次相电流 I1、二次容量 S2、一次容量 S1 和平均容量 S 进行一些必要的 计算。 1、二次相电压 U2 的计算 U2=(1.2~1.5)U0/A=1.3×220/2.34=122V U0—电动机电枢额定电压 A— 系数 对于三相桥式,A=2.34 2、二次相电流 I2 和一次相电流 I1 I2=k2×Id I1=I2/k k=U1/U2 则 I2=0.816×17.2=14.04A I1=14.04/380/122=4.51A Id—电动机的额定电流 K2—电流的波形系数为 0.816 3、二次容量 S2、一次容量 S1 和平均计算容量 S S1=3U1I1= 3×220×4.51=5141.4VA S2=3U2I2= 3×122×14.04=5138.64VA S=(S1+S2)/2=5140.02VA

(二) 、晶闸管和整流管的选择及计算
1、整流器件的额定电压 UTN Um=61/2U2=299V UTN=(2~3)Um 取系数为 2.5 则可得 UTN=747V 2、整流器件的额定电流 IT(AV) IT(AV)=(1.5~2)kfbIdmax=1.8×0.368×17.2×1.5=14.7A 式中 kfb=0.368 Idmax=λ ×电动机的额定电流 λ —为过载倍数

(三) 、平波电抗器的电感量的选择及计算
在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使 用带有空气隙的铁芯电抗器,本节着重于电抗器的计算,电抗器的主要参数是:流过电抗器的电流和 电抗器的电感量。 1、使输出电流连续所需的电感量 当晶闸管的控制角α 较大,负载电流小到一定程度时,会出现输出电流不连续的现象,为保证电 流连续,电枢回路中应有的电感量: Ll=KlU2/Idmin = 0.693×122/(5%×17.2)=98.3mH Idmin—要求连续的最小负载电流平均值为 5%Inom Kl=0.693 2、平波电抗器电感的计算 LD—电动机的电枢电感 LD=KDUe/2PneIe×103=6×220/2×2×1500×17.2×103=12.8mH 式中 P—极对数(P=2) KD=8~12 (无补偿的电机)KD=5~6 (有补偿的电机) LB—变压器二次测每相的漏电感 LB=KBUk%×U2/100×Ie= 3.9×5/100×122/17.2=1.38mH Uk%—变压器的短路比, 对于 100KVA 以下的变压器 Uk%=5% KB=3.9 LP—平波电抗器的电感 LP=Ll-(LD+2LB)=98.3-(12.8+2×1.38)=82.74 mH

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设 计 用 纸
(四) 、闸管的保护装置及其计算
晶闸管虽然具备多种优点, 但是它承受过电流和过电压的能力较差。 为了使器件能长期的运行, 必须采用适当的保护装置。 1、过电压保护 凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压 Um 的都算过电压,其中一种为操作过电压是由 晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压,这些操作过程经常发生是不可避免 的,另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性浪涌电压,它可能比操作过电压更高, 采取过电压保护措施后,应使经常发生的操作过电压限制在额定电压 UTN 以下,而希望使偶然性的 浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压 Udsm 和 Ursm 以下。 ⑴交流侧过电压保护 阻容保护 在变压器二次并联电阻和电容,构成阻容保护电路。计算单相变压器交流侧过电压保护电容 C 和电阻 R 的公式:C≥6i0%S/U22,R≥2.3U22/S(UK%/i0%)1/2 其中:S—变压器每相平均计算容量 U2—变压器二次相电压有效值 i0%—变压器激磁电流 百分数,100KVA 以下 i0%=7 Uk%—变压器的短路比, 100KVA 以下 Uk%=5 由以上的公式可得:C≥6×7×5140.02/1222=14.5μ F R≥2.3×1222/5140.02×(5/7)1 /2=5.63Ω 变压器的接法 单 相 三相 二次侧 Y 接法 阻容装置的接法 与变压器次极并联 Y 接法 △接法 电容 C C C C/3 电阻 R R R 3R 则根据上表得到:电容=C/3=4.83μ F 电阻=3R=16.89Ω

阻容保护

压敏电阻保护 护装置只能把操作过电压一直在允许的范围内,因此在采用阻容保护的同时,可以设置非线性 电阻。它们接近于稳压管的伏安特性,能把浪涌电压一直在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取 它的额定电压 Ue : Ue≥ε /(8-9)×(压敏电阻承受的额定电压峰值)

压敏电阻保护

⑵直流侧过电压保护 直流侧也有发生过电压的可能,例如在快熔断时,平波电抗器所贮能量释放,可以造成过电压, 或是在雷击时,过电压到直流侧。因此,在直流侧也搭接了压敏电阻保护。 2、晶闸管关断过电压保护

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晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间等等差别。为 了使开关过程中的电压分配均匀,应对晶闸管并联电容 C。为了防止晶闸管导通瞬间,电容 C 对晶 闸管放电造成过大的 di/dt,还应在电容支路中串联电阻 R。这样就采用 RC 回路来进行抑制。 电容值 C=(2~5)×10-3×IT=4×10-3×14.7=0.06μ F 电容值 R=(1~3)(LB/C)2/1=2×(1.38/0.06)2/1=9.59Ω 式中: IT—器件的额定电流 B—变压器 每相的漏感

RC 回路 3.过电流保护 由于过载短路,晶闸管正向误导通和反向击穿,以及在逆变时换流失败等原因,都会产生过电 流。过电流的保护措施有数种,我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其原理图所 示:

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总 结

在完成自动控制系统理论学习之后,通过一个星期的时间完成本次的课程设计。我感觉收获颇 丰,让我对逻辑无欢流可逆直流调速系统有了更深入的了解。比如对于逻辑无环流主电路、控制电 路、保护电路等方面的知识有了更多的了解,并且能进行一些简单的实际运用。 通过本次课程设计,是我的实践动手能力、分析问题能力和解决问题的独立工作能力都有了进 一步的提高,还培养了我勇于探索、善于改革、严肃认真、实事求是的科学作风。 最后,在设计的完成之际,我要感谢我的指导老师以及我的小组的其他成员。是老师不辞辛苦 的给我们耐心的指导、是同学们之间的互相帮助才把设计中出现的问题一一解答,让我学到了很多 有用的专业知识。

六、参考文献
1.陈伯时 《电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第 3 版) 机械工业出版社 2003 》

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2.顾谷绳 《电机及拖动基础——第四版(上、下册) 机械工业出版社,2009 》 3.黄俊,王兆安.电力电子技术(第 4 版)机械工业出版社 2009 4.直流电机调速系统 5. 倪忠远 机械工业出版社, 1996 百度文库,网络 童福尧,机械工业出版社 2004 电力拖动自动控制系统设计—指导书 爱问共享资料,网络

6.逻辑无环流可逆控制系统设计 7.《电力拖动自动控制系统习题例题集》

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