1、目錄1邏輯無環流可逆直流調速系統簡介12邏輯無環流直流調速系統參數和緩解特性的測定32.1電樞回路電阻R的測定32.2主電路電磁時間常數的測定42.3電動機電勢常數和轉矩常數的測定62.4系統機電時間常數Tm的測定62.5測速發電機特性的測定73驅動電路的設計93.1電流調節器的設計93.1.1電流調節器的原理圖93.1.2電流調節器的參數計算103.2速度調節器的設計113.2.1速度調節器的原理圖113.2.2速度調節器的參數計算123.3觸發電路的設計143.3.1系統對觸發器的要求143.3.2 觸發電路及其特點143.3.3KJ004的工作原理154無環流邏輯控制器DLC設計185系

2、統主電路設計195.1主電路原理及說明195.2保護電路的設計19總結21參考文獻22附錄23I / 271邏輯無環流可逆直流調速系統簡介許多生產機械要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就需要電力拖動系統具有四象限運行的特性，也就是需要可逆的調速系統。采用兩組晶閘管反并聯的可逆調速系統解決了電動機的正、反轉運行和回饋制動問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環流。這樣的環流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。換流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除有環流可逆系統雖然具有反向快

3、、過渡平滑等優點，但設置幾個環流電抗器終究是個累贅。因此，當工藝過程對系統過度特性的平滑性要求不高時，特別是對于大容量的系統，常采用既沒有直流平均環流又沒有瞬時脈動環流的無環流可逆系統。無環流可逆調速系統可按實現無環流原理的不同而分為兩大類：邏輯無環流系統和錯位控制無環流系統。而錯位無環流系統在目前的生產中應用很少，邏輯無環流系統目前生產中應用最為廣泛的可逆系統，當一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發脈沖，使它完全處于阻斷狀態，確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環流的通路，這就是邏輯控制的無環流可逆系統，組成邏輯無環流可逆系統的思路是：任何時候只觸發一組整流橋，另一組整流橋

4、封鎖，完全杜絕了產生環流的可能。至于選擇哪一組工作，就看電動機組需要的轉矩方向。若需正向電動，應觸發正組橋；若需反向電動，就應觸發反組橋，可見，觸發的選擇應決定于電動機轉矩的極性，在恒磁通下，就決定于信號。同時還要考慮什么時候封鎖原來工作橋的問題，這要看工作橋又沒有電流存在，有電流時不應封鎖，否則，開放另一組橋時容易造成二橋短路。可見，只要用信號極性和電流“有”、“無”信號可以判定應封鎖哪一組橋，開放哪一組橋。基于這種邏輯判斷電路的“指揮”下工作的可逆系統稱邏輯無環流可逆系統。這種邏輯無環流系統有一個轉速調節器ASR，一個反號器AR，采用雙電流調節器1ACR和2ACR，雙觸發裝置GTF和GTR

5、結構。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯線路，由于沒有環流，不用再設置環流電抗器，但是為了保證穩定運行時的電流波形的連續，仍應保留平波電抗器，控制線路采用典型的轉速電流雙閉環系統，1ACR用來調節正組橋電流，其輸出控制正組觸發裝置GTF；2ACR調節反組橋電流，其輸出控制反組觸發裝置GTR，1ACR的給定信號經反號器AR作為2ACR的給定信號,這樣可使電流反饋信號的極性在正反轉時都不必改變，從而可采用不反映極性的電流檢測器，在邏輯無環流系統中設置的無環流邏輯控制器DLC，這是系統中關鍵部件。它按照系統的工作狀態，指揮系統進行自動切換，或者允許正組觸發裝置發出觸發脈沖而封鎖反組，或者允許反組觸發裝置

6、發出觸發脈沖而封鎖正組。在任何情況下，決不允許兩組晶閘管同時開放，確保主電路沒有產生環流的可能。邏輯無環流可逆調速直流系統主要分為三部分：主電路和穩壓電源，驅動電路，邏輯無環流控制器。系統原理圖如圖1.1。圖1.1 邏輯無環流可逆調速系統原理圖ASR速度調節器ACR1ACR2正反組電流調節器GTF、GTR正反組整流裝置VF、VR正反組整流橋DLC無環流邏輯控制器HX推裝置TA交流互感器TG測速發電機M工作臺電動機LB電流變換器AR反號器GL過流保護環節2邏輯無環流直流調速系統參數和緩解特性的測定2.1電樞回路電阻R的測定電樞回路的總電阻R包括電機的電樞電阻Ra，平波電抗器的直流電阻RL和整流裝

7、置的內阻Rn，即R=Ra+RL+Rn為測出晶閘管整流裝置的電源內阻，可采用福安比較法來測定電阻。將變壓器RP（可采用兩只900電阻并聯）接入被測系統的主電路，并調節電阻負載至最大。測試時電動機不加勵磁，并使電機堵轉。MCL-31的給定電位器RP1逆時針調到底，使Uct=0。調節偏移電壓電位器RP2，使=150°。合上主電路電源開關。調節Ug使整流裝置輸出電壓Ud=110V，然后調整RP使電樞電流為0.88A，讀取電流表A和電壓表V的數值為，則此時整流裝置的理想空載電壓為調節RP，使電流表A的讀數為0.44A。在Ud不變的條件下讀取A,V表數值，則求解兩式，可得電樞回路總電阻如把電機的

8、電樞兩端短接，重復上述實驗，可得則電機的電樞電阻為同樣，短接電抗器兩端，也可測得電抗器之久電阻RL。測試結果：當示波器顯示如圖2.1時，開始測定參數。圖2.1 表2.1電樞回路總電阻測試79620.440.88據公式得，表2.2 平波電抗器的直流電阻RL與整流裝置的內阻Rn之和測試82910.880.44據公式得，表2.3整流裝置的內阻Rn與電樞電阻Ra之和測試71850.880.44據公式得，所以可得：電樞回路總電阻 R38.64 整流裝置的內阻Rn13.63 電樞電阻Ra18.19 平波電抗器的直流電阻RL6.822.2主電路電磁時間常數的測定采用電流波形法測定電樞回路電磁時間常數Td，電

9、樞回路突加給定電壓時，電流id按指數規律上升 其電流變化曲線如圖2.1所示。當t =Td時，有 MCL-31的給定電位器RP1逆時針調到底，使Uct=0。合上主電路電源開關。電機不加勵磁。調節Uct，監視電流表的讀數，使電機電樞電流為(5090)%Inom。然后保持Uct不變，突然合上主電路開關，用示波器拍攝id=f(t)的波形，由波形圖上測量出當電流上升至63.2%穩定值時的時間，即為電樞回路的電磁時間常數Td。圖2.2 電流變化曲線測定結果如圖2.3圖2.3主電路電磁時間常數的測定由圖2.3可知，電磁時間常數三相橋式整流電路L=0.693=0.693796.74mH 取L=0.80H=0.

10、02s2.3電動機電勢常數和轉矩常數的測定將電動機加額定勵磁，使之空載運行，改變電樞電壓Ud，測得相應的n，即可由下式算出CeCe的單位為V/(r/min)轉矩常數(額定磁通時)CM的單位為N.m/A，可由Ce求出由實驗測得兩組數據表2.4 電動機電勢常數的測定Ud/V177147n/(rad/s)12001000由公式得，2.4系統機電時間常數Tm的測定系統的機電時間常數可由下式計算 由于Tm>>Td，也可以近似地把系統看成是一階慣性環節，即 當電樞突加給定電壓時，轉速n將按指數規律上升，當n到達63.2%穩態值時，所經過的時間即為拖動系統的機電時間常數。測試時電樞回路中附加電阻

11、應全部切除。MCL31的給定電位器RP1逆時針調到底，使Uct=0。合上主電路電源開關。電動機M加額定勵磁。調節Uct，將電機空載起動至穩定轉速1000r/min。然后保持Uct不變，斷開主電路開關，待電機完全停止后，突然合上主電路開關，給電樞加電壓，用示波器拍攝過渡過程曲線，即可由此確定機電時間常數。實測曲線如圖2.4所示：由實驗測得：Tm=37ms圖2.4 系統機電時間常數Tm的測定2.5測速發電機特性的測定電動機加額定勵磁，逐漸增加觸發電路的控制電壓Uct，分別讀取對應的UTG，的數值若干組，即可描繪出特性曲線UTG=f(n)。晶閘管整流裝置放大倍數。實驗結果如表2.5表2.5測速發電機

12、特性的測定n（r/min）10001100120013001400Uct（V）6.897.638.308.999.68UCT (V)1.071201.361.551.76Ud(V)152.50166.51180.28194.83209.34分析可知 取Ks203驅動電路的設計由晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，由第二章測的，基本數據如下：直流電動機：220V, 185W, 1.1A, 1600r/min；晶閘管裝置放大系數：Ks20電樞回路總電阻：R=24.35；時間常數：Td=21ms，Tm=49ms；電流反饋系數：轉速反饋系數：設計要求：設計電流調節器，要求電流超調

13、量；設計轉速調節器，要求轉速超調量3.1電流調節器的設計3.1.1電流調節器的原理圖如圖3.1圖3.1 電流調節器原理圖3.1.2電流調節器的參數計算1.確定時間常數1）整流裝置滯后常數Ts。三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。2）電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路每個波頭時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3）電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取2選擇電流調節器結構根據設計要求，并保證穩態電流無差，可按典型型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可用 型電流調節器，其傳遞函數為：檢查對電

14、流電壓的抗擾性能：，參照附錄表1的典型型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3.計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：。電流環開環增益：要求時，按照附錄表2，應取，因此于是，ACR的比例系數為4.校驗近似條件電流環截止頻率： 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環動態影像的條件滿足近似條件。 電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件。5計算調節器電阻和電容如圖3.2，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為圖3.2 PI型電流調節器 ，取,取,取按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為，滿足設計要求。3.2速度調節器的設計3.2.1速度調節器的原

15、理圖原理圖如圖3.3圖3.3 電流調節器原理圖3.2.2速度調節器的參數計算1.確定時間常數1）電流環等效時間常數:有前面的計算可得 2）轉速濾波時間常數 ：有條件可知s3）轉速環時間常數 ：按小時間常數近似處理，取s2. 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數表達式為 3. 計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取 ,則ASR的超前時間常數為轉速開環增益ASR的比例系數 4.檢驗近似條件由公式 可得轉速環截止頻率為（1）電流環傳遞函數簡化條件為（2）轉速環小時間常數近似處理條件為均滿足近似要求。5.計算調節器電阻和電容根據圖3.4，取=40K圖3.4 PI轉速

16、調節器， ，取,取.取6.校核轉速超調量當 時，由附錄表3得，不能滿足設計 的要求。實際上，由于表3是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況計算超調量。下面對轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算：設理想空載啟動時 ， ， 帶入 可得 ，可以滿足設計要求。3.3觸發電路的設計3.3.1系統對觸發器的要求1）為保證較寬的調速范圍和可逆運行，要求觸發脈沖能夠在180°范圍內移向。2) 對于三相全控橋式整流電路，為了保證可控硅可靠換流，要求觸發脈沖寬度大于60°，或者用雙窄脈沖。3)對可逆系統，為了防止逆變顛覆和提高工作的可靠性

17、，觸發脈沖需要有和限制。3.3.2 觸發電路及其特點根據對觸發器的上述要求，選用同步信號為正弦波的晶體管觸發電路。這種線路的優點是線路簡單，調整容易。理論上移相范圍可達180°，實際上由于正弦波頂部平坦移相范圍只能有150°左右。移相的線性度就觸發器本身來說較差，如把觸發器和可控硅看成一個整體則由于相互補償關系，它的線性度則較好，即控制電壓與可控硅整流電壓的控制特性是接近線性的，由于作同步信號的正弦波電壓隨電源電壓的波動而波動，當不變時，控制角也隨電源電壓的波動而波動，而可控硅整流電壓，隨電源電壓增高而增高，而則隨電源電壓的增高而減小，故可維持近于不變。但當電源電壓降得太低

18、時，同步電壓和控制電壓可能沒有交點，觸發器不能產生觸發脈沖，致使可控硅工作混亂，造成事故，所以這種觸發器不宜用于電網電壓波動很大的場合，此外，正弦波觸發器容易受電源電壓波形畸變的影響，因此同步電壓輸入信號必須加RC濾波器，移相角度一般要大于30°。根據系統性能要求，采用集成觸發器。集成觸發器具有可靠性高、技術性能好、體積小、能耗低、調試方便等優點。采用KJ004。它可分為同步、鋸齒波形成、移向、脈沖形成、脈沖分選和脈沖放大幾個環節。只需用三個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構成完整的三相全控橋整流電路的集成觸發電路。3.3.3

19、KJ004的工作原理電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理如圖3.5：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權電阻R1、R2的比例,調節相應的偏移電壓VP。同時調整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大。R7和C2形成微分電路,改變R7和 C2的值,可獲得不同的脈寬輸出。的同步電壓為任意值。圖3.5 KJ004原理圖 電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電

20、子工業部部頒標準。半導體集成電路外形尺寸SJll0076。芯片封裝形式如圖3.6，引腳功能如表3.1。圖3.6 KJ004封裝形式表3.1 引腳功能說明功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調制輸出+Vcc引線腳號1 23 45 678910111213141516觸發電路原理圖如圖3.7。圖3.7 觸發電路設計4無環流邏輯控制器DLC設計在無環流控制系統中，反并聯的兩組整流橋需要根據所要求的電樞電流極性來選擇其中一組整流橋運行，而另一組整流橋觸發脈沖是被封鎖的。兩組整流橋的切換是在電動機轉矩極性需要反向時由邏輯裝置控制進行的。根據邏輯裝置要完成的任務，它由電

21、平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯鎖保護電路四個基本環節組成，邏輯裝置的功能和輸入輸出信號如圖4.1所示。圖4.1 無環流邏輯控制環節DLC其輸入為電流給定或轉矩極性鑒別信號和零電流檢測信號，輸出是控制正組晶閘管觸發脈沖封鎖信號和反組晶閘管觸發脈沖封鎖信號。由電平檢測、邏輯運算電路、延時電路、邏輯保護四部分就構成了無環流邏輯裝置。其結構如圖4.2所示。 圖4.2 無環流邏輯裝置結構圖5系統主電路設計5.1主電路原理及說明邏輯無環流可逆直流調速系統的主電路如圖5.1所示:圖5.1 邏輯無環流可逆直流調速系統主電路兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關斷），所以在兩組橋之間就不會存在環流。但當兩組

22、橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經導通的晶閘管并不能在觸發脈沖取消的一瞬間立即被關斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關斷。如果對兩組橋的觸發脈沖的封鎖和開放同時進行，原先導通的那組橋不能立即關斷，而原先封鎖著的那組橋已經開通，出現兩組橋同時導通的情況，因沒有環流電抗器，將會產生很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應是已導通的的晶閘管斷流，要妥當處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網，其余部分消耗在電機上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變為零，使原晶閘管恢復阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發

23、導通。5.2保護電路的設計在主電路變壓器二次側并聯電阻和電容構成交流側瞬態過電壓保護及濾波，晶閘管并聯電阻和電容構成關斷緩沖。過電流保護可以通過電流互感器檢測輸入電流的變化，與給定值進行比較，當達到設定值時發出過流信號到邏輯控制器，再由邏輯控制器來封鎖觸發脈沖，實現過流保護。過流保護電路如圖5.2所示。圖5.2 過流保護電路過壓保護是在直流電動機的電樞兩端并上電壓取樣電阻，當電壓值超過設定值時，發出過電壓信號，經過電平轉換后送到邏輯控制器，由邏輯控制器封鎖觸發脈沖。總結通過本次課程設計，我加深了對邏輯無環流可逆調速系統的了解。并掌握了邏輯無環流控制器電路的設計方法和熟悉了邏輯無環流可逆直流調速系統制動性能。在這次課程設計中我用到多方面了的知識，包括電力電子，電力拖動等。完成本設計用到了很多電力拖動以外的知識，單用電力拖動書本上的知識是設計不出來的，正如我所做的是主電路的設計就用到了大量的電