逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究

逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究——主电路设计1 绪论1.1电力拖动简介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。

1.2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。

1.3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i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”、“无”i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。

2 系统总体参数2.1系统已知参数及设计指标设计一个逻辑无环流直流可逆调速系统，基本技术数据如下： 2.1.1已知参数1、拖动设备：直流电动机： W P N 185= V U N 220= A I N 1.1=N r n min /1600=，过载倍数5.1=λ。

2、负载：直流发电机：W P N 100= V U N 220= A I N 5.0= N r n min /1500=3、机组：转动惯量22065.0Nm GD = 2.1.2设计指标1、D ＝４，稳态时无静差。

2、稳态转速n=1200r/min, 负载电流0.8A 。

3、电流超调量%5≤i σ，空载起动到稳态转速时的转速超调量%15≤n σ。

2.2未知参数设计2.2.1测定晶闸管直流调速系统主电路的电阻R利用伏安法测量电枢回路总电阻R ，包括电机的电枢电阻Ra,平波电抗器的直流电阻Rl ，整流装置的内阻Rn 。

测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

调节Ug 使整流装置输出电压Ud 为110V ，然后调整RP 使电枢电流分别为0.9A 、0.5A 时的理想空载电压，由公式R=(U 2-U 1)/(I 1-I 2) （2.1）可求得电枢回路总电阻，测试结果如下表：1 2 3 4 5 6U 78V 93V 96V 105V 88V 100VI 0.9A 0.5A 0.9A 0.5A 0.9A 0.5A表2.1 电枢回路电阻R的测定其中1、2组数据为回路总电阻为电机电枢电阻Ra、平坡电抗器直流电组Rl、整流装置内阻Rn之和测的，3、4组数据为回路总电阻为平坡电抗器直流电组Rl、整流装置内阻Rn之和测的，5、6组数据为回路总电阻为电机电枢电阻Ra、整流装置内阻Rn之和测的。

经过计算电机电枢回路电阻Ra=22.5Ω，平坡电抗器直流电阻Rl=15.0Ω，整流装置内阻Rn=15.25Ω。

2.2.2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间爱你常数Td电动机不加励磁，调节Uct监视电流表的读数，使电动电枢电流为110V。

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2.1 电流变化曲线由图可知直流调速系统主电路时间常数Td为6.2ms。

2.2.3测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测的相应的n，即可由公式Ce=KeΦ=（Ud2-Ud1）/(n2-n1) （2.2）Ce的单位为V/（r/min）转矩常数CM的单位为N•m/A，可由Ce求出CM=9.55Ce。

表2.2 电动机电势常数Ce 和转矩常数CM 的测定故可算得Ce=0.12min/r V,CM=1.07N •m/A2.2.4测定晶闸管智力调速系统机电时间常数TM系统的机电时间常数可由下式计算Tm=（GD 2*R ）/375CeL M （2.3）当电枢突加给定电压时，转速n 按指数规律上升，当n 达到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。

经过测试，系统的时间常数为44ms 。

2.2.5测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f （Uct ）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 ，n 的数值若干组，即可描绘出特性曲线。

N(r/min) 1000.0 1100.0 1200.0 1300.0 1400.0 UTG(V)6.757.448.128.839.46表2.3 测速发电机特性表2.4 晶闸管触发及整流装置特性图2.2 发电机特性曲线 图2.3 晶闸管触发及整流装置特性电压（V ） 110 140 转速（n ） 344575Ud(V) 75.0 150.0 185.0 202.0 210.0Uct(V)1.02.03.04.05.03 无环流可逆调速系统设计3.1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L d，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。

1、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。

2、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。

3、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。

3.1.1逻辑无环流调速系统的原理图U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）3.1.2逻辑无环流系统工作原理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。

1、正向运行：当开关S与+10V接通时，Usn的极性为（+），在起动过程中ΔUn=（Usn-Ufn）>0,使Usi呈（+）极性，设此时逻辑控制器LC发出的控制器Uc1为“1”，正组处于工作状态；Uc2为“0”，反组处于封锁阻断状态；并设此时电枢电流Id极性为（+），电动机正转。

系统处于正向运行状态。

2、反向运行：当S突然与+10V断开，而与-10V接通，此时Usn极性变号成为（-）极性，而电动机依靠惯性仍在正向运行，因而Usn极性未变仍是负极性；这样使ΔUn 变为数值较大的负电压ΔUn<0，此电压使速度调节器ASR的输出电压Usi的数值急快下降并变号呈现（-）极性。

这时，随着Usi绝对值的下降，将使Id不断下降（Id=Usi/β），电磁转矩Te下降（Te=KtΦId），电动机转速n下降。

当电流Id下降至零，逻辑控制器LC的输入端同时出现Usi极性变号{（+）→（-）}及Id=0两个信号时，LC将发出逻辑切换指令，使Uc1由“1”变为“0”，正组被封锁阻断；Uc2由“0”变为“1”，反组开始投入运行。

由于反组开通工作，将使电枢电流反向流动。

电动机的电磁转矩Te也将反向。

由于此时电动机依靠惯性仍在正向转动，这样电磁转矩Te将与转速n反向，形成制动作用，使电动机转速n迅速下降。

这时的电动机成为发电机，通过反组整流桥向电网回馈电能。

此时系统处于回馈制动状态。

随着电动机的转速迅速降至零，并且在已经反了向的电磁转矩的作用下，将开始加速反向运行，这一加速过程一直要到电动机转速升到新的给定值n’、ΔUn=0时为止，系统重新处于平衡状态，此时系统处于反向运行状态。

至此，电动机反向过渡过程完成。

给定电压（Usn）Usn（+）切换Usn（+）Usn（-）切换|Usn（-）| 速度调节器输出（Usi）Usi（-）Usi（+）Usi（+）Usi（-）电枢电流（Id）Id（+） Id=0 Id（-）Id（-） Id=0 Id（+）表3.1 逻辑无环流可逆调速系统正反组切换指令3.2系统主电路设计3.2.1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3.2 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。