逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究主电路设计.docx
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逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究主电路设计
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逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究——主电路设计
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TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc345160372"第一章逻辑无环流可逆直流调速系统简介PAGEREF_Toc345160372\h1
HYPERLINK\l"_Toc345160373"1.1逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理PAGEREF_Toc345160373\h1
HYPERLINK\l"_Toc345160374"1.2无环流逻辑装置的组成PAGEREF_Toc345160374\h3
HYPERLINK\l"_Toc345160375"1.3无环流逻辑装置的设计PAGEREF_Toc345160375\h4
HYPERLINK\l"_Toc345160376"第二章系统主电路设计PAGEREF_Toc345160376\h9
HYPERLINK\l"_Toc345160377"2.1主电路原理及说明PAGEREF_Toc345160377\h9
HYPERLINK\l"_Toc345160378"2.2主电路参数设计PAGEREF_Toc345160378\h9
HYPERLINK\l"_Toc345160379"2.3保护电路设计PAGEREF_Toc345160379\h10
HYPERLINK\l"_Toc345160380"第三章逻辑控制器的设计PAGEREF_Toc345160380\h11
HYPERLINK\l"_Toc345160381"第四章系统参数计算及测定PAGEREF_Toc345160381\h13
HYPERLINK\l"_Toc345160382"4.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定PAGEREF_Toc345160382\h13
HYPERLINK\l"_Toc345160383"4.1.1电枢回路电阻R的测定PAGEREF_Toc345160383\h13
HYPERLINK\l"_Toc345160384"4.1.2主电路电磁时间常数的测定PAGEREF_Toc345160384\h15
HYPERLINK\l"_Toc345160385"4.1.3电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定PAGEREF_Toc345160385\h17
HYPERLINK\l"_Toc345160386"4.1.4系统机电时间常数TM的测定PAGEREF_Toc345160386\h17
HYPERLINK\l"_Toc345160387"4.1.5测速发电机特性UTG=f（n）的测定PAGEREF_Toc345160387\h18
HYPERLINK\l"_Toc345160388"4.2逻辑无环流可逆直流调速系统特性测试PAGEREF_Toc345160388\h19
HYPERLINK\l"_Toc345160389"4.2.1整流电路检测PAGEREF_Toc345160389\h20
HYPERLINK\l"_Toc345160390"4.2.2控制单元调试PAGEREF_Toc345160390\h21
HYPERLINK\l"_Toc345160391"4.2.3机械特性n=f（Id）的测定PAGEREF_Toc345160391\h22
HYPERLINK\l"_Toc345160392"4.2.4系统动态波形的观察PAGEREF_Toc345160392\h22
HYPERLINK\l"_Toc345160393"总结PAGEREF_Toc345160393\h23
HYPERLINK\l"_Toc345160394"参考文献PAGEREF_Toc345160394\h24
第一章逻辑无环流可逆直流调速系统简介
1.1逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理
逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图1.1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。
图1.1逻辑无环流可逆直流调速系统主电路
图1.2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
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的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正﹑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。
1.2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～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1.3所示。
图1.3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和零电流检测信号，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号和反组晶闸管触发脉冲封锁信号。
1.3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，二是来自电流检测装置反映零电流信号的，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输出）或“1”状态（将输入转换成近似为输出）。
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1.4。
图1.4电平检测器原理图
电平检测器的输入输出特性如图5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，释放电压。
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1.5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，其输出为。
电机正转时为负，为低电位（“0”态），反转时为正，为高电位（“1”态）。
零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号，其输出为。
有电流时为正，为高电位（“1”态），无电流时为0，为低电位（“0”态）。
②逻辑运算
电路的输入是转速极性鉴别器的输出和零电流检测器输出。
系统在各种运行状态时，和有不同的极性状态（“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。
利用逻辑代数的数学工具，可以设计出具有一定功能的逻辑运算电路。
设正转时为负，为“0”；反转时为正，为“1”；有电流时为正，为“1”；无电流时为负，为“0”。
代表正组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。
代表反组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。
、、、表示“1”，、、、表示“0”。
按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表1.1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。
表1.1逻辑判断电路各量要求的状态
根据正组封锁条件：
（1-1）
根据反组封锁条件：
（1-2）
逻辑运算电路采用分立元件，用或非门电路较简单，故将上述（1-1）式和（1-2）式最小化，最后化成或非门的形式。
（1-3）
（1-4）
根据（1-3）、（1-4）式可画得逻辑运算电路，如图1.6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。
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1.6中“1”、“0”所示。
图1.6逻辑运算电路
图1.7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，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（为“0”，正组开放。
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1.6所示。
或非门电路如图1.7所示。
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。
图1.8延时电路
延时电路如图1.8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（截止、导通），相应的整流桥脉冲开放。
当输入由“0”变为“1”时，电容C经充电，经一定延时后，导通，截止，即输出由“0”延时变“1”。
相应的整流桥脉冲延时封锁。
其延时时间由决定，这里整定为。
当输入出“1”变“0”时，电容C的电荷要经过和基射极回路放电，经一定延时后，截止，导通，即输出由“1”延时变“0”。
相应的整流桥脉冲延时开放。
其延时时间由参数决定，这里整定为，这样就满足了“延时封锁”、“延时开放”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1.9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1.9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1.10所示。
图1.10无环流逻辑装置结构图
第二章系统主电路设计
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。
2.2主电路参数设计
Ud=2.34U2cos
Ud=UN=220V,取=0°U2=
晶闸管参数计算：
对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：
则晶闸管的额定电流为：
取1.5~2倍的安全裕量，:
由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：
取2~3倍的安全裕量，
2.3保护电路设计
在主电路变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲。
过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现过流保护。
过流保护电路如下图所示。
图2.2过流保护电路
过压保护是在直流电动机的电枢两端并上电压取样电阻，当电压值超过设定值时，发出过电压信号，经过电平转换后送到逻辑控制器，由逻辑控制器封锁触发脉冲。
第三章逻辑控制器的设计
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。
逻辑控制器装置由PLC来实现，转矩极性鉴别信号UI*和零电流检测信号Ui0作为PLC的输入信号X0和X1，再由PLC的软件来实现逻辑运算和控制。
在逻辑运算判断发出切换指令UF、UR后，必须经过封锁延时Udb1和开放延时Udt才能执行切换命令。
用FX2系列PLC实现时，只要用其内部的1ms定时器即可达到延时目的。
一般封锁延时取Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时Udt=7ms开放另一组。
若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为3+7=10ms，设延时后的UF'、UR'状态分别用辅助继电器M4、M5表示。
DLC装置的最后部分为逻辑保护环节。
正常时，UF'与UR'状态总是相反的；一旦DLC发生故障，使UF'和UR'同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。
满足保护要求的逻辑真值表如下表。
设DLC的输出信号由PLC
输出端子Y0、Y1输出。
其中Y0控制GTF，Y1控制GTR。
为了实现逻辑保护，一方面可以用Y0、Y1实现联锁，另一方面还可以用M4、M5接通特殊辅助继电器M8034禁止全部输出，进行双重保护。
X2和X3是过压和过流检测信号。
表3.1逻辑真值表
第四章系统参数计算及测定
4.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
（一）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
（二）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。
（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。
4.1.1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4.1所示。
图4.1电枢回路电阻R
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Uct=0。
调节偏移电压电位器RP2，使a=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使电枢电流为（80~90）%Inom，读取电流表A和电压表V的数值为I1,U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1
调节RP，使电流表A的读数为40%Inom。
在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则
Udo=I2R+U2
求解两式，可得电枢回路总电阻
R=（U2-U1）/（I1-I2）
如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
RL+Rn=（U’2-U’1）/（I’1-I’2）
则电机的电枢电阻为
Ra=R-（RL+Rn）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
测试结果
表4.1电枢回路总电阻测试
据公式R=（U2-U1）/（I1-I2）得
R=（90-73）/（0.9-0.5）=42.5Ω
表4.2平波电抗器的直流电阻RL与整流装置的内阻Rn之和测试
据公式RL+Rn=（U’2-U’1）/（I’1-I’2）得
RL+Rn=（102-92）/（0.9-0.5）=25.0Ω
表4.3整流装置的内阻Rn与电枢电阻Ra之和测试
据公式Ra+Rn=（U''2-U''1）/（I''1-I''2）得
Ra+Rn=（97-83）/（0.9-0.5）=17.5Ω
所以可得：
电枢回路总电阻R=42.5Ω
整流装置的内阻Rn=17.5Ω
电枢电阻Ra=17.5Ω
平波电抗器的直流电阻RL=7.5Ω
4.1.2主电路电磁时间常数的测定
实验线路如图4.2所示
图4.2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
其电流变化曲线如图4.3所示。
当t=Td时，有
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4.3电流变化曲线
4.1.3电动机电势常数Ce和转矩常数CM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
Ce=KeF=（Ud2-Ud1）/（n2-n1）
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
CM=9.55Ce
由实验测得两组数据
当n1=1225r/min时V1=181V;
当n2=1125r/min时V2=161V
带入上述公式得:
Ce=0.15v/（r/min）
Cm=1.432N.m/A
4.1.4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
由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
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4.4所示：
由实验测得：
Tm=37ms
图4.4实测过渡过程曲线
4.1.5测速发电机特性UTG=f（n）的测定
图4.5系统电机常数的测定
实验线路如图4.5所示。
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UTG=f（n）。
表4.4实验结果
4.2逻辑无环流可逆直流调速系统特性测试
（一）实验系统组成及工作原理
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