逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究DLC.docx
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逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究DLC
沈阳理工大学课程设计论文
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。
I
沈阳理工大学课程设计论文
1
绪论............................................................................................................................................
1
1.1
无环流调速系统简介.....................................................................................................
1
1.2
系统设计..........................................................................................................................
3
2
系统主电路设计.........................................................................................................................
4
3
调节器的设计............................................................................................................................
5
3.1
电流调节器的设计..........................................................................................................
5
3.2
速度调节器的设计..........................................................................................................
6
4DLC设计.....................................................................................................................................
7
4.1
逻辑控制器的原理.........................................................................................................
7
4.2
速度给定环节设计.........................................................................................................
9
4.3
无环流控制系统各种运行状态....................................................................................
10
4.3.1正向起动到稳定运转........................................................................................
10
4.3.2正向减速过程....................................................................................................
10
4.3.3正转制动............................................................................................................
11
4.4.4停车状态............................................................................................................
13
5
触发电路设计...........................................................................................................................
14
6
保护电路设计...........................................................................................................................
15
6.1
过电流保护...................................................................................................................
15
6.2
过电压保护....................................................................................................................
16
总结..............................................................................................................................................
17
参考文献......................................................................................................................................
18
附录一..........................................................................................................................................
19
附录二..........................................................................................................................................
24
II
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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Ui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
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Ui信号
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。
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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
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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。
3
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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。
4
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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
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3.2速度调节器的设计
图3-2速度调节器
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4DLC设计
4.1逻辑控制器的原理
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
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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。
表4-1
逻辑真值表
M4
M5
Y0
Y1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
禁止
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。
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4.2速度给定环节设计
速度给定环节的线路如图3.24所示，它由六段分压器组成，±15V稳压电源供电，上面三
段为正向速度给定，由正向继电器Q的常开触头控制，下面三段为反向速度给定，由反向继
电器H的常开触头控制。
图4.3速度给定环节
联锁继电器JI在正常运行时得电，常开触头吸合，常闭触头断开，给定电位器R1、R2和
R7、R8失电，而工作速度给定电位器W1，W2和慢速给定电位器R3、R4和R9、R10有电，系
统可以正常运行和减速，工作台停止后要求点车时，JI断电，常闭触头闭合，常开触头断开，
即只有点车电位器得电，而工作速度电位器和慢速给定电位器皆失电，可以正、反向点车。
减速继电器J由正反向减速行程开关Q-JS，H-JS和慢速切入环节控制，需要慢速时，J
吸合，则其在工作速度给定电位器回路内的常闭触头断开，慢速给定电位器回路内的常开触头
吸合，工作台就由正常工作速度自动转入慢速。
当J断电时，就又自动的从慢速转入正常工作
速度。
开关MK是装在切削速度给定电位器W1上，当切削速度很低时，MK1压合，MK2断开，
将慢速给定切断，以防止低速运行的工作台碰到减速行程开关后而升速。
根据给定电压和相应速度的要求，各电位器实选阻值为：
R1R3R8R101KR2R4R7R9330
W1W21.2K（多圈电位器）
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4.3无环流控制系统各种运行状态
4.3.1正向起动到稳定运转
当给出正向起动讯号，Un*为正，转速调节器ASR的输出Ui*为负，转矩极性鉴别器DPT
输出UT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Ui0为正，这时DPZ的输出UI
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Un*的大小，改变Un*的大小，可以在一定范围内任意调速。
4.3.2正向减速过程
正向减速时，则要突减给定电压Un*（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Un*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Ui*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，
min30，使正向整流装置进入逆变状态。
电枢电流
Id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
Id衰减到零，
本桥逆变结束。
②.第一次切换
当Id衰减到零，本桥逆变结束，零电流检测器输出UI从1态变为0态，经封锁延时tdbl，
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逻辑装置的输出U1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tdt，U2由1
态变为0态，开放反组晶闸管整流装置脉冲。
但是，在tdt延时过程中，逻辑装置输出U1已经
变为1态，而U2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。
③.他桥逆变阶段
经过tdt延时后，逻辑装置的输出U2变为0态。
此阶段电流调节器输出退出负限幅值，向
正的Uctf变化，前移（向增大方向移），当反组的逆变电压小于电动机反电势后，建立反向
组的逆变电流。
在反电势作用下，这个逆变电流上升到（Idm）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Ui*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Uctf，则min30，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tdbl延时，U2变为1态，封锁反组脉冲，再经tdt
延时，U1变为0态，开放正组脉冲。
待电流调节器输出Uctf变为正值并且正组整流电压Ud1E
后，建立整流电流Id1，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。
4.3.3正转制动
当给定停车命令后，Un*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Ui*由负变正。
因此DPT输出UT由“0变”“1，”如图3.25所示。
但是只要电流未衰
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减到零，DPZ输出UI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
U1
由“经”
tdbl
延
0
时后变“1，”即当电流过零后正组整流装置的脉冲经
tdbl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tdt
（
7ms）逻辑装置输出至反组触发器的脉冲封锁信号
U
由“经”
延时后变“，”即当电流过
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