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1、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

2、，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 .11.1无环流调速系统简介 .11.2系统设计 .32系统主电路设计 .43调节器的设计 .53.1电流调节器的设计 .53.2速度调节器的设计 .64 DLC 设计 .74.1逻辑控制器的原理 .74.2速度给定环节设计 .94.3无环流控制系统各种运行状态 .104.3.1 正向起动到稳定运转 .104.3.2 正向减速过程 .104.3.3 正转制动 .114.4.4 停车状态 .135触发电路设计 .

3、146保护电路设计 .156.1过电流保护 .156.2过电压保护 .16总结 .17参考文献 .18附录一 .19附录二 .24II沈阳理工大学课程设计论文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

4、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

5、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 U i 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 U i 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

6、可逆系统。1沈阳理工大学课程设计论文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2沈阳理工大学课程设计论文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

7、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沈阳理工大学课程设计论文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

8、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沈阳理工大学课程设计论文3 调节器的设计

9、3.1 电流调节器的设计图 3-1 电流调节器5沈阳理工大学课程设计论文3.2 速度调节器的设计图 3-2 速度调节器6沈阳理工大学课程设计论文4 DLC 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

10、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

11、放的状态。图 4.1 无环流逻辑控制环节 DLC7沈阳理工大学课程设计论文逻辑控制器装置由 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=10m

12、s，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M4M5Y0Y100000101101011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

13、和 X3 是过压和过流检测信号。8沈阳理工大学课程设计论文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

14、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， MK 1 压合， MK 2 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：R1 R3 R8 R1

15、0 1K R2 R4 R7 R9 330W1 W2 1.2K （多圈电位器）9沈阳理工大学课程设计论文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， U 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 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

16、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。4.3.2 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：.本桥逆变阶段由于 U n* 极性不变，仅数值突然减

17、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。.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 ，10沈阳理工大学课程设计论文逻辑装置的输出 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

18、 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。.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 U ctf 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 （ 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

19、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。.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，

20、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 d 1 E后，建立整流电流 I d1 ，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， 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 3.25 所示。但是只要电流未衰11沈阳理工大学课程设计论文减到零， DPZ 输出 U

21、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“ 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（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