运动控制课程设计--直流无环流可逆调速系统

摘要两组晶闸管装置反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。

为保证系统安全，必须消除其中的环流。

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。

本文对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计，并且计算了电流和转速调节器的参数。

关键词：逻辑无环流、可逆直流调速系统、逻辑控制器、ACR、ASR直流无环流可逆调速系统设计1.初始条件及要完成的任务1.1初始条件：1.直流电机参数： PN＝10KW，UN＝220V，IN＝55A，nN＝1000 r/min ，Ra＝0.5Ω2.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式3.主电路采用两组三相全控桥反并联连接，进线交流电源：三相380V4.Tl=0.03S,Tm=0.18s Uim=10V1.2要求完成的主要任务:1.ASR及其反馈电路设计2.ACR及其反馈电路设计3.无环流逻辑控制器DLC设计4.主电路及保护电路设计5.集成触发电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

满足如下要求：1．稳态无静差，转速超调量不超过10％，电流超调量不超过5％。

2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。

3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。

4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

2系统结构设计2.1 方案论证在可逆调速系统中，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。

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。

2.2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。

该调速系统的原理框图如图2.2.1所示。

图2.2.1逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图3.1主电路原理及说明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。

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如图3.1.1所示:图3.1.1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路由于主电路是采用三相桥式全控整流电路，整流输出电压d U 的波形在一个周期内，脉动六次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值是，只需计算一个脉波即可。

当整流输出电压连续时d U 的平均值为： d U =2.34U 2cos α 由于三相电压为380V ，则d U =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434.22200cos 34.2==I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则 L=0.6932min 0.69394.017111.84620.155d U mH mH I ⨯⨯==⨯ *100.01min/1000/min nm N U V V r n r α=== 100.0909255im dbl U V V A I Aβ*===⨯ 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：d d VT I I I I 577.0312=== 则晶闸管的额定电流为：()0.3680.3685520.241.57VTVT AV d I I I A A ===⨯= 取1.5~2倍的安全裕量，()(30.36~40.48)VT AV I A A = ，取()40VT AV I A =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：22.45 2.45220539FM RM U U U V V ===⨯=取2~3倍的安全裕量，(1078~1617)VT U V =, 取1100VT U V =。

4调节器的设计4.1电流调节器的设计4.1.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts ：三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s 。

（2）电流滤波时间常数Toi ：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波头应有（1~2）Toi = 3.33s 。

因此取Toi=2ms=0.002s （3）电流环小时间常数之和i T ∑： 按小时间常数近似处理：s T T T oi s i0037.0=+=∑4.1.2选择电流调节器结构根据设计要求稳态无静差，电流超调量不超过5％，可以采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器，其原理图如图4.1.2.1所示。

图中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 。

图4.1.2.1 PI 型电流调速器要求%5≤iσ，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为：ss K s W i i i ACR ττ)1()(+=检查对电源电压的抗扰性能：0.038.110.0037l i T s T s ∑≈≈4.1.3电流调节器参数的设定电流调节器超前时间常数：0.03i iT s τ==取电流反馈系数：*1100.0909/255imU db V A I β===⨯ 电流环开环增益：取5.0=∑iI T K ，因此114.1350037.05.05.0-∑===s sT K i I 于是，ACR 的比例系数为：135.140.030.50.5575400.0909i i i sk R K K τβ⨯⨯===⨯ 4.1.4校验近似条件电流环截止频率：114.135-==s K I ci ω 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件：ci s s sT ω>=⨯=-11.1960017.03131，满足近似条件。

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：40.8248ci w =<，满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件：ci oi s s ss T T ω>=⨯=-18.180002.00017.0131131，满足近似条件。

4.1.5调节器电阻和电容的设定按所用运算放大器取Ω=k R 400，各电阻和电容值为：0.55754022.3i i K K R K R ==⨯Ω=Ω，取22K Ω 30.03 1.362210ii i F R C μτ===⨯，取1.36F μF F F R T C oi oi μ2.0102.01040002.044630=⨯=⨯⨯==-，取F μ2.0 4.2速度调节器的设计4.2.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：111)1(1)1()()()(2++=+++==∑∑∑*s K s K T s T s K s T s K s U s I s W II i i I i Ii d cli β忽略高次项，)(s W cli 可降阶近似为：111)(+=s K s W Icli接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为)(s U i *，因此电流环在转速环中应等效为：111)()()(+≈=*s K s W s U s I Icli i d ββ4.2.2确定转速调节器的时间常数电流环等效时间常数：s s T K i I 0074.00037.0221=⨯==∑转速滤波时间常数：s T on012.0=转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取s s s T K T on In 0194.0012.00074.01=+=+=∑电压反馈系数：*100.01min/1000/min nm N U V V rn r α===4.2.3转速调节器结构设计采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器，其原理图如图4.2.3.1所示。

图中*n U 为转速给定电压，n α-为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压*i U 。

图4.2.3.1 PI 型转速调节器按设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：ss K s W n n n ASR ττ)1()(+=按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为：50.01940.097n nhT τ∑==⨯=转速开环增益为：2222216318.842250.0194N n h S h T K -∑+===⨯⨯ 于是，ASR 的比例系数为：(1)60.09090.1320.1813.35942250.010.50.0194e m N n h C T h RT K βα∑+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯4.2.4校验近似条件转速环截止频率为：11318.840.09730.9275Ncn N n lK K S S ωτω--===⨯=电流环传递函数简化条件为：cn i I s s T K ω>==--∑117.630037.014.1353131，满足近似条件。

转速环小时间常数近似处理条件为：cn on I s s T K ω>==--1137.35012.014.1353131，满足近似条件。