逻辑无环流可逆直流调速系统课程设计

CHENGNAN COLLEGE OF CUST 课程设计（论文）题目：逻辑无环流可逆直流调速系统设计学生姓名：吴艳兰学号：201197250104班级: 1101班专业：D自动化（工业自动化）指导教师：李益华吴军2014年7月逻辑无环流可逆直流调速系统设计****：***学号：************班级：1101班所在院(系): 电气与信息工程系指导教师：李益华吴军完成日期: 2014年7月11日逻辑无环流可逆直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起制动性能，易于广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到广泛的应用。

直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。

在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可调速系统。

本文着重介绍“逻辑无环流可逆直流调速系统”。

逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。

和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。

关键词：无环流；可逆直流调速系统；逻辑控制器目录1 绪论 (4)1.1设计的目的和意义 (4)1.2设计要求 (4)2 系统结构方案的选择 (5)3 主回路的选择 (6)3.1 主电路形式的选择与论证 (6)3.2 交流电源的选择（单相或三相） (7)3.3 晶闸管元件的计算与选择 (7)3.4 晶闸管保护措施的电路设计与计算 (7)3.5 平波电抗器的计算与选择 (8)3.6 测速机的选择与可变电位器的选择与计算 (10)3.7 电机励磁回路设计 (10)4 触发器的设计和同步相位的配合 (11)4.1 触发电路的设计与选择 (11)4.2 同步相位的配合 (12)5 辅助电路设计 (13)5.1 高精度给定电源的设计 (13)5.2 其他辅助电路设计 (13)5.2.1 转矩极性鉴别(DPT) (13)5.2.2 零电平检测(DPZ) (14)5.2.3 逻辑控制(DLC) (14)5.2.4 电流反馈与过流保护(FBC+FA) (16)5.2.5 转速变换(FBS) (17)5.2.6 反号器(AR) (17)6 电流环设计 (19)6.1 调节器参数计算 (19)6.2 调节器实现 (19)7 转速环设计 (22)7.1 调节器参数计算 (22)7.2 调节器实现 (22)8 系统原理框图 (25)课程设计总结 (26)参考文献 (27)1 绪论1.1设计的目的和意义(1)了解、熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。

(2)掌握各控制单元的原理、作用及调试方法。

(3)掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的调试步骤和方法。

(4)了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。

1.2设计要求稳态无静差，电流超调量i σ≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

电流调节器已按典型I 型系统设计,并取参数KT=0.5。

（1）选择转速、电流调节器结构,并计算其参数。

（2）计算电流环的截止频率ci ω和转速环的截止频率cn ω，并考虑它们是否合理?(3)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(4) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析逻辑无环流可逆系统起、制动的过程；(5) 汇出动态波形，说明在每个阶段中ASR 、ACR 各起什么作用，VF 和VR 各处什么状态；(6) 绘制双闭环直流调速逻辑无环流可逆调速系统的电气原理总图；2 系统结构方案的选择2.1选择变压调速对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只能配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。

2.2选择双闭环调速系统采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速工程必然拖长。

综上所诉，选择双闭环调速系统能得到较好系统性能，以满足要求。

3 主回路的选择3.1主电路形式的选择与论证逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如图3.1所示图3.1逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路本方案的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。

由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。

正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。

当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr 输出状态转换，Ulf为“1”态， Ulr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时，则电机停转。

反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。

“逻辑控制”的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf 为“0”态，Ulr 为“1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ulf 为“1”态，Ulr 为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。

由于“逻辑控制”的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。

3.2交流电源的选择交流电源选择三相电路，一次侧相电压为U1=220V 为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。

在进行变压器计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。

先选择其次级电压有效值U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果U2过高会使得设备运行中为保证输出电流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因数变小。

如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin 时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。

通常次级电压，初级和次级电流根据设备的容量，主接线结构和工作方式来定。

由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分，有的又不存在，所以变压器容量的计算要根据具体情况来定。

3.3晶闸管元件的计算与选择晶闸管参数计算：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：20.5773VT d d I I I I === (3-1) 则晶闸管的额定电流为：()0.3680.368760279.681.57VT VT AV d I I I A A ===⨯= (3-2) 取1.5~2倍的安全裕量，()420VT 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 2.457501837.5FM RM U U U V ===⨯= (3-3)取2~3倍的安全裕量，4000VT U V3.4晶闸管保护措施的电路设计图3.2 RC 保护电路晶闸管有一个重要特性参数－断态电压临界上升率dlv/dlt 。

它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。

若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。

即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。

因为晶闸管可以看作是由三个PN 结组成。

在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容C0。

当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C0，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。

如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则C0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。

因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。

为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC 阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。

因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C 串联电阻R 可起阻尼作用，它可以防止R 、L 、C 电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。

同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。

由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。

RC 阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。

3.5平波电抗器的计算与选择在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种谐波成份。

当触发角α增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。

当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角θ减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。

因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。

若要求变流器在某一最小输出电流d min I 时仍能维持电流连续，则电抗器的电感按下式计算：211d minU L I k = (3-4) 式中2U 为交流测电源相电压有效值；d min I 为要求连续的最小负载电流平均值。

1k 与整流主电路形式有关的计算系数， 对于不同控制角α，所需的电感量1L 为211d minU L sin I k α= (3-5) 本设计中的参数为：2U 750V =，d I 760=A , ()dmin I 5%~10%3876d I ==~A ，1k 0.693=，临界值90α︒=。

将以上所述参数代入可计算出本设计所需的临界电感参数值为1750L 0.69313.68mH 38=⨯= 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感T L 按下式计算：%2T LTdU L k 100I k u = (3-6)式中TL k ―与整流主电路形式有关的系数，本设计2U 750V =，d I 760=A ，%5k u =，TL 3.9k =。