2022年逻辑无环流直流可逆调速系统设计[] .pdf

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1、1 洛阳理工学院课程设计说明书课程名称：运动控制姓名： 姚艳艳班级： Z080402 学号 : Z08040203 系别： 电气工程及其自动化专业： 电气自动化技术辅导老师：卢秉娟题目 : 逻辑无环流直流可逆调速系统设计2011-3-21 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 23 页 - - - - - - - - - 2 目录摘要. 31 设计任务及要求 . 41.1 设计任务 . 41.2 设计要求 . 52 系统结构设计 . 62.1 方案论证 . 62

2、.2 系统设计 . 63 调节器的设计 . 73.1 电流调节器的设计 . 73.1.1 确定电流调节器的时间常数. 73.1.2 设计电流调节器结构 . 73.1.3 校验近似条件 . 93.1.4 计算调节器电阻和电容 . 93.2 速度调节器的设计 . 93.2.1 电流环的等效闭环传递函数. 93.2.2 确定转速调节器的时间常数. 103.2.3 转速调节器结构设计 . 103.2.4 校验近似条件 . 113.2.5 计算调节器的电阻和电容值. 124 系统主电路设计 . 134.1 主电路原理及说明 . 134.2 主电路参数设计 . 134.3 保护电路设计 . 145 控制及

3、驱动电路设计 . 165.1 调节器结构组成及说明 . 165.2 逻辑控制器的设计 . 175.3 触发电路设计 . 19 6 电气原理总图 . 21 7 心得体会 . 22参考文献 . 23名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 23 页 - - - - - - - - - 3 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

4、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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 23 页 - - - - - - - - - 4 1 设计任务及要求1.1 设计任务设计一个逻辑无环流

5、直流可逆调速系统，基本技术数据如下：1技术数据：晶闸管整流装置： Rrec=0.5，Ks=40。负载电机额定数据： PN=8.5KW ，UN=230V，IN=37A ，nN=1450r/min ，Ra=1.0，Ifn=1.14A， GD2=2.96N.m2系统主电路： Tm=0.07s，Tl=0.017s 2技术指标稳态指标：无静差（静差率s2, 调速范围 D 10 ）动态指标：电流超调量：5% ，起动到额定转速时的超调量：8% ，（按退饱和方式计算）直流电动机： PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵转电流 Idbl=2IN

6、 , 截止电流 Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置： Ks=40 , Rrec=1. 3 平波电抗器： RL=0. 3 电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH , 电动势系数： (Ce= 0.132V.min/r) 系统主电路： (Tm=0.16s ，Tl=0.07s) 滤波时间常数： Toi=0.002s , Ton=0.01s, 其他参数： Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V ，i5% , n10 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。确定调速系统主电路元部件及其参数。动态设计计算：根

7、据技术要求，对系统进行动态校正， 确定 ASR 调节器与 ACR 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 23 页 - - - - - - - - - 5 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。1.2 设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行 ，具有较宽的调速范围（D 10），系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统静特性良好，无静差（静差

8、率s2 ）(3) 动态性能指标：转速超调量 n8%， 电流超调量 i5%， 动态速降 n10% ，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s (4) 系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 23 页 - - - - - - - - - 6 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

9、： 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

10、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 23 页 - - - - - - - - - 7 3 调节器的设计3.1 电流调节器的设计3.1.1确定电流调节器的时间常数（1） 、整流装置滞后时间常数Ts：三相

11、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 （12）Toi = 3.33s。则 Toi=0.002s （3） 、电流小时间常数iT：按小时间常数近似处理：sTTToisi0037.03.1.2设计电流调节器结构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1 所示。图中iU为电流给定电压，dI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cU。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心

12、整理 - - - - - - - 第 7 页，共 23 页 - - - - - - - - - 8 图 1 PI 型电流调速器根据设计要求%5i，并保证稳态电流无差，可按典型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：ssKsWiiiACR) 1()(检查对电源电压的抗扰性能：243.30037.0012.0ssTTil电流调节器超前时间常数：sTli012.0取电流反馈系数：AVIUdblim0232.02875.110电流环开环增益：取5.0iITK，因此114.1350037.05.05 .0ssTKiI于是， ACR 的比例系数为：349

13、5.00232.03015.0012.014.135siIiKRKK名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 23 页 - - - - - - - - - 9 3.1.3校验近似条件电流环截止频率：114.135sKIci晶闸管整流装置传递函数的近似条件：cisssT11.1960017.03131，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：cilmsssTT106.79012.012.01313，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：cioiss

14、ssTT18.180002.00017.0131131，满足近似条件。3.1.4计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取kR400，各电阻和电容值为：kkRKRii98.13403495.00，取k14FFFRCiii86.01086.01014012.063，取F86.0FFFRTCoioi2 .0102 .01040002.044630，取F2.03.2 速度调节器的设计3.2.1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()()()(2sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli名师资料总结 - - -精品资料欢

15、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 23 页 - - - - - - - - - 10 忽略高次项，)(sWcli可降阶近似为：111)(sKsWIcli接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为)(sUi，因此电流环在转速环中应等效为：111)()()(sKsWsUsIIcliid3.2.2确定转速调节器的时间常数电流环等效时间常数：ssTKiI0074.00037.0221转速滤波时间常数：sTon012.0转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取sssTKTonIn0194.0012.0

16、0074.01电压反馈系数：rVrVnUNnmmin0067.0min1500103.2.3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2 所示。图中nU为转速给定电压，n 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iU。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 23 页 - - - - - - - - - 11 图 2 PI 型转速调节器按设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：ssKsWnnnASR)1()(按

17、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：shTnn087.00174.05转速开环增益为：222224.3960174.052621sThhKnN于是， ASR 的比例系数为：924.100194.015.00067.05212.01275.00232.062)1(nmenRThTChK3.2.4校验近似条件转速环截止频率为：115.34087.04.396sKKnNNcn电流环传递函数简化条件为：cniIssTK117 .630037.014.1353131，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为：cnonIssTK1137.35012.014.135313

18、1，满足近似条件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 23 页 - - - - - - - - - 12 3.2.5计算调节器的电阻和电容值按所用运算放大器取kR400，则kkRKRnn4384095.100，取440kFFRCnnn1977.010440097.03，取F2.0FFFRTConon1102 .1104001.044630，取F1按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：%9.816.00174.01500132.

19、085.25.172812.02)(2*maxmnNbnTTnnzCC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 23 页 - - - - - - - - - 13 4 系统主电路设计4.1 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 3 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

20、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。4.2 主电路参数设计Ud=2.34U2cos名师资料总结

21、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 23 页 - - - - - - - - - 14 Ud=UN=220V, 取=0 U2=VUd0171.9434.22200cos34.2Idmin=(5%-10%)IN, 这里取 10% 则L=0.693mHIUd2308.375 .171.00171.94693.0min20067.0150010*NnmnUAVIUdblim0232.02875.110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：ddVTIIII5

22、77.0312则晶闸管的额定电流为：AAIIIdVTAVVT616.105287368.0368.057.1)(取 1.52 倍的安全裕量，AIAVVT200)(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：VUUURMFM26656.10845.245.22取 23倍的安全裕量，VUVT6004.3 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

23、电路如下图所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 23 页 - - - - - - - - - 15 图 4 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 23 页 - -

24、- - - - - - - 16 5 控制及驱动电路设计5.1 调节器结构组成及说明逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。图 5 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图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，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。 控制线路采用典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1 和ACR2，ACR1 用来控制正组触发装置， ACR2 控制反组触发装置， ACR1 的给定信号 Ui* 经反向器 AR 同时作为 ACR2 的给定信号 Ui* ，这样就可以使电流反馈信号 Ui* 的极性在正转和反转时

25、都不用改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器， 即交流互感器和整流器。 由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故， 所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制器DLC，以保证系统的可靠运行，所以DLC 是系统中的关键部件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 23 页 - - - - - - - - - 17 5.2 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，

26、 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

27、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

28、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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

29、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 23 页 - - - - - - - - - 18 输出端子 Y0、Y1输出。表 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。逻辑控制器的梯形图如图6 所示。图 6 逻辑控制器梯形图名师资料总结 -

30、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 23 页 - - - - - - - - - 19 5.3 触发电路设计触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与 TCA785 及 KJ（或 KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785 与一块 KJ041、一块 KJ042 器件组合才能具有的三相移相功能。TC787的原理框图如图 7 所示图 7 TC787 原理框图由图可

31、见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚 18、l、2 分别为三相同步电压Va、Vb、Vc 输人端。引脚 16、15 和 14分别为产生相对于A、B和 C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚 13 为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787 输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

32、- - - - - - 第 19 页，共 23 页 - - - - - - - - - 20 引脚 5 为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787 的输出，高电平有效。引脚 4 为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。引脚 12、10、8、9、7 和 11 是脉冲输出端。其中引脚12、10 和 8 分别控制上半桥臂的 A、B、C相晶闸管；引脚 9、7 和 11分别控制下半桥臂的A、B和 C相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图 8 所示，反组的与正组相同。图 8 正组触发电路原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

33、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 23 页 - - - - - - - - - 21 6 电气原理总图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 23 页 - - - - - - - - - 22 7 心得体会通过这次课程设计，使我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、逻辑控制器的设计及晶闸管触发电路的设计， 涉及到了电力电子

34、， 电力拖动和 PLC等多学科。双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型型系统， 计算其基本参数后，校验近似条件， 能够满足系统的要求， 若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。 转速调节器采用典型型系统，和电流调节器一样， 计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。逻辑控制器的设计用到了PLC ，即可编程逻辑控制器，使设计大为简化，省去了复杂的组合逻辑元件及一些分立电子元件，系统的可靠性也得到了很大的提高。晶闸管的触发电路采用TC787集成触发器， 外围器件简

35、单， 而且只需一片就能触发一组桥式全控型晶闸管，两片TC787就能完成本设计。完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的， 现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，也使我认识到自己的不足之处。在此，对老师说声谢谢！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 23

36、页 - - - - - - - - - 23 参考文献【1】陈伯时主编 . 电力拖动自动控制系统, 北京 , 机械工业出版社,2003.7 【2】杨荫福 , 段善旭 , 朝泽云 . 电力电子装置及系统, 北京 , 清华大学出版社,2006.9 【3】王兆安 , 黄俊 . 电力电子技术, 北京 , 机械工业出版社,2007.7 【4】漆汉宏 . PLC电气控制技术, 北京 , 机械工业出版社,2006.12 【5】康华光 . 电子技术基础, 北京 , 高等教育出版社,2006.01 【6】马莉 . MATLAB 数学实验与建模, 北京 , 清华大学出版社,2010.01 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 23 页 - - - - - - - - -