逻辑无环流可逆调速系统的设计与仿真研究

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1、引 言电气传动是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。电气传动系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成，它是将电能转换为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。电气传动系统广泛用于冶金、机械、机械、轻工、矿山、港口、石化、航空航天等各个行业以及日常生活之中。它既有轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等大型调速系统，也有空调机、电冰箱、洗衣机等小容量调速系统。电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，以及精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。应用电

2、力拖动自动控制系统不仅改善了生产过程中的工作条件、节约劳动力和减少原材料和能源的消耗，而且提高了生产设备的利用率、可靠性安全性及其寿命，减少故障率和重大故障的可能性。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用，它的优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而准确的调速，以及快速响应等。晶闸管使直流电力拖动的调速技术发生巨大变化。相对于原有的直流发电机组对直流电动机供电的直流拖动系统，采用晶闸管静止变流器供电的系统具有体积小无噪声效率高等一系列优点。目前，晶闸管控制的直流拖动普遍地应用于轧机拖动纺织机械造纸机械和电力机车等场合。用晶

3、闸管变流器控制的他励直流拖动机调速系统若采用电枢电压控制，可以得到低于基速的转速调节；若采用削弱磁场控制，可以得到高于基速的转速调节，可以通过晶闸管的串联和并联，来达到高电压和大电流。For personal use only in study and research; not for commercial use直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速和双闭环调速等过程，需要使用MATLAB中的Simulink工具箱来进行辅助设计，因为它可以构建被控制系统的动态模型，直接观察各观测点的波形，所以调速系统性能的完善可以通过反复修改动态模型来完成，而不必对实物进行拆装和调试。For per

4、sonal use only in study and research; not for commercial use第一章 系统简介1.1 电力拖动系统的简介电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置四部分组成。电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。电力拖动系统的发展按着从低级到高级、从简单到复杂的一般规律，从最初的成组拖动，经过单电动机拖动以至发展为现代电力拖动的解百纳形

5、式多电机拖动。电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的前景。1.2 无环流调速系统采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了许多生产系机械要求电动机既能正传，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动的问题，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。这样的环流只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，因此应该予以抑制或消除。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

6、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。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。这就是组成逻辑无环流系统的基本思路，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，就决定于信号。同时还要考虑何时封锁原来工作桥的问题，有电流时

7、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。1.3 控制系统的计算机仿真计算机仿真是指通过计算机运行真实系统或预研系统的仿真模型。计算机仿真包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。MATLAB中的Simulink提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析，而且Simu

8、link的概念性仿真模块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模与仿真。第二章 系统总体设计方案电动机是拖动控制系统实现把电能转换成机械能的关键元件。本设计的技术条件、技术参数等：调速范围D=10，静差率小于5%，动态速降小于10%；工作台电动机为一台容量为60 千瓦的直流电动机，技术数据如下：，他激，。2.1 系统组成方案选择2.1.1 供电方案60千瓦工作台拖动电动机采用可控硅整流装置直接供电的系统，考虑到对电网三相电压的平衡和整流电压脉动小，决定采用三相可控整流电路。常用的三相整流电路有两种，即三相0式整流电路和三相桥式整流电路，三相0式整流电路的优点是简

9、单，用的可控硅元件少，触发器也少，对220伏电动机整流装置可直接接380伏电网而不需要另设整流变压器。但缺点是要求可控硅元件耐压高；整流电压脉动率大，需要平波电抗器大；电源变压器副边电流有直流分量，增加了发热和损耗。三相桥式整流电路的特点是：当要求最大整流输出电压相同时，电源相电压可较三相0式整流电路小一半，因此显著减轻了对变压器和可控硅的耐压要求；变压器副边绕组中电流没有直流分量，同时变压器每相在两个半波内均导电，因此利用率较高；输出整流电压脉动率小，所以平波电抗器就可以小一些。鉴于以上比较，并考虑到本台装置为探讨省掉平波电抗器进一步简化可控硅传动装置的可能性，不致由于整流电压脉动率大因而严

10、重影响直流电动机的换向等，故决定采用三相桥式整流电路，针对现用的220伏直流电动机采用一台整流变压器，由于变压器的隔离作用，也提高了系统运行的可靠性。鉴于三相半控桥通常用于不可逆拖动系统中，故本拖动系统采用三相全控桥整流供电方案。2.1.2 调速方案调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压U、改变电枢回路电阻R和减弱励磁磁通。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，其主要特点是：在整个调速范围内均有较大的硬度，此种方法的调速范围较宽，如采用各种反馈或转速控制系统，调速范围可达几百至几千。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大

11、，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，本次设计采用的调速方案是调节电枢供电电压U。2.1.3 可逆方案根据工艺要求，工作台能频繁正反转以提高生产率，故采用电枢可逆方案，该方案控制方法简单，调节过程迅速。在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，使电机能平滑地起动和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小。图2-1 三相桥式反并联可逆线路2.1.4 控制方案 系统对调速系统提出的主要要求是：1.在要求的调速范围内电动机承受负载扰动时，静态和动态速度波动值不能太大，以保证调速系统的要求。静差率要求小于5%，动态速降小于10%。2.要求系统有较强的抵抗电网电压波动因而影响

12、电动机转速的能力。要求系统起制、动过程较快。3.假如系统采用开环调速系统，当负载扰动时系统静态速度降为：式中 电动机额定电流，=305；主回路总电阻，；平波电抗器电阻，；电动机电枢电阻，；整流装置内阻，；电动机电势系数电动机的额定转速为时系统的静差率由此可见，开环系统最高速时静差率已达，：调速至最低时静差率就更大了，满足不了的要求，必须用反馈控制减小静态速降。决定采用转速负反馈系统，而且工作台拖动系统还要求起制动过程快，这也就要求在起制动过程中电动机始终保持维持过载能力所允许的最大电流，则电动机既不会因过流而损坏，又能产生最大转矩使过渡过程时间最短，为此必须采用电流负反馈。根据以上分析，控制系

13、统采用典型的转速、电流双闭环系统，转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转矩控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。2.2 逻辑无环流可逆调速系统原理图 图2-2 逻辑无环流可逆调速系统原理图ASR速度调节器ACR1ACR2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过流保护环节这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。主电路采用两组晶

14、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，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置GTF；2ACR调节反组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC，这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组

15、。在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。第三章 主回路元件参数计算与选择3.1 整流变压器的计算三向桥式整流电路变压器副边相电压与最大整流直流电压的关系是：在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题，因此应该等于电动机额定电压加上过载电流所产生的附加压降再加上晶闸管的管压降，另外考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常还需要再增加，因此 根据整流负载的要求，所需要的变压器：副边线电压 副边电流 原边电流 副边功率 考虑到工作负荷不会过重，并且变压器也容许一定过载，所以选取一台额定功率为，的变压器 3.2 可控硅元件的选择选择可控硅元件的额定电压 选择可控硅的额定电

16、流实选的可控硅整流元件，并强迫风冷。3.3 可控硅的保护措施3.3.1 桥臂电抗器为了限制电压上升率和电流上升率，在变压器桥臂中加入桥臂电抗器。桥臂电抗器采用空心电抗，为提高电感量，每个电抗器内安置有6根铁淦氧磁棒。实测其电感量约左右。3.3.2 快速熔断器快速熔断器主要用来切断内部和外部短路电流，具有快速限制短路电流的作用和极小的外形尺寸。桥臂快速熔断器的额定电流环流快速熔断器的额定电流实选桥臂快速熔断器为，环流快速熔断器为 3.3.3 抑制过电压保护1.交流侧阻容吸收装置交流侧阻容吸收装置接在变压器二次侧，采用三角形联结。 式中 变压器空载激磁电流百分数； 变压器的每相伏安数；变压器副边相

17、电压；变压器短路电压百分数。因阻容吸收装置为三角形接法，故每相电容、电阻值为：电容电压电阻功率实选，。2.直流侧阻容吸收装置参照交流侧阻容吸收装置实选，。3.晶闸管关断过电压阻容吸收装置对于晶闸管元件实选，。4.交流侧和直流侧过电压保护用硒堆交流侧硒堆片数片片直流侧硒堆片数片片式中 变压器副边线电压有效值； 整流电压； 硒堆每片反向电压有效值，一般为； 系数。硒堆面积实选。3.4 平波电抗器的选择 为了保证稳定运行时电流波形的连续，控制直流电流断续范围，在电枢回路中设置了平波电抗器。电动机电枢电感 式中 P电动机磁极对数 计算系数，对一般无补偿电动机取812，这里取10折算到变流变压器二次侧的

18、每相绕组漏电感式中 与主电路有关的系数，三相全控桥3.9，三相半波6.75，单相全控桥3.18电抗器额定电压限制输出电流脉动的电感量式中 电流脉动系数，一般是给定的，这里取0.05 整流电压最低谐波的幅值与电源相电压之比，三相全控桥为0.46，三相半波为0.88，单相全控桥为1.2整流电流的最低次谐波频率，三相全控桥为300Hz,三相半波为 150Hz,单相全控桥100Hz所以，平波电抗器的实际电感量为第四章 系统控制单元4.1 无环流逻辑装置4.1.1 无环流逻辑装置的组成在无环流控制系统中，反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢电流极性来选择其中一组整流桥运行，而另一组整流桥触发脉冲是被封

19、锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下：1.由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生的转矩极性反向。2.由转速调节器输出反映这一转矩的极性，并由逻辑装置对该极性进行判断，然后发出切换开始的指令。3.使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。4.由零电流检测器得到零电流信号后，经延时，确认电流实际值为零，封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。5.由零电流检测器得到零电流信号后，经延时，确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后，开放待工作侧整流桥（例如反组桥）的触发脉冲。6.电枢内流过与切换前反方向的电流，完成切换过程。根据逻辑装置要完成的任务，它

20、由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成，逻辑装置的功能和输入输出信号如图4-1所示。 图4-1 无环流逻辑控制环节DLC其输入为电流给定或转矩极性鉴别信号和零电流检测信号，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号和反组晶闸管触发脉冲封锁信号。4.1.2 无环流逻辑装置的设计 1.电平检测器逻辑装置的输入有两个：一是反映转矩极性信号的转速调节器输出，二是来自电流检测装置反映零电流信号的，他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电路需要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量，也就是转换成“0”状态（将输入转换成近似为输出）或“1”状态（将输入转换成近似为

21、输出）。采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。其原理图见图4-2。图4-2 电平检测器原理图电平检测器的输入输出特性如图4-3所示，具有回环特性。由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽度的回环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测回环特性的动作电压，释放电压。调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。图4-3 电平检测器输入输出特性转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出，其输出为。电机正转时为负，为低电位（“0”态），反转时为正，为高电位（“1”

22、态）。零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号，其输出为。有电流时为正，为高电位（“1”态），无电流时为0，为低电位（“0”态）。2.逻辑保护 逻辑电路正常工作时，两个输出端总是一个高电位，一个低电位，确保任何时候两组整流一组导通，另一组则封锁。但是当逻辑电路本身发生故障，一旦两个输出端均出现低电位时，两组整流装置就会同时导通而造成短路事故。为了避免这种事故，设计有逻辑保护环节，如图4-4所示。逻辑保护环节截取了逻辑运算电路经延时电路后的两个输入信号作为一个或非门的输入信号。当正常工作时，两个输入信号总是一个是高电位，另一个是低电位。或非门输出总是低电位，它不影响脉冲封锁信号的正常输出

23、，但一旦两个输入信号均为低电位时，它输出一个高电位，同时加到两个触发器上，将正反两组整流装置的触发脉冲全部封锁了，使系统停止工作，起到可靠的保护作用。图4-4 逻辑保护装置结构图由电平检测、逻辑运算电路、延时电路、逻辑保护四部分就构成了无环流逻辑装置。其结构如图4-5所示。 图4-5 无环流逻辑装置结构图3.逻辑运算电路的输入是转速极性鉴别器的输出和零电流检测器输出。系统在各种运行状态时，和有不同的极性状态（“0”态或“1”态），根据运行状态的要求经过逻辑运算电路切换其输出去封锁脉冲信号的状态（“0”态或“1”态），由于采用的是锗管触发器，当封锁信号为正电位（“1”态）时脉冲被封锁，低电位（“

24、0”态）时脉冲开放。利用逻辑代数的数学工具，可以设计出具有一定功能的逻辑运算电路。设正转时为负，为“0”；反转时为正，为“1”；有电流时为正，为“1”；无电流时为负，为“0”。代表正组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。代表反组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。、表示“1”，、表示“0”。按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表4-1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。表4-1 逻辑判断电路各量要求的状态运 行 状 态 正向起动，I=00001 正向运行，I有0101 正向制动，I有1101 正向制动，I=01010 反向起动，I=01010 反向运行，

25、I有1110 反向制动，I有0110 反向制动，I00001根据正组封锁条件： （4-1）根据反组封锁条件： （4-2）逻辑运算电路采用分立元件，用或非门电路较简单，故将上述（4-1）式和（4-2）式最小化，最后化成或非门的形式。 （4-3） （4-4）根据（4-3）、（4-4）式可画得逻辑运算电路，如图4-6所示，它由四个或非门电路组成。依靠它来保证两组整流桥的互锁，并自动实现零电流时相互切换。图4-6 逻辑运算电路现举例说明其切换过程，例如，整流装置原来正组工作，这时逻辑电路各点状态如图4-6中“1”、“0”所示。图4-7 或非门电路现在要求整流装置从正组切换到反组，首先是转矩极性信号改变

26、极性，由“0”变到“1”，在正组电流未衰减到0以前，逻辑电路的输出仍维持原状（为“0”，正组开放。为“1”，反组封锁）。只有当正组电流衰减到零，零电流检测器的状态改变后，逻辑电路输出才改变状态，实现零电流切换，这是逻辑电路各点状态如图4-6所示。或非门电路如图4-7所示。采用锗二极管2AP13和硅开关三极管3DK4C是为了减小正向管压降。4.延时电路 前面的逻辑运算电路保证零电流切换，但仅仅采用零电流切换是不够的。因为零电流检测装置的灵敏度总是有限的，零电流检测装置变成“0”态的瞬间，不一定原来开放组的晶闸管已经断流。因此必须在切换过程中设置两段延时即封锁延时和开放延时，避免由于正反组整流装置

27、同时导通而造成短路。根据这个要求，逻辑装置在逻辑电路后面接有延时电路。图4-8 延时电路延时电路如图4-8所示，其工作原理如下：当延时电路输入为“0”时，输出亦为“0”态（截止、导通），相应的整流桥脉冲开放。当输入由“0”变为“1”时，电容C经充电，经一定延时后，导通，截止，即输出由“0”延时变“1”。相应的整流桥脉冲延时封锁。其延时时间由决定，这里整定为。当输入出“1”变“0”时，电容C的电荷要经过和基射极回路放电，经一定延时后，截止，导通，即输出由“1”延时变“0”。相应的整流桥脉冲延时开放。其延时时间由参数决定，这里整定为，这样就满足了“延时封锁”、“延时开放”的要求。4.2 速度给定环

28、节速度给定环节的线路如图4-9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。多圈电位计，能给出连续可调的正、反向速度。、和、采用固定电阻分压，作为正反向慢速给定，由减速继电器J控制。、和、也采用固定分压，它用来给定前进和后退的速度，由联锁继电器控制。图4-9 速度给定环节 联锁继电器在正常运行时得电，常开触头吸合，常闭触头断开，给定电位器、和、失电，而工作速度给定电位器，和慢速给定电位器、和、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

29、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上，当切削速度很低时，压合，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：（多圈电位器）4.3 控制电源电源采用了7815和7915稳压块，输出电流能力为3安。触发

30、功率电源用半波整流的24V，同时提供触发器同步电源。 7815和7915这类稳压器的特点是输出电压固定。但使用时很灵活，可以组接成可调试稳压器，提高输出电压，扩展电流等。用7815和7915的三端稳压器组成正负输出的稳压电路，如图4-10所示。图中稳压器的输入电容用以抵消输入端较长线的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容用以改善负载的瞬态响应，减小高频噪声。图中二极管、用于保护集成稳压器。图4-10 正负稳压输出电源4.4 逻辑无环流的推环节当拖动系统由正向运转切换到反向时，反组桥在刚刚开放的瞬间处于整流状态，所以整流桥的整流电压与电动机的反电势叠加，有很大的制动电流冲击。然后利用电流反馈将

31、反组桥推到逆变状态，由电流调节器维持制动电流不变，电机进行回馈制动，这就是一般无环流控制的制动过程。这种控制方法的主要问题是切换初始电流太大，特别是高速换向时尤为严重。这种电流冲击将造成较大的机械冲击，甚至造成过流保护跳闸。为了解决这个问题，我们采用以下的限流方法：既然产生换向电流冲击的根源是刚切换过来的反组桥处在整流状态（假定电流从正组桥切换到反组桥），整流电压与反电势相加产生很大的冲击电流。为使反组桥不处在整流状态而处在逆变状态，可以从无环流逻辑装置的输出分别引信号到电流调节器的入口，将正组的封锁电压引到正组电流调节器ACR1的入口，将反组封锁电压引到反组电流调节器ACR2的入口，如图4-

32、11所示。这样，当在封锁反组触发器的同时，也迫使反组电流调节器ACR2的输出为负限幅值，反组桥处在待逆变状态（假设需要使电流从反组桥切换到正组桥，则与的状态发生倒换）。由于有T型滤波网络的惯性，可以将逆变状态保持一小段时间，这样就避免了冲击电流。只要适当的选择滤波时间常数，可以将换向电流的上升前沿调节到要求的程度。图4-11 推环节4.5 触发电路1.系统对触发器的要求(1)为保证较宽的调速范围和可逆运行，要求触发脉冲能够在180范围内移向。(2)对于三相全控桥式整流电路，为了保证可控硅可靠换流，要求触发脉冲宽度大于60，或者用双窄脉冲。(3)为了使可控硅可靠导通，要求脉冲的电压和电流必需大于

33、相应可控硅的控制极触发电压和触发电流。对200A可控硅一般要求触发电压为4V左右，触发电流为200mA左右。为减小可控硅元件的导通时间提高元件承受电流上升率的能力要求脉冲前沿陡，上升时间在10us以内，采用强触发。(4)对可逆系统，为了防止逆变颠覆和提高工作的可靠性，触发脉冲需要有和限制。2.触发电路及其特点 根据对触发器的上述要求，选用同步信号为正弦波的晶体管触发电路。原理线路见图4-12，这种线路的优点是线路简单，调整容易。理论上移相范围可达180，实际上由于正弦波顶部平坦移相范围只能有150左右。移相的线性度就触发器本身来说较差，如把触发器和可控硅看成一个整体则由于相互补偿关系，它的线性

34、度则较好，即控制电压与可控硅整流电压的控制特性是接近线性的，由于作同步信号的正弦波电压随电源电压的波动而波动，当不变时，控制角也随电源电压的波动而波动，而可控硅整流电压，随电源电压增高而增高，而则随电源电压的增高而减小，故可维持近于不变。但当电源电压降得太低时，同步电压和控制电压可能没有交点，触发器不能产生触发脉冲，致使可控硅工作混乱，造成事故，所以这种触发器不宜用于电网电压波动很大的场合，此外，正弦波触发器容易受电源电压波形畸变的影响，因此同步电压输入信号必须加RC滤波器，移相角度一般要大于30。图4-12 同步信号为正弦波的触发电路原理图触发器采用内双窄脉冲（由与门电路实现），可以减小脉冲

35、变压器体积。为保证可控硅可靠的触发，脉冲宽度为20，脉冲幅值为200mA，为了提高可控硅承受的能力，脉冲带有强触发，强触发脉冲的幅值为400600mA。脉冲波形如图4-13所示。触发器还设计有和保护，保证系统逆变时可靠工作，不致逆变颠覆，取，由于采用逻辑无环流系统，不要求，取。 触发器共有五部分组成：脉冲形成和放大环节，脉冲移相环节，同步环节，双脉冲环节和强触发环节。脉冲移相环节 当管从导通到截止（即管由截止到导通）的瞬间产生脉冲。把一个直流控制信号电压和一个交流正弦波同步电压同时输入到管的基极点，当时，点电位完全由决定，为负半波时，点电位小于0，导通，为正半波时，点电位大于0，截止。由负变正

36、的瞬间就是输出脉冲的瞬间。图4-13 脉冲波形图 图4-14 同步电压的正弦波形一般当然希望在控制电压时整流电压输出为0，对三相整流电路电感性负载或电动机负载电流连续时，则整流电压。这就要求时的脉冲相位应对应于主回路的位置，也就要求同步电压的正弦波由负半波到正半波的过0点在处，如图4-14所示，当时，因点电位过0的瞬时是在瞬时值为负值时出现，因此的线图中反而画到横坐标下面了，这时脉冲相位相对于时是前移了，即，整流电路工作在整流状态。反之，脉冲就后移，即，整流电路工作在逆变状态。这种把同步电压相位固定，而利用交直流叠加进行移相控制的方法，称为正弦波移相的“垂直控制”，实质上它就是使，当由正的最大

37、值到负的最大值之间变化时，与得到不同的交点，这个交点的相位理论上说可以有180的变化，也就是脉冲信号可以在0180范围内移相。在实际工作中，当较大时，与正弦同步电压相交在正弦波的峰值附近，正弦电压变化较慢，的开关过程不干脆，的导通过程也较慢，为此，由的集电极到的基极接上一个180K电阻形成正反馈，使刚开始导通就加速的截止，也就反过来加速了的导通，这样输出脉冲前沿就比较陡。在这里移相信号就是同步电压，采用同一个正弦波。整流装置为防止脉冲丢失引起工作不正常，要求有限制。对可逆传动，整流装置需要工作在逆变状态，为防止逆变颠覆还要求有限制。本系统采用无环流控制系统，不要求的配合控制，故取，。的限制在图

38、4-12所示的触发电路中是采用在同步电压正弦波上叠加安全正弦波的措施实现的。从同步变压器的另外两个绕组上取两个电压，其中一个经R-Cl滤波通过二极管取其负半波作为限制，记作，另一个电压经R-C浸波通过二极管取其正半波作为限制，记作，如图4-15所示。图4-15 、的波形图4.6 调节器 采用由8FC2中增益线性固体组件构成的运算放大器，其特点是正负电压对称，为，故最大输出电压可达，输出最大电流可达1112mA。开环电压放大倍数为50000倍，它的电路如图4-16所示。其工作原理如下:、管组成射极跟随器，它的作用是：提高输入阻抗，减小输入偏置电流，从而降低失调电流。、组成第一级差动放大。双端输入

39、，双端输出。、为第二级差动放大，单端输出。、分别构成第一级、第二两级的恒流源，接成二极管形式，起温度补偿作用，以提高、的恒流特性。是共模反馈，从、的发射极取回共模信号，经放大后接到第级的集电极公共电阻的下端，以提高电路的共模抑制比和减小漂移，管是射极跟随器，它和PNP型管构成电压移动电路，降低静态工作电压，以便与后一级偶合，达到输入信号为零时输出信号也为零的要求。的输出送至输出级的基极，并且经过接成二极管的、送到的基极，利用这两个管子的压降，来保证无信号输入时，输出管、中流过一定的静态工作电流，避免产生输出波形的失真，、同时起补偿、管发射结温度特性的作用，使输出管的工作电流免受环境温度的影响，

40、、串联组成输出级。 图4-16 8FC2电路图8FC2组件共有14个管腿，其排列如图4-17所示。各脚的接法如下：1或12为反向输入端，2或3是同相输入端。8和10，9和11，7和5之间均可接入补偿网络，以消除电路的寄生振荡，具体数值大小要根据使用条件加以选择。5为输出端，6接电源（），4接负电源（）。13为空端，14为外壳接地 。图4-17 8FC2组件管教底视图8FC2组件的技术指标和性能见表4-2。由8FC2B2组件构成的转速和电流调节器的接线图如图4-18所示。为了使运算放大器工作稳定，不开环使用，接固定反馈电阻。转速调节器和电流调节器皆为PI调节器。由于8FC2的输入阻抗，故选择调节

41、器的输入阻抗。图中、为输入保护二极管。8FC2组件由于原电路中没有调零电位器的位置，输入偏置电流（）又小，改变两个输入端电阻的作用也不大，所以要考虑外接调零装置。例如在图8-21中，在反向输入端通过电位器W由电源引入一个补偿电压，使为零，但这种调零方法用的调零电源必须有很高的稳定度。组件的8和10，9和11端接消除自激振荡的RC校正网络，其数值由实际调整时确定。这里采用，。由电组、和二极管、组限幅环节，调节器最大输出限幅值为 附注：（1）电源电压为。（2）A类，、类12、3是输入端；B类，、类1、2是输入端。4.7 检测装置4.7.1 测速发电机系统用转速负反馈，用永磁式的直流测速发电机作为转

42、速检测元件。型号为ZYS，激磁电压为，最大工作转速为，激磁功率为，激磁电流为。测速发电机和工作台拖动电动机直接相连，安装要求对中不偏心，防止振动。图4-18 转速和电流调节器接线图4.7.2 电流检测装置系统采用双闭环调速系统，电流调节器需要检测主回路电流的反馈信号。其次，系统为逻辑无环流控制系统，逻辑装置需要零电流信号。第三，万一发生过流时，发出过流信号达到自动保护的目的。考虑上述要求，采用交流互感器作为电流检测装置。交流互感器构造简单，制造容易，线性度好，能反映电流波形。交流互感器电流检测装置的接线如图4-19所示。首先交流进线电路通过交流电流互感器变成输出额定电流为的电流信号，然后在的电

43、流加到交流互感器的输入端后，经二极管的三相全波整流后变为直流电压信号。输出量的大小可由电位器调整，与电位器并联的电阻可防止电流互感器二次侧开路造成的电压击穿事故。交流互感器选用标准的西安互感器厂生产的LQR-0.5型交流互感器：使用范围500A/0.1A，频率为50HZ，额定电压为0.5KV以下的交流进线。4.8 过流保护环节由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控硅。系统采用了三种过流保护措施： 电流调节器限流，电流整定值为250A， 过流保护环节，整定值为350A， 快速熔断器；对直流回路和每个可控硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。它可以在冲击电流很

44、大，冲击时间又很短的情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便。 图4-19 电流检测装置过流保护环节的电路如图 4-20所示。在系统正常工作时，电流检测装置输出电压小于14V （相当于主回路电流350A），稳压管DW不导通。BG1截止，继电器释放，BG2导通，BG3截止，发射极输出零电位，不影响正反组晶闸管整流装置的正常工作。当主回路电流超过350A 时，电流检测装置输出大于14V，稳压管DW被雪崩击穿，BG1导通，BG2截止，BG3导通，发射极输出高电位+15V，同时封锁正反两组触发器的脉冲。当BG1导通时继电器得电吸合。一方面自锁，另一方面使继电器得电吸合，在交流侧线路接

45、触器S-B线圈中的常闭触头打开，使S-B跳闸，切断主回路交流电源。改变电阻和数值或选择不同稳压值的稳压管DW即可整定不同的跳闸电流。图4-20 过流保护环节4.9 防止传动机构撞击的换向转矩限制环节逻辑无环流可逆调速系统的传动装置的换向动作不仅要快，而且应避免传动机构的撞击。传动机构的撞击是由它各部件之间的间隙产生的，假如拖动电动机的转矩以高值迅速换成相反方向的话，在传动机构间隙之间，电动机会因此加速得如此厉害，使传动机构各部件边缘互相严重碰撞。尤其采用晶闸管装置供电后，由于电动机起、制动电流上升前沿较陡，因此在换向时传动机构的撞击现象更为显著。因此，在转矩改变方向时，希望新方向转矩起初得有一

46、段时间保持在小的数值上，直到传动机构边缘互相啮合上为止。然后，才能使传动机构承受所允许的最大转矩。这种要求固然增加了换向时间和超程，但为了延长传动机构的寿命却是必须要顾及到的。图4-21 换向转矩限制环节电动机的起制动电流和转矩是由电流调节器的给定电压也就是转速调节器的输出电压决定的，限制了它也就限制了电动机的转矩。基于这种想法，可以设计两个单稳电路，它的输出分别引到正、反组电流调节器的一个输入端上，图4-21示出了这一环节的结构。正常工作时单稳电路输出为0V，对电流调节器没有影响。当换向时，例如从正转到反转，正转制动时反组桥开放，反组电流调节器ACR2已经由反向器输入一个-10V的电压，这时

47、使单稳电路触发翻转，输出一个+6V的电压。这时对电流调节器相当于一个-4V的给定电压，如果整定电流调节器给定值为-10V时相当于制动电流为250A，现给定为-4V，则制动电流在一开始瞬间只能是100A，这样制动转矩就受限制。传动机构中的主动件制动速度减慢，使反向间隙靠近，传动机构的撞击减小。等传动机构反向啮合后再取消转矩限制而以最大转矩制动和反向起动以提高快速性。这受单稳电路翻转时间决定，等单稳电路触发信号消失后，其输出又由+6V回到0V时转矩限制取消，所以整定单稳电路的延时时间即可调整转矩限制时间。 单稳电路如图4-22所示。根据换向转矩限制的要求，每次制动瞬间要求单稳电路触发翻转一次，因此

48、单稳电路的触发输入信号可利用无环流逻辑装置的输出信号。当正向制动（即由正组桥切换到反组桥开放）时，无环流逻辑装置输出恰恰由“1”态变为“0”态，则反组单稳电路就触发翻转一次，输出一个+6V的脉冲给反组电流调节器ACR2，达到限制正向制动转矩的目的。反之，当反向制动（即由反组桥切换到正组桥开放）时，无环流逻辑装置输出恰恰由“1”态变为“0” 态，则正组单稳电路就触发翻转一次，输出一个+6V的脉冲给正组电流调节器ACR1，达到限制反向制动转矩的目的。该换向过程的波形图如图4-23所示。图4-22 单稳电路图4-23 换向过程波形图第五章 无环流控制系统运行状态及特性分析5.1 无环流控制系统各种运

49、行状态5.1.1 正向起动到稳定运转当给出正向起动讯号，为正，转速调节器ASR的输出为负，转矩极性鉴别器DPT输出的状态仍为“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一个信号为正，这时DPZ的输出为“

50、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的大小，改变的大小，可以在一定范围内任意调速。5.1.2 正向减速过程正向减速时，则要突减给定电压（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，使正向整流装置进入逆变状态。电枢电流减小，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。此过程一直进行到衰减到零，本桥

51、逆变结束。2.第一次切换当衰减到零，本桥逆变结束，零电流检测器输出从1态变为0 态，经封锁延时，逻辑装置的输出从0态变为1态，封锁正组整流装置触发脉冲，再经开放延时，由1态变为0态，开放反组晶闸管整流装置脉冲。但是，在延时过程中，逻辑装置输出已经变为1态，而还没有变为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.他桥逆变阶段经过延时后，逻辑装置的输出变为0态。此阶段电流调节器输出退出负限幅值，向正的变化，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（）后，电动机的转

52、速直线下降，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，则，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，逻辑装置经延时，变为1态，封锁反组脉冲，再经延时，变为0

53、态，开放正组脉冲。待电流调节器输出变为正值并且正组整流电压后，建立整流电流，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。5.1.3 正转制动当给定停车命令后，由于机械惯性，转速负反馈仍存在，在它的作用下，转速调节器的输出由负变正。因此DPT输出由“0”变“1”，如图5-1所示。但是只要电流未衰减到零，DPZ输出仍为“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”，H

54、F4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由“0”经延时后变“1”，即当电流过零后正组整流装置的脉冲经封锁延时后被封锁。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（）逻辑装置输出至反组触发器的脉冲封锁信号由“0”经延时后变“1”，即当电流过零后反组整流装置的脉冲经开放延时后开放。 从制动过程来看大体可以分为两个阶段。制动的第一阶段是主回路电流过零以前，这是由于转速调节器输出改变了极性，正组触发装置GTF的输入移相

55、控制信号变负，而正组整流装置仍然是导通的，故处于逆变状态。主回路电感很快衰减，释放能量，通过处于逆变状态的正组整流装置将能量送回电网，这个过程称为“本桥逆变”过程。这个过程是很短的，因为此刻（电机的反电势，正组整流装置的逆变电压），所以电流的衰减是很快的。图5-1 制动时的逻辑电路图制动的第二阶段，也就是制动的主要阶段，是在切换到反组整流装置以后。当切换开始，由于转速调节器的输出由负变正。这个极性使为正，对正组整流装置是逆变状态（）。而使为负，对反组整流装置则是整流状态（）。因此，刚切换过来反组整流装置开放时是处在整流状态，其整流电压与电动机反电势同极性相串联，形成很大的制动电流，这电流通过电

56、流调节器的作用才把反组的触发脉冲推向的逆变状态，而且维持电流为恒值，直到最后电机转速制动到零为止。同理，可分析反向时的各种运行状态。当反向起动的主令信号给出后，由于首先要完成逻辑切换，解除反向组触发脉冲的封锁，因此反向起动要滞后一个延时时间。5.1.4 停车状态 停车时，转速给定信号，转速调节器和电流调节器的输出和均为零，触发器输出的触发脉冲在位置，变流装置输出整流电压为零，电动机处于停止状态。此时，零电流检测器的输出为0态，但转矩极性鉴别器输出的状态却有两种可能：一种是由负变为零，则为0态；另一种是由正变为零，则为1态。所以停车状态是正组晶闸管有脉冲，还是反组晶闸管有脉冲，则视接通电源时，的

57、状态而定，或者是系统已经工作了一段时间之后，则由停车前一时刻的状态而定。为方便以下分析，先假设停车时，为0态，为0态，则为0态，为1态，此时再正向起动，其逻辑装置不必进行切换；若是再反向起动，逻辑装置输出就应切换，且有的延时，才能反向起动，比正向起动拖长了约的时间。5.2 系统参数计算及测定5.2.1 电枢回路电磁时间常数1.主回路总电阻如图5-2接线，拉掉电机磁场，利用单组整流桥试验。先在主回路中串入电阻，调节触发装置输入电压，使整流电压为115V，整流电流为93A，然后使固定不变，主回路加串一段电阻，整流电流由93A降到47A，整流电压由115V升到120V。 图5-2 整流电源内阻测试线

58、路整流电源内阻电动机电枢电阻取平波电抗器的电阻主回路总电阻式中 1.2环境温度为时电阻值修正系数2.主回路总电感由第三章计算知电枢电感，折算到变流变压器二次侧每相绕组漏电感，平波电抗器电感故主回路总电感3.电枢回路电磁时间常数5.2.2 电动机机电时间常数1.电机飞轮惯量的测定把空载的电动机起动到自然特性上，转速稳定后迅速拉开电枢电源（但保持激磁电源，并使激磁电流为额定值）用转速表记下自由停车过程中转速的变化（每隔1或2秒读一次数）读数力求准确，重复做两三次，画出n=f(t)曲线，如图5-3所示。图5-3 飞轮惯量的测定曲线再测得在不同转速下电动机的空载损耗曲线，由于，故曲线可以转化为曲线，如

59、图5-3所示。借助于与可求出电动机飞轮惯量。在上任取一点X，求得斜率，再从曲线上凭转速n的对应点找到，于是：本装置实测电动机飞轮惯量。2.电动机机电时间常数电动机转矩系数电动机机电时间常数5.2.3 触发器晶闸管放大倍数的测定图5-4 晶闸管放大倍数测定接线图图5-5 和的特性曲线用电动机的激励绕组作为负载，按图5-4接线，在触发器上加一个可调的直流电压，用万用表测出触发器的输入电压和相应的整流器输出电压，画出和的特性曲线，在工作点附近取一个增量，则试验测得：5.3 系统静动态特性的分析调整5.3.1 系统的静特性1.系统的静态结构框图如图5-6所示图5-6 系统的静态结构框图图中：转速给定装

60、置的输出电压（V） 负载电流（A） 晶闸管整流装置的稳态放大倍数（）主回路总电阻（）电动机电势系数（）转速反馈系数（）电流反馈系数（）； 转速调节器静态放大倍数（）；电流调节器静态放大倍数（）；2.静态速降根据图5-6静态结构图可以直接写出系统的静特性方程式式中 开环系数放大倍数额定负载时，静态速降 系统的静差率满足静差率小于5%的要求。5.3.2 系统动态参数计算与调试1.系统的动态结构图忽略反电势的影响，系统的动态结构图如图5-7所示 图5-7 系统的动态结构框图图中转速调节器的传递函数； 电流调节器的传递函数 晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数，； 电流反馈滤波时间常数，； 转速反馈滤波时间常数 ； 晶闸管整流电路的失控时间，对于三相桥式电路 电动机电枢回路的电磁时间常数 机电时间常数 主回路总电阻 电动机电势系数（） 电动机转矩系数（） 转速反馈系数（） 电流反馈系数（）； 2.设计原则：从内环开始，逐步向外扩展，在双闭环系统中，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.电流调节器的设计(1)