1、 逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 1 页 共 36 页课程设计（论文）题目：逻辑无环流可逆直流调速系统设计学生姓名： 学 号： 班 级: 专 业： 指导教师： 2017 年 6 月逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 2 页 共 36 页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。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，此时一般采用 V-M 可逆调速系统。在反并联的 V-M 可逆电路中，在一定的条件下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，称为环流。它
2、增加了电路的损耗，可能导致直流系统的逆变颠覆等问题。因此，最好的办法是消除环流。本论文通过逻辑无环流可逆调速系统的设计实例和 MATLAB 建模仿真，探讨和研究了逻辑无环流可逆调速系统的参数计算和系统的软硬件设计及其实现。关键词：可逆直流调速系统；逻辑无环流；逻辑控制器 ；MATLAB 仿真 逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 3 页 共 36 页目 录1 绪论 51.1 设计的目的和意义 51.2 设计要求及有关数据 61.3 设计任务 62 系统方案的选择 72.1 调速方式的选择 72.2 调速系统的主要形式选择 72.3 电源电路的选择 83 硬件电路的设计 93.1 直流电动机的主电路
3、 93.2 变压器的选择 103.2.1 变压器变压比和二次电压的计算 103.2.2 变压器变压容量的计算 103.3 三相桥式全控整流电路的设计 113.3.1 晶闸管参数的计算 113.3.2 晶闸管保护措施的电路设计 123.4 平波电抗器电感的计算与选择 133.5 电机励磁回路设计 154 系统动、静态性能的设计 164.1 系统的原理与原理框图 16逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 4 页 共 36 页4.2 静态工作电路的设计 174.2.1 静态结构框图与静特性 174.2.2 静态参数的计算 184.3 电流环的设计 194.3.1 调节器参数计算 204.3.2 调节器实
4、现 204.4 转速环的设计 224.4.1 调节器参数计算 224.4.2 调节器实现 224.5 逻辑无环流调速系统的起、制动过程分析 224.5.1 系统的起动分析 244.5.2 系统的制动分析 254.6 整个调速系统基于 Bode 图的动态性能分析 265 其他辅助电路设计 285.1 转速检测电路设计 285.2 电流检测电路设计 285.3 零电平检测电路设计 295.4 逻辑控制器 DLC 的设计 296 系统的 MATLAB 仿真 306.1 MATLAB（Simulink）的介绍 306.2 电力系统（Power System）工具箱 326.3 系统模块的建模 326.
5、3.1 电源和6脉冲触发器的建模与封装 326.3.2 逻辑控制器的建模与封装 336.4 整个逻辑无环流可逆调速系统的建模 336.5 仿真中所存在的问题 357 课程设计总结 35参考文献 36逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 5 页 共 36 页1 绪论1.1 设计的目的和意义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
6、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
7、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，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，逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 6 页 共 36 页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。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作*iU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 信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封
8、锁哪*i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可逆系统。本论文利用逻辑控制器解决了直流可逆调速系统中的环流问题，减少了不需要的损耗，避免了逆变颠覆问题，使得系统在启制动和运行的过程更加稳定。1.2 设计要求及有关数据设计一个转速、电流双闭环无环流控制的可逆晶闸管-电动机直流调速系统，已知直流电动机已知电动机参数为：，电动势系数5,750,6,375/minNNNNPkWUVIAnR, 电枢回路总电阻 R=0.14,允许电流过载倍数 =1.5,触发1.82min/eCr整流环节的放大倍数 Ks=75,电磁时间常数 =0.031s,机电时间常数 =0.11
9、2s,lTmT电流反馈滤波时间常数 =0.002s,转速反馈滤波时间常数 =0.02s。设调节器iT0 n0输入输出电压 ,调节器输入电阻 。 *1nminmUV4Rk1.3 设计任务1.设计指标:稳态无静差，电流超调量 5%，空载起动到额定转速时的转速超调量i10%。电流调节器已按典型 I 型系统设计,并取参数 KT=0.5。n(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 和转速环的截止频率 ，并考虑它们是否合cicn理?2.设计内容：(1) 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逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 7 页 共 36 页系统的组
10、成，画出系统组成的原理框图。(2) 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。(3) 绘制动态波形，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。(4) 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 系统方案的选择2.1 调速方案的选择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。改变电枢回路电阻R来调速比较简单，控制设备不复杂，但调速范围不大，调速平滑性不高，并且是有级调速。采用弱磁调速优点是在功率较小的励磁电路中进行调节的话，控制方便，能量损耗较小，平滑性较高，但是弱磁调速在额定转速
11、以上调节电动机的 不可能太高，它受电动机的机械maxn强度及换向限制。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，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，我选择变压调速。2.2 调速系统的主要形式选择采用转速负反馈和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，逻辑无环流可逆直流
12、调速系统设计第 8 页 共 36 页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 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，dcrI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。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
13、回馈制动问题。综上所诉，选择双闭环可逆调速系统能得到较好系统性能，以满足要求。2.3 电源电路的选择由于电动机的额定参数都比较大，因此，采用三相电源供电线路。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。而本系统要求直流电动机可在四象限运行，采用并联的两组三相桥式全控整流电路与直流电动机相接，可保证直流电动机可在四个象限运行。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
14、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=min 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，直流电动机的额定电压高于一次侧电压，因此，需要采用升压变压器。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见后面的分析。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 9 页 共 36 页图 2.3 三相桥式全控整流电路原理图3 硬件电路的设计3.1 直流电动机的主电路图 3.1 逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 3.1 所示，两组桥在任何
15、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式同时进行，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逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 10 页 共 36 页管断流，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，
16、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。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。3.2 变压器的选择3.2.1 变压器变压比和二次电压的计算在本设计中，直流电动机的额定电压为 ，额定电流为 。750NUV760NIA桥式全控整流电路中，输出的平均电压为 ，式中 为控制角。2.34cosd因此直流电动机的额定电压和变压器二次侧的关系为： d2.34cos750NUV即当控制角为 时， 。一次侧相电压为02/.342.1，为了
17、得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角12aUV形，避免 3 次谐波流入电网。而根据计算，二次应输出的是线电压为 ，230.51UV则其相电压为 。到此，我们可以计算出其变压器的2/320.51/38aUV变压比为 ，因此，我们取变压器的变压比为 N=1。2185/.4aNV综上所述，我们得到变压器的变压比为 N=1，二次侧电压为逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 11 页 共 36 页。223038aUV图 3.2.1 变压器符号3.2.2 变压器容量的计算根据电气传动控制系统设计指导（机械工业出版社.2004）中对于变压器容量的计算可得如下计算。变压器一次侧容量的计算： 12I
18、LNUVKSm变压器二次侧容量的计算： 122IVNUSK式中 是变压器一次、二次绕组相数。对于三相全控桥： ；12、 m 123=m是一次侧电流计算系数，在此 ：ILK0.816IL是一次侧电流计算系数，在此 ：IV IVK是一次侧电流计算系数，在此U 2.34U将具体数值代入公式中，可计算得 。因此，变压器的平均容量10SkA。1230.SkVA3.3 三相桥式全控整流电路的设计3.3.1 晶闸管参数的计算逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 12 页 共 36 页桥式电路中晶闸管参数计算：对于三相桥式全控整流电路，晶闸管电流的有效值为：210.573VTddIII因此，流过晶闸管的额定电流为
19、：().68.360279.81.57VTVTAdIIIA为了保证电路安全可靠地运行，取 倍的安全裕量， 1.5:()420VTAI为了保持电流连续，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：2.45.38091FMRUV为保证晶闸管安全可靠地工作，取 23 倍的安全裕量， 20VTU3.3.2 晶闸管保护措施的电路设计（1）过压保护图 3.3.2.1 晶闸管的 RC 保护电路晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路，以对晶闸管提供过电压、过电流等相关保护。产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的浪涌电压等，
20、针对形成过电压的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制过电压能量的上升速率、增加其能量的耗散等，目前最常用的是中主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸收回路或缓冲电路。 通常过电压具有较高的频率，因此常采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼电阻，构成 R、C 吸收回路。阻容吸收回路可以接在电源输入侧（交流侧）、输出侧（直流侧）和晶闸管的阳极和阴极之间。但 R、C 阻容吸收逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 13 页 共 36 页回路的时间常数是固定的，对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能力有限，因而在输入侧，通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件，用以对晶闸管的过电压进行
21、吸收。硒堆由多片硒片叠合而成，硒堆涌流容量大，对过电压抵制效果好，有自恢复特性等优点，但因体积大，价格高，在中、小容量的晶闸管装置中，已经很少应用。压敏电阻的电压与电流呈非线性关系，当其两端所加电压低于压敏电压值时，压敏电阻的电阻值接近无穷大，为高阻状态，对连接电路没有影响；当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时，迅速击穿导通（变为低阻状态），形成较大的泄放电流。当其端电压因泄放又低于压敏电压值时，又恢复为高阻态。当其两端电压超过最大限制电压时，压敏电阻出现不可逆性击穿损坏。压敏电阻在电路中起到过电压保护、抑制浪涌电流、吸收尖峰电压、电压限幅、稳压等作用。图 3.3.2 中的电路，是并联在晶闸管阳
22、极和阴极之间的 RC 吸收回路，对晶闸管两端的电压跃变产生抑制作用，降低闸管元件在换向时承受的过电压冲击。其“瞬升”电压尖刺为电容 C 所吸收，电阻 R 为防止振荡出现的阻尼电阻。（2）过流保护图 3.3.2.2 交流侧晶闸管的过流保护产生过载的主要原因：负荷过载、线路短路、电源缺相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等，因晶闸管元件体积小，过载时会造成结温过高而烧毁，所以必须严格限制过载电流，除控制（电子）电路实施的保护外，在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器，对晶闸管的过载进行保护，在发生 6 倍晶闸管额逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 14 页 共 36 页定电流时，一个周波可以熔断。此外，还
23、可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护，但保护速度和效果不如快速熔断器。 快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的 1.251.5 倍。3.4 平波电抗器电感的计算与选择为了使负载得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。图 3.4 平波电抗器若要求变流器在某一最小输出电流 时仍能维持电流连续，则电抗器的dminI电感按下式计算：21dminULIk式中 为整流变压器二次侧电压有效值；2为要求连续的最小负载电流平均值。取电动机额定电流的 5%10%。dm
24、inI为临界计算系数。1k对于不同控制角 ，所需的电感量 为1L21dminULsIk本设计中的参数为： ， , 2750VdI760A， ，临界值 。将以上所述参数dminI5%1038dI1k.9390代入可计算出本设计所需的临界电感参数值为 1750L.69.68mH3整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感 按下式计算：TL逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 15 页 共 36 页2TULIdlNK式中 与整流主电路形式有关的系数，本设计 ，2U750V， ， 。将以上所需参数代入式可计算出漏电I760AN5%10:dl 3.9T感 的值，即TLT73.9.85mH直流电动机的电感 (
25、mH)可以按照以下公式计算：DL3102NUKpnI式中 是直流电动机磁极对数；P是计算系数。一般无补偿电动机取 8 12，快速无补偿电动机取 6 8，有补偿电DK:动机取 5 6。:代入数据可得3D750L1215.2636mH综上所述，直流电动机的电枢电感约为 ，可得使输出电流连DL续的临界电感量1DTLL13.68520.3857.64hN(上式中，在三相桥路中 N 取 2)根据选取原理，平波电抗器要选的值应比 大，故选 10mH 的电感作为平波电Lh抗器。3.5 电动机励磁回路设计直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电动
26、机可分为下列几种类型。他励直流电动机；并励直流电动机；串励直流电动机；复励直流电动机。本设计采用他励形式给电动机励磁。将线路电压经过变压器和三相全桥不可控整流电路变成 220V 的直流电压，给电动机励磁。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 16 页 共 36 页4 系统的静、动态性能设计4.1 系统的原理与原理框图图 4.1 逻辑无环流可逆调速系统的原理框图逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 17 页 共 36 页正向启动时，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，
27、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
28、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。4.2 静态工作电路的设计4.2.1 静态结构框图与静特性图 4.2.1 逻辑无环流可逆调速系统的静态结构框图逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 18 页 共 36 页图 4.3 双闭环直流调速系统的静特性在转速调节器的输出和电力电子变换器的控制电压 之间串入了电流反馈 Uc控制环节，由电流调节器的输出控制 。本系统采用的是带限幅的 PI 调节器。 Uc在稳态时输入偏差电压 总为 0，因此 *0nn iidI图 4.3 绘制了双闭环可逆调速系统的静态特性，图中
29、 CA 段就是描述了两个调节器都不饱和时的静特性，电流的大小是从理想空载状态 一直延续到0dI，表现为一条水平特性。dmI系统在稳态运行时，对应负载的电枢电流的最大值为 ，如图 4.3 中的 AdmI点。在此工作点上，ASR 的的输出已达到饱和值 ，若电动机负载继续增大， ，造成 ，在此 的情况下，*imUdLmI0n0nASR 的输出维持在限幅值 不变，转速外环呈开环状态。双闭环系统就变成一*imU个电流无静差的单闭环调速系统。 *imddIIASR 的限幅值 是自主选定的，由此限定了最大电流值 。图 4.3 中 AB 段就imUdmI是上式所描述的静特性，它是一条垂直的特性。逻辑无环流可逆
30、直流调速系统设计第 19 页 共 36 页所以当转速调节器不饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为转速无静差；转速调节器饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值。图 4.3 也反映了 ASR 调节器退保和的条件，当 ASR 调节器处于饱和状态时，若负载电流减小， ，则使得转速上升， ， ，ASRdmI dLmI 0n反向积分使得 ASR 调节器退出饱和又回到线性调节状态，结果使系统运行在静特性 CA 段。4.2.2 静态参数的计算图 4.2 是逻辑无环流可逆调速系统的静态结构图，ASR 和 ACR 均为 PI 调节器。PI
31、 调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，当到达稳定时，PI 调节器的输入偏差必然为零，而输出量的稳态值必须满足后面其他环节稳定运行的实际需要，否则就不是稳态。逻辑无环流调速系统在稳态工作时，转速的变化率 ，故电枢电流等0dnt于负载电流， ,由 ACR 的的输入 推得，转速调节器的输出（即电dLI 0iU流调节器的给定）电流调节器的输出当转速调节器不饱和时，由 和 ，推得0nU0根据各调节器的给定值和反馈值可计算出相应的反馈系数0n*dLi*i IsdL*nesdesd0c /KRICRIKmax*nd*iIU逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 20 页 共 36 页在本设计中， ，其中*10
32、nminmUV1.5.76014dmNIIA。max375/NnR代入数据即求得， ，.267.8724.3 电流环的设计要求稳态无静差，电流超调量 ，空载起动到额定转速时的转速超调5%i量 。电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。10%n已知电动机参数为：PN =500kW，UN =750V，IN =760A，nN=375 r/min，电动势系数Ce =1.82Vmin/r, 电枢回路总电阻 R=0.14,允许电流过载倍数=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数 =0.031s,机电时间常数lT=0.112s,电流反馈滤波时间常数 =0.002s,转速反馈滤波
33、时间常数mT0iT=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*= Unm =10V,调节器输入电阻0nR0=40k。4.3.1 调节器参数计算（1）整流装置滞后时间常数 ：三相桥式全控整流电路平均失控时间sT。T 0.7ss（2）电流滤波时间常数 ：oii0.235s（3）电流的小时间常数 ：按小时间常数近似处理：iT0.45isoiTs4.3.2 调节器实现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4.3.2所示。图中 为电流给定电压， 为电流负反馈电压，调节器的输出就是iU dI电力电子变换器的控制电压 。c逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 21 页 共 36
34、页根据设计要求 ，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流5%i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：(1)iACRKsW检查对电源电压的抗扰性能： 0.318.7liTs电流调节器超前时间常数： .il取电流反馈系数： 10.872.56imnUVAI电流环开环增益：取 ，因此IiKT10.5.35.47IiKsTs于是，ACR的比例系数为：1.0.10.869752IiisR校验近似条件电流环截止频率： 135.4ciIKs晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。1196.30.7cis sT忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，满足近
35、似条件。11140.820.8.3ciml sTs电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。11180.30.7.2cisoi ss逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 22 页 共 36 页图 4.3.2 PI 型电流调速器计算调节器的电阻电容：按所用运算放大器取 ，各电阻和电容值为：04Rk，取 0.8693.76iiRK35k，取 310.0.895iiCFF 0.89，取 6304.2.1.2oiiTR.根据原理，按照上述最佳参数设计，查表可知，电流环可以达到动态跟随性能指标 ，满足设计要求。4.%5i4.4 转速环环的设计4.4.1 调节器参数计算电流环等效时间常数： 120.37.
36、04iITssK转速滤波时间常数： .ons转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取10.74.20.74nonITssK逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 23 页 共 36 页电压反馈系数： 10.3min375innmNUVrr4.4.2 调节器实现调节器实现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 4.4.2 所示。图中 为转速给定电压， 为转速负反馈电压，调节器nUn的输出是电流调节器的给定电压 。i按设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为：(1)nASRKsWs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：50.274.13n
37、hTs转速开环增益为：22221659.8450.7NnKsh于是，ASR 的比例系数为：(1)6.1.029.5622534.7emnnCThR校验近似条件转速环截止频率为:1159.840372.9NcnnKs电流环传递函数简化条件为： ，cniI sT117.630.3转速环小时间常数近似处理条件为：，1115.427.30I cnonKs逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 24 页 共 36 页上述计算均满足设计要求。 计算调节器的电阻与电容：图 4.4.2 PI 型转速调节器按所用运算放大器取 ，则kR40，取09.56382.6nRK380，取3170.58nCF.4F，取 6304
38、.212onTR当 5=h 时，由查书上表得， ，不能满足设计 的设计要37.%n 10%n求。实际上，由于表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况计算超调量。max* 760.14.2782()20.81.59.3103nNnbmTCz可以满足设计要求。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。如果主要追求的目标是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就可以了。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 25 页 共 36 页4.5 逻辑无环流调速系统的起、制动过程分析4.5.1 系统的起动分析按转速调节
39、器 ASR 不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：I.电流上升阶段(0 t1 )。突加给定电压 后， 上升，当 小于负*nUdIdI载电流 时，电机还不能转动。当后dl后，电机开始起动，由于机电lI惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 ASR 的输入偏 差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 ，强迫电流迅速上升直到 ，电*imUdmI流调节器很快就压制了 的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，dIASR 很快进入并保持饱和状态，而 ACR 一般不饱和。 II.恒流升速阶段 (t1 t2 )。在这个阶段中，ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流 给定下的电流调节系统
40、，基本上保持电流*imU恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。dI与此同时，电机的反电动势 E 也按线性增长，对电流调节系统来说， E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， 和 也必须基本上按线性增长，0dc才能保持 恒定。当 ACR 采用 PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输dI入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， 应略低于 。dImI图 4.5.1 系统起动转速和电流波形逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 26 页 共 36 页III.转速调节阶段（ t2 以后） 。当转速上升到给定值时，转速调节器 ASR 的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 ，
41、所以电机仍*imU在加速，使转速超调。转速超调后，ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， 和 很快下降。但是，只要 仍大于负载电流 ，转速就继续上dI*iUdIdlI升。直到 ，转矩 ，则 ，转速 n 才达到峰值。 （t=t3 时） ，此dlIelT0ndt后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间（t3t4)， ，dlI直到稳定，如果调节器 参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 在最后的转速调节阶段内，ASR 和 ACR 都不饱和，ASR 起主导的转速调节作用，而 ACR 则力图使 尽快地跟随其给定值 ，或者说，电流内环是一dI*imU个电流随动子系统。4.5.2 系统
42、的制动分析系统的制动过程分为三个阶段，如图 4.5.2 所示第阶段：发出停车指令 ，电动机并不能立即进*0nU入制动状态，由于惯性，电动机电流应从当前值降到 0，正组由整流状态很快变成 的逆min变状态，反组投入工作，提供反方向电枢电流通路。第阶段：过零时，本组逆变终止，反组进入整流dI状态，向主电路提供反向电流，在到达 以dmI前，电机处于反转制动，转速降低。第阶段：反向电流达到 并略有超调，ACR 退出饱和，进入闭环工作状态，目的是维dmIctUdLInE000 tttctmU dmI图 4.5.2 系统制动转速、电压和电流波形逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 27 页 共 36 页持电流
43、为最大值。第阶段：E 下降不能维持 不变，于是电流立即衰减，直到电机停止运转。dmI4.6 整个调速系统基于 Bode 图的动态性能分析图 4.6.1 系统的动态结构图逻辑无环流可逆直流调速系统的动态结构图如图 4.6.1 所示，它是一个转速、电流双闭环的可逆调速系统。在设计系统时，波特图是一种重要的分析工具，它的绘制方法比较简单，可以确切地提供系统的稳定性和稳定裕度。根据前面的设计，在此绘制了系统的波特图，如图 4.6.2 所示。图 4.6.2 系统的波特图在定性分析闭环系统的性能时，通常将波特图分为低频中频和高频段。图逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 28 页 共 36 页中截止频率 ，从
44、图中我们可以看出：195.6cs截止频率 是以 的斜率穿过横轴，其频带较宽，其稳定性能20/dBec好；同时，其截至频率为 较高，则系统的快速性能比较好；195.6cs其次低频段的斜率比较陡，说明其稳态精度比较高，在上述计算也可以看出基本满足其稳态精度的要求；再者，其高频段衰减比较快，说明系统拥有较好的抗干扰和抗噪声能力。5 其他辅助电路设计5.1 转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过
45、滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图 5.1 所示。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 29 页 共 36 页图 5.1 转速检测电路原理图5.2 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器（霍尔传感器）构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其实际电路原理图如图5.2所示。图5.2 电流检测电路原理图5.3 零电平检测电路设计零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图5.3.1和图5.3.2所示。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第 30 页 共 36 页图5.3.1 零
