逻辑无环流可逆直流调速设计.pdf

目录 摘要2 一逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 2 二无环流逻辑装置的组成 4 三无环流逻辑装置的设计 5 四逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态10 五系统参数计算及测定13 六、参考文献16 摘要：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 一逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 所示，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。图 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iU经反号器 AR 作为 2ACR 的给定信号iU,这样可使电流反馈信号iU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。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。二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：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。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。使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。由零电流检测器得到零电流信号后，经3ms5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。由零电流检测器得到零电流信号后，经ms10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。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*iU和零电流检测信号0iU，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号1U和反组晶闸管触发脉冲封锁信号2U。三无环流逻辑装置的设计 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*iU，二是来自电流检测装置反映零电流信号的0iU，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V0输出）或“1”状态（将输入转换成近似为V15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mVUr1001，释放电压mVUr802。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*iU，其输出为TU。电机正转时*iU为负，TU为低电位（“0”态），反转时*iU为正，TU为高电位（“1”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0iU，其输出为IU。有电流时0iU为正，IU为高电位（“1”态），无电流时0iU为 0，IU为低电位（“0”态）。逻辑运算 电路的输入是转速极性鉴别器的输出TU和零电流检测器输出IU。系统在各种运行状态时，TU和IU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（“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*iU为负，TU为“0”；反转时*iU为正，TU为“1”；有电流时*iU为正，IU为“1”；无电流时*iU为负，IU为“0”。1U代表正组脉冲封锁信号，1U为“1”时脉冲封锁，1U为“0”时脉冲开放。2U代表反组脉冲封锁信号，2U为“1”时脉冲封锁，2U为“0”时脉冲开放。TU、IU、1U、2U表示“1”，TU、IU、1U、2U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 TU IU 1U 2U 正向起动，I=0 0 0 0 1 正向运行，I 有 0 1 0 1 正向制动，I 有 1 1 0 1 正向制动，I=0 1 0 1 0 反向起动，I=0 1 0 1 0 反向运行，I 有 1 1 1 0 反向制动，I 有 0 1 1 0 反向制动，I0 0 0 0 1 根据正组封锁条件：2221UUUUUUUUUUITITIT （3-1）根据反组封锁条件：1112UUUUUUUUUUITITIT （3-2）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（3-1）式和（3-2）式最小化，最后化成或非门的形式。2221UUUUUUUUUUITITIT )(222ITTITTUUUUUUUUU )()(22ITITUUUUUU （3-3）1112UUUUUUUUUUITITIT )(111ITTITTUUUUUUUUU)(1ITUUU)(1TIUUU （3-4）根据（3-3）、（3-4）式可画得逻辑运算电路，如图 3-4 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 3-4 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 3-4 中“1”、“0”所示。图 3-5 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极性，TU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（1U为“0”，正组开放。2U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 3-4 所示。或非门电路如图 3-5 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。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 3-6 延时电路 延时电路如图 3-6 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（1BG截止、2BG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1R充电，经一定延时后，1BG导通，2BG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CR1决定，这里整定为ms3。当输入出“1”变“0”时，电容 C 的电荷要经过2R和1BG基射极回路放电，经一定延时后，1BG截止，2BG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2CR参数决定，这里整定为ms10，这样就满足了“延时ms3封 锁”、“延时ms10开放”的要求。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 4-7 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，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 3-7 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 3-8 所示。图 3-8 无环流逻辑装置结构图 四逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态 1.1 正向起动到稳定运转 当给出正向起动讯号，*nU为正，转速调节器 ASR 的输出*iU为负，转矩极性鉴别器 DPT 输出TU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90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0iU为正，这时DPZ 的输出IU为“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*nU的大小，改变*nU的大小，可以在一定范围内任意调速。1.2 正向减速过程 正向减速时，则要突减给定电压*nU（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：.本桥逆变阶段 由于*nU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*iU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，30min，使正向整流装置进入逆变状态。电枢电流dI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dI衰减到零，本桥逆变结束。.第一次切换 当dI衰减到零，本桥逆变结束，零电流检测器输出IU从 1 态变为 0 态，经封锁延时dblt，逻辑装置的输出1U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dtt，2U由 1 态变为 0 态，开放反组晶闸管整流装置脉冲。但是，在dtt延时过程中，逻辑装置输出1U已经变为 1 态，而2U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。.他桥逆变阶段 经过dtt延时后，逻辑装置的输出2U变为 0 态。此阶段电流调节器输出退出负限幅值，向正的ctfU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（dmI）后，电动机的转速n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*iU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ctfU，则 30min，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。.第二次切换 当反组逆变电流衰减到零后，逻辑装置经dblt延时，2U变为 1 态，封锁反组脉冲，再经dtt延时，1U变为 0 态，开放正组脉冲。待电流调节器输出ctfU变为正值并且正组整流电压EUd1后，建立整流电流1dI，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。1.3 正转制动 当给定停车命令后，0*nU，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*iU由负变正。因此 DPT 输出TU由“0”变“1”，如图 5-1所示。但是只要电流未衰减到零，DPZ 输出IU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”，HF4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1U由“0”经dblt延时后变“1”，即当电流过零后正组整流装置的脉冲经dblt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dtt（ms7）逻辑装置输出至反组触发器的脉冲封锁信号2U由“0”经dtt延时后变“1”，即当电流过零后反组整流装置的脉冲经dtt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*iU改变了极性，正组触发装置 GTF 的输入移相控制信 图 5-1 制动时的逻辑电路图 号ctfU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EUdtdiLdf（E电机的反电势，dfU正组整流装置的逆变电压），所以电流的衰减是很快的。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1U为正，对正组整流装置是逆变状态（90）。而使2U为负，对反组整流装置则是整流状态（90）。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，这电流通过电流调节器的作用才把反组的触发脉冲推向 90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。1.4 停车状态 停车时，转速给定信号0*nU，转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出*iU和ctU均为零，触发器GT输出的触发脉冲在 90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DPZ的输出IU为 0 态，但转矩极性鉴别器输出TU的状态却有两种可能：一种是*iU由负变为零，则TU为0 态；另一种是*iU由正变为零，则TU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，TU的状态而定，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，TU为 0 态，IU为 0 态，则1U为 0 态，2U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dtdbltt的延时，才能反向起动，比正向起动拖长了约ms10的时间。五系统参数计算及测定 1.1 电枢回路电磁时间常数.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1R，调节触发装置输入电压ctU，使整流电压为 115V，整流电流为 93A，然后使ctU固定不变，主回路加串一段电阻2R，整流电流由 93A 降到 47A，整流电压由 115V 升到 120V。VVVU5115120 AAAI464793 图 5-2 整流电源内阻测试线路 整流电源内阻 125.0465IURn 电动机电枢电阻 21(SR21()322eeeeIPIU038.03051060305220)3223051.0 取04.0SR 平波电抗器的电阻 0144.030522002.0%2%2eeePIURR 主回路总电阻 215.0)0144.0125.004.0(2.1)(2.1PnsRRRR 式中 1.2环境温度为C75时电阻值修正系数.主回路总电感 由第三章计算知电枢电感mHLs202.1，折算到变流变压器二次侧每相绕组漏电感mHLB084.0，平波电抗器电感mHL75.0 故主回路总电感 mHLLLLBa08.22.电枢回路电磁时间常数 sRLTl0097.0215.01008.23 1.2 电动机机电时间常数.电机飞轮惯量2GD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2GD的测定曲线 再测得在不同转速下电动机的空载损耗曲线)(nfPK，由于nPMKK975，故)(nfPK曲线可以转化为)(nfMK曲线，如图 5-3 所示。借助于)(nfMK与)(tfn 可求出电动机飞轮惯量。在)(tfn 上任取一点 X，求得斜率Xtn)(，再从曲线)(nfMK上凭转速 n 的对应点找到KXM，于是：XKXtnMGD)(3752 本装置实测电动机飞轮惯量228mkgGD。.电动机机电时间常数 电动机转矩系数 min202.003.1208.003.1rVCCem 电动机机电时间常数 ssCCRGDTmem109.0202.0208.0375215.083752 1.3 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 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cU和相应的整流器输出电压dU，画出cU和dU的特性曲线，在工作点附近取一个增量，则 2121CCddSUUUUK 试验测得：30SK 参考文献：1陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 3 版）机械工业出版社，2003 2顾谷绳.电机及拖动基础第四版 （上、下册）机械工业出版社，2009 3黄俊，王兆安电力电子技术（第 4 版）机械工业出版社，2009 4直流电机调速系统 倪忠远 机械工业出版社，1996