雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜 合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問(wèn)題的能力。 課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、 綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué) 水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定 如下基本要求。1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì) 結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績(jī)。2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)

2、生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通 過(guò)努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱、目的及技術(shù)要求記錄 于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績(jī)占10%左右。3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的 正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績(jī)占 30%左右。4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性 能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分

3、析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第四項(xiàng)中，考核成績(jī)占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真閱讀和本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀 摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第五項(xiàng)中，考核成績(jī)占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出 23個(gè)問(wèn)題，通過(guò)答辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握 的程度，以及對(duì)問(wèn)題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績(jī)占 25%左右。7. 學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì) 報(bào)告書交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課

4、程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì) 全過(guò)程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見(jiàn)和每 一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績(jī)（百分制），最后將百分制評(píng)分成績(jī)轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、 良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成績(jī)。8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存 檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，分析系統(tǒng)工作原理，掌握調(diào) 節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法。技術(shù)要求及初始條件：1直流電機(jī)額定參數(shù):Un 二220V, In= 140A ,1100 r/min, Ra= 0.4

5、Q電機(jī)過(guò)載倍數(shù)入=1.4。2測(cè)速發(fā)電機(jī)參數(shù)：23W, 110V, 0.21A, 1900 r/min，永磁式。3. 主電路采用三相全控橋，交叉連接，進(jìn)線交流電源：三相380V。4. 穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速超調(diào)量不超過(guò) 10%，電流超調(diào)量不超過(guò)5%。 設(shè)計(jì)任務(wù)：1. ASR及其反饋電路設(shè)計(jì)。2. ACR及其反饋電路設(shè)計(jì)。3. 無(wú)環(huán)流邏輯控制器DLC設(shè)計(jì)。4. 主電路及保護(hù)電路設(shè)計(jì)。5. 集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。6.提供系統(tǒng)總電路圖。設(shè)計(jì)要求：1 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說(shuō)明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電路圖，說(shuō)明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程。3. 對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。3. 畫出

6、整體電路原理圖，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。4. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證（可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路 原理圖和PCB圖）1方案選擇1.1方案一：采用單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)但因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值Ider以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)電流達(dá)到最大值Idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電

7、磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。1.2方案二：采用帶電流截止負(fù)反饋的有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋的系統(tǒng)可以解決反饋閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大問(wèn)題，而且該量只在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)就取消，且電流隨著負(fù)載增減。有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流雖然可以對(duì)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載造成負(fù)擔(dān)，但是只要合理的對(duì)環(huán)流進(jìn)行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過(guò)晶閘管的基本負(fù)載電流，使電動(dòng)機(jī)在空載或 輕載時(shí)可工作在晶閘管裝置的電流連續(xù)區(qū)，以避免電流斷續(xù)引起的非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。1.3方案三：米用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的無(wú)環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是使用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)

8、速負(fù)反 饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而在此甚 礎(chǔ)上再加中電流負(fù)反饋，則可使系統(tǒng)的電流不能無(wú)限制的增加，而當(dāng)系統(tǒng)在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受 限制時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。由此可知，雙閉環(huán)使得系統(tǒng)的調(diào)速性能大大提高。帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)雖然能大大改善系統(tǒng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)的性能，但實(shí)際上由于其實(shí)質(zhì)是電流和轉(zhuǎn)速共用一個(gè)調(diào)節(jié)器，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，電流和轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)互相扯皮的現(xiàn)象， 不能在根本上解決問(wèn)題。邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)是目前在生產(chǎn)中使用最為廣泛的可逆系統(tǒng)。由于無(wú)環(huán)流，所以不在設(shè)置環(huán)流電抗器。但為保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù)，仍保留平波電

9、抗器 Ld。所以它兼有無(wú)環(huán)流和電流波形連續(xù)的特點(diǎn)，所以比直流平均環(huán)流和配合控制有更好的效果。綜上所述，且因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)要求，故選擇方案三。下面對(duì)方案三進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。2邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如下圖1所示。圖1邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR 速度調(diào)節(jié)器ACR1、ACR2 正、反組電流調(diào)節(jié)器GTF、 GTR正反組整流裝置VF、VR正反組整流橋DLC無(wú)環(huán)流邏輯控制器TA 交流互感器TG 測(cè)速發(fā)電機(jī)M 工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)AR 反號(hào)器主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路,由于沒(méi)有環(huán)流，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器，但是為了保證運(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù)性，應(yīng)保留平波電抗器

10、?？刂凭€路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器ACR1和ACR2，ACR1用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置，ACR2控制反組觸發(fā)裝置，ACR1的給定信號(hào)Ui*經(jīng)反向器AR同時(shí)作為ACR2的給定信號(hào)Ui* ,這樣就可以 使電流反饋信號(hào) Ui*的極性在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)都不用改變，從而可采用不反應(yīng)電流極性的電流檢測(cè)器，即交流互感器和整流器。由于在主電路中不設(shè)均衡電抗器，一旦出現(xiàn)環(huán)流將造成嚴(yán)重的短路事故，所以對(duì)工作時(shí)的可靠性要求特別高，為此在系統(tǒng)中加入了無(wú)環(huán)流控制器DLC ,以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，所以 DLC是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換， 或者允許正組觸發(fā)裝置

11、發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖反組，或者允許反組觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下，決不允許兩組晶閘管同時(shí)開放，確保主電路沒(méi)有產(chǎn)生環(huán)流的可能。3電路設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算由已知條件計(jì)算電樞回路總電感量L取 L=0.0063HL=0.693 -=0.693=6.3mHIdminJ3 "40X0.1則勵(lì)磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.0158s丁 L 0.0063HTi =R0.4'.1計(jì)算電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) CeCeUn 1 N RanN220 -140 0.41100=0.149 v r/min計(jì)算電流反饋系數(shù)J 10=10= 0.0476V/A1.5In 1.5 1

12、40計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=10= 10 =0.009V/A nN 1100確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts。取三相橋式電路的平均失控時(shí)間為Ts = 0.0017s。T、i=Ts J = 0.0037s。 整流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。由條件可知 Toi = 0.002s 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:WACR (S)二K, iS 1)jST _ 0.0158T j _ 0.0037檢查對(duì)電流電壓的抗擾性能:T1T1111m =T

13、2T25102030ACmax 匯 100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4= 4.27表1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能參照表1典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：-i =T| =0.0158s參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比匸1.00.80.7070. 60. 5超調(diào)里c0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間trQO6.6 T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tpQO8.3 T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度y76.3 ：

14、69.9 ：65.5 ：59.2 ：51.8：截止頻率軋0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T表2 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系電流開環(huán)增益：要求 G -5%時(shí)，按表2,應(yīng)取KiB =0.50.5Z0.00匸13曲已 ACR的比例系數(shù)為是，iiJ135.1 °.°158 °.仁0.448Ks -40 0.0476校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:Wcj = K0.0037(1) 閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件11js 196.078s:ci3Ts 3 0.0017(2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件! 1

15、- : 1(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件3'TsToi 一30.0017 0.002oiCZZJ圖2PI型電流調(diào)速器如圖2所示Kj =昱 玄=R C iT° i = 1 R 0C ° i 取 R)=40k 0，則R04R= KiR° = 0.448 況40 =17.92k0，取20kQG = i = 0.01583 =0.7卄，取 0.8FR 20"0is28.35( 0.0158s 1)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/ KI :有前面的計(jì)算可得1 20=2 0.0037s =0.0074sKi轉(zhuǎn)速

16、濾波時(shí)間常數(shù)T°n :有條件可知Ton二0.01 o1轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù) T升：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tyn =丄+Ton=0.0074s+0.01 =0.0174一- Ki選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為Wasr(S)=竺口計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取h =5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n 二 hT n = 5 0.0174 = 0.087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益knh +1Kn 222hT、n= =396.35s2 50.0174ASR的比例系數(shù)Kn(h 1) GTm2h： RT n(5 1) O.。476 O.149 O.182.2

17、3s2 5 0.009 0.4 0.0174檢驗(yàn)近似條件由公式 K = 1 'c可得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為K11cn n = Kn n =396.35 0.087s=34.48s_'1(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為二 13 ' 0.0037135.1 s'= 63.695s*1 Ki3Ton(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1 135.1sJ =38.74 cn3 0.01均滿足近似要求。325計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容u* 豊a1n =RnCn，G = 1 RoCon，K4RnCn©2* J2圖3RnRo二 KnR0 =12.23 40k=489.2心， n

18、0.087n3 JF = 0.174，Rn 500 10PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取 R。=40K| ,則取 500k1，取0.2取 rF 。Conh345678910a52.6%r 43.6%r 37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111=理=4平F,R040 10校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量表3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)當(dāng)h =5時(shí)，由表3得，二n =37.6%，不能滿足設(shè)計(jì) 二n乞10%的要求。實(shí)際上，由于表3是按線性系

19、統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。F面對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算:設(shè)理想空載啟動(dòng)時(shí)z = 0，Cmax =81.2% ，Cb帶入cn嚴(yán) =2(4)。Cb nCbn Tm140 0.4可得s ="81.2%“斗帛汁罟務(wù)7.51。1?？梢詽M足設(shè)計(jì)要求。3.3無(wú)環(huán)流邏輯控制器DLC設(shè)計(jì)331無(wú)環(huán)流邏輯裝置的組成在無(wú)環(huán)流控制系統(tǒng)中，反并聯(lián)的兩組整流橋需要根據(jù)所要求的電樞電流極性來(lái)選擇其中一組整流橋運(yùn)行，而另一組整流橋觸發(fā)脈沖是被封鎖的。兩組整流橋的切換是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩極性需 要反向時(shí)由邏輯裝置控制進(jìn)行的。其切換順序可歸

20、納如下： 由于轉(zhuǎn)速給定變化或負(fù)載變動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩極性反向。 由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反映這一轉(zhuǎn)矩的極性，并由邏輯裝置對(duì)該極性進(jìn)行判斷，然后發(fā)出切換 開始的指令。 使導(dǎo)通側(cè)的整流橋（例如正組橋）的電流迅速減小到零。 由零電流檢測(cè)器得到零電流信號(hào)后，經(jīng)35ms延時(shí)，確認(rèn)電流實(shí)際值為零，封鎖原導(dǎo)通側(cè)整流橋的觸發(fā)脈沖。 由零電流檢測(cè)器得到零電流信號(hào)后，經(jīng)10ms延時(shí)，確保原導(dǎo)通側(cè)整流橋晶閘管完全阻斷后，開放待工作側(cè)整流橋（例如反組橋）的觸發(fā)脈沖。 電樞內(nèi)流過(guò)和切換前反方向的電流，完成切換過(guò)程。根據(jù)邏輯裝置要完成的任務(wù)，它由電平檢測(cè)、邏輯判斷、延時(shí)電路和聯(lián)鎖保護(hù)電路四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，邏輯裝置的功能和輸

21、入輸出信號(hào)如圖4所示。囂igDLC環(huán)流邏零電流輯控制DLC輸入為電流給定或轉(zhuǎn)U 1和反組矩極性鑒別信號(hào)Ui和零電流檢測(cè)信號(hào)Ui0，輸出是控制正組晶閘管觸發(fā)脈沖封鎖信號(hào)晶閘管觸發(fā)脈沖封鎖信號(hào) u2。332無(wú)環(huán)流邏輯裝置的設(shè)計(jì) 電平檢測(cè)器邏輯裝置的輸入有兩個(gè)：一是反映轉(zhuǎn)矩極性信號(hào)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出U*，二是來(lái)自電流檢測(cè)裝置反映零電流信號(hào)的 Uio，他們都是連續(xù)變化的模擬量，而邏輯運(yùn)算電路需要高、低電位兩個(gè) 狀態(tài)的數(shù)字量。電平檢測(cè)器的任務(wù)就是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，也就是轉(zhuǎn)換成“0”狀態(tài)（將輸入轉(zhuǎn)換成近似為0V輸出）或“ 1”狀態(tài)（將輸入轉(zhuǎn)換成近似為15V輸出）。采用射極偶合觸發(fā)器作電平檢測(cè)器。為了提高

22、信號(hào)轉(zhuǎn)換的靈敏度，前面還加了一級(jí)差動(dòng)放大和一級(jí)射極跟隨器。其原理圖見(jiàn)圖5。O Use測(cè)器輸入輸出轉(zhuǎn)矩極性鑒別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖5電平檢測(cè)器原理圖電平檢測(cè)器的輸入輸出特性如圖6所示，具有回環(huán)特性。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出和電流檢測(cè)裝置輸出都具有交流分量，除入口有濾波外，電平檢測(cè)需要具有一定寬度的回環(huán)特性，以防止由于交流分量使邏輯裝置誤動(dòng)作，本系統(tǒng)電平檢測(cè)回環(huán)特性的動(dòng)作電壓Ur1 =l00mV，釋放電壓Ur2 =80mV。調(diào)整回環(huán)的寬度可通過(guò)改變射極偶合觸發(fā)器的集電極電阻實(shí)現(xiàn)。圖6 電平檢特性器的輸入信號(hào) 的輸出U*，其 輸出為Ut。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)Ui為負(fù),Ut為低電位（“ 0”態(tài)）,反轉(zhuǎn)時(shí)U i為正，U t

23、為高電位（“ 1” 態(tài)）。零電流檢測(cè)器的輸入信號(hào)為電流檢測(cè)裝置的零電流信號(hào)Ui0,其輸出為U。有電流時(shí)ui0為正，U I為高電位（“ 1”態(tài)），無(wú)電流時(shí)u i0為0, U I為低電位（“ 0”態(tài)）。 邏輯運(yùn)算電路的輸入是轉(zhuǎn)速極性鑒別器的輸出u T和零電流檢測(cè)器輸出U丨。系統(tǒng)在各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，Ut和U|有不同的極性狀態(tài)（“0”態(tài)或“ 1 ”態(tài)）根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)的要求經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算電路切換其輸出去封鎖脈沖信號(hào)的狀態(tài)（“ 0”態(tài)或“1”態(tài)），由于采用的是鍺管觸發(fā)器，當(dāng)封鎖信號(hào)為 正電位（“ 1”態(tài)）時(shí)脈沖被封鎖，低電位（“ 0”態(tài)）時(shí)脈沖開放。利用邏輯代數(shù)的數(shù)學(xué)工具， 可以設(shè)計(jì)出具有一定功能的邏輯運(yùn)算電路

24、。-,f tt*設(shè)正轉(zhuǎn)時(shí)u i為負(fù)，Ut為“ 0 ”；反轉(zhuǎn)時(shí)ui為正，Ut為“ 1 ”；有電流時(shí)u i為正，U I為 “1” ；無(wú)電流時(shí)u；為負(fù)，U|為“ 0”。u 1代表正組脈沖封鎖信號(hào)，U1為“ 1 ”時(shí)脈沖封鎖，U 1為“ 0”時(shí)脈沖開放。U 2代表反組脈沖封鎖信號(hào)，U2為“ 1”時(shí)脈沖封鎖，U2為“ 0”時(shí)脈沖開放。u T、u I、U 1、U 2 表示 “ 1”，U T、U|、U1、U 2 表示“ 0 ”。按系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可列出各量要求的狀態(tài)，如表4所示，并根據(jù)封鎖條件列出邏輯代數(shù)式。根據(jù)正組封鎖條件：uuTuIu2 uTuIu2 uTuIu2根據(jù)反組封鎖條件：U2 二 UtUiU1

25、UtU iU1 UtUiU1運(yùn)行狀態(tài)UtU|U1U2正向起動(dòng)，1=00001正向運(yùn)行，1有0101正向制動(dòng)，1有1101正向制動(dòng)，1=01010反向起動(dòng)，1=01010反向運(yùn)行，1有1110反向制動(dòng)，I有0110反向制動(dòng)，I = 00001表4邏輯判斷電路各量要求的狀態(tài)邏輯運(yùn)算電路采用分立元件，用或非門電路較簡(jiǎn)單，故將上述式子最小化，最后化成或非門 的形式。U1 =UTU2 UTUIU2 =U2(UT UTU 卄 U2(Ut U=U2 (Ut ujU 2 =UtUi UtUiUi = U i(U t U tU i ) = U i (U t Ui=Ui (Ui Ut)根據(jù)上述式子可畫得邏輯運(yùn)算電

26、路，如圖7所示，它由四個(gè)或非門電路組成。 依靠它來(lái)保證兩組整流橋的互鎖，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零電流時(shí)相互切換。圖8或非門電現(xiàn)在要求 切換到反組，首 號(hào)改變極性，“1”，在正組圖7邏輯運(yùn)算電路現(xiàn)舉例說(shuō)明其切換過(guò)程，例如，整流裝置原來(lái)正組工作，這時(shí)邏輯電路各點(diǎn)狀態(tài)如圖8中“1”、“ 0” 所示。路整流裝置從正組先是轉(zhuǎn)矩極性信Ut由“ 0”變到電流未衰減到 0以前，邏輯電路的輸出仍維持原狀(U!為“ 0”，正組開放。U2為“ 1 ”，反組封鎖)。只有當(dāng)正組電流衰減到零，零電流檢測(cè)器的狀態(tài)改變后，邏輯電路輸出才改變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)零電流切換，這是邏輯電路各點(diǎn)狀態(tài)如圖3-4所示?；蚍情T電路如圖 3-5所示。采用鍺二極管

27、 2AP13和硅開關(guān)三極管3DK4C是為了減小正向管壓降。 延時(shí)電路前面的邏輯運(yùn)算電路保證零電流切換，但僅僅采用零電流切換是不夠的。因?yàn)榱汶娏鳈z測(cè)裝置的靈敏度總是有限的，零電流檢測(cè)裝置變成“ 0”態(tài)的瞬間，不一定原來(lái)開放組的晶閘管已經(jīng) 斷流。因此必須在切換過(guò)程中設(shè)置兩段延時(shí)即封鎖延時(shí)和開放延時(shí)，避免由于正反組整流裝置同 時(shí)導(dǎo)通而造成短路。根據(jù)這個(gè)要求，邏輯裝置在邏輯電路后面接有延時(shí)電路。延時(shí)電路如圖9所示，其工作原理如下：當(dāng)延時(shí)電路輸入為“ 0”時(shí)，輸出亦為“ 0”態(tài)（BGi 截止、BG2導(dǎo)通），相應(yīng)的整流橋脈沖開放。當(dāng)輸入由“0”變?yōu)椤?1 ”時(shí)，電容經(jīng)Ri充電，經(jīng)一定延時(shí)后，BGi導(dǎo)通，B

28、G2截止，即輸出由“ 0”延時(shí)變“ 1 ”。相應(yīng)的整流橋脈沖延時(shí)封鎖。 其延時(shí)時(shí)間由R1C決定，這里整定為3ms。當(dāng)輸入出“ 1”變“ 0”時(shí)，電容C的電荷要經(jīng)過(guò)R2和 BGi基射極回路放電，經(jīng)一定延時(shí)后，BG1截止，BG2導(dǎo)通，即輸出由“ 1 ”延時(shí)變“ 0 ”。相應(yīng)的整流橋脈沖延時(shí)開放。其延時(shí)時(shí)間由CR2參數(shù)決定，這里整定為10ms，這樣就滿足了“延時(shí)3ms封鎖”、“延時(shí)10ms開放”的要求。 邏輯保護(hù)邏輯電路正常工作，兩個(gè)輸出端總是一個(gè)高電位，一個(gè)低電位，確保任何時(shí)候兩組整流一組 導(dǎo)通，另一組則封鎖。但是當(dāng)邏輯電路本身發(fā)生故障，一旦兩個(gè)輸出端均出現(xiàn)低電位時(shí)，兩組整 流裝置就會(huì)同時(shí)導(dǎo)通而造

29、成短路事故。為了避免這種事故，設(shè)計(jì)有邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)，如圖10所示。邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)截取了邏輯運(yùn)算電路經(jīng)延時(shí)電路后的兩個(gè)輸入信號(hào)作為一個(gè)或非門的輸入信號(hào)。當(dāng)正常工作時(shí)，兩個(gè)輸入信號(hào)總是一個(gè)是高電位，另一個(gè)是低電位。或非門輸出總是低電位,它不影響脈沖封鎖信號(hào)的正常輸出，但一旦兩個(gè)輸入信號(hào)均為低電位時(shí)，它輸出一個(gè)高電位，同 時(shí)加到兩個(gè)觸發(fā)器上，將正反兩組整流裝置的觸發(fā)脈沖全部封鎖了，使系統(tǒng)停止工作，起到可靠 的保護(hù)作用。10保置圖電測(cè)、邏圖輯裝構(gòu)由檢輯運(yùn)算電路、延時(shí)電路、邏輯保護(hù)四部分就構(gòu)成了無(wú)環(huán)流邏輯裝置。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11無(wú)環(huán)流邏輯裝置結(jié)構(gòu)圖3.4主電路設(shè)計(jì)圖12邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電

30、路邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路如圖12所示,兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會(huì)存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時(shí)，不能簡(jiǎn)單的 把原來(lái)工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即圭寸鎖，而同時(shí)把原來(lái)圭寸鎖著的一組橋立即開通，因?yàn)橐呀?jīng) 導(dǎo)通的晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷，必須待晶閘管承受反壓時(shí)才能關(guān)斷。 如果對(duì)兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時(shí)進(jìn)行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖 著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時(shí)導(dǎo)通的情況，因沒(méi)有環(huán)流電抗器，將會(huì)產(chǎn)生很大的短路電 流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲(chǔ)存的一

31、 部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機(jī)上，直到儲(chǔ)存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，?原晶閘管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來(lái)封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。3.5保護(hù)電路設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)由于過(guò)載、直流側(cè)短路、逆變失敗、環(huán)流和交流側(cè)短路等原因會(huì)引起系統(tǒng)過(guò)流而損壞可控硅。系統(tǒng)采用了三種保護(hù)措施：電流調(diào)節(jié)器限流，電流整定值為250A， 過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)，整定值為350A,快速熔斷器；對(duì)直流回路和每個(gè)可控硅元件設(shè)快速熔斷作最后一道過(guò)流保護(hù)。它可 以在沖擊電流很大，沖擊時(shí)間又很短的情況下保護(hù)設(shè)備，從而使系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、操作方便。過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)的電路如圖 13所示。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，電流檢測(cè)裝置輸出電壓

32、小于14V （相當(dāng)于主回路電流350A),穩(wěn)壓管DW不導(dǎo)通。BG1截止，繼電器J0釋放，BG2導(dǎo)通，BG3截止，發(fā)射極輸出零電位，不影響正反組晶閘管整流裝置的正常工作。當(dāng)主回路電流超過(guò)350A時(shí)，電流檢測(cè)裝置輸出大于14V,穩(wěn)壓管DW被雪崩擊穿，BG1導(dǎo)通，BG2截止，BG3導(dǎo)通，發(fā)射極輸出高 電位+15V,同時(shí)封鎖正反兩組觸發(fā)器的脈沖。當(dāng)BG1導(dǎo)通時(shí)繼電器J0得電吸合。一方面自鎖，另一方面使繼電器 J!得電吸合，J!在交流側(cè)線路接觸器 S-B線圈中的常閉觸頭打開，使S-B跳閘，切斷主回路交流電源。 改變電阻R1和R2數(shù)值或選擇不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管DW即可整定不同的跳閘電流。4-15V OJoR

33、2D1羅2CF12 |''2K2CP12 R3 IF10KJ° R4圖13過(guò)流保護(hù)J16-15V環(huán)節(jié)過(guò)電壓保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過(guò)高 ，使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器 件,因此，有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路。用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路如圖14所示。圖14輸入過(guò)電壓保護(hù)在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過(guò)電阻R,使晶體管 V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開，切斷輸入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值5V的開Vz=ESrmax

34、 UBE。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起，構(gòu)成極性保護(hù)鑒別和過(guò)電壓保護(hù)電路。輸出過(guò)電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對(duì)輸出為關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)三極管,瞬時(shí)造成很大的損失。 常用突然損壞，輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值的方法是晶閘管短路保護(hù)。最簡(jiǎn)單的過(guò)電壓保護(hù)電路如圖15所示。圖15簡(jiǎn)單的輸出過(guò)電壓保護(hù)當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，把輸出端短路，造成過(guò)電流，通過(guò)保險(xiǎn)絲或電路保護(hù)器將輸入切斷，保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開通時(shí)間，約為510卩s。它的缺點(diǎn)

35、是動(dòng)作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的 離散性，型號(hào)相同但過(guò)電壓起動(dòng)值卻各不相同，給調(diào)試帶來(lái)了困難。圖16輸出過(guò)電壓保護(hù)圖16是改進(jìn)后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準(zhǔn)電壓。輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通?；鶞?zhǔn)電壓Vz由式Esc=(R1 + R2)(Vz + UBEI)/R1 ，來(lái)確定，UBE偽V1的發(fā)射結(jié)(BE)電壓降。本電路的動(dòng)作電壓可變，并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為 7V時(shí)，其溫度系數(shù)和晶體管 V1的發(fā)射結(jié)(BE)電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很 低。但是對(duì)于輸出為 55.5V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，其常用的

36、動(dòng)作電壓是 5.56V。那么穩(wěn)壓 管電壓必在 3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是一20一30mV/C。因此，溫度變化大的場(chǎng)合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。采用集成電路電壓比較器來(lái)檢測(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓， 是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過(guò)電壓保護(hù) 電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。3.6集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)電路采用集成移相觸發(fā)芯片TC787,和TCA785及KJ （或KQ系列移相觸發(fā)集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA785和一塊KJ041、一塊KJ

37、042器件組合才能具有的由圖可見(jiàn)：在它的內(nèi)部集成了三個(gè)過(guò)零和極性檢測(cè)單元、三個(gè)鋸齒波形成單元、 三個(gè)比較器、一個(gè)脈沖發(fā)生器、一個(gè)抗干擾鎖定電路、一個(gè)脈沖形成電路、一個(gè)脈沖分配及驅(qū)動(dòng)電路。引腳18、I、2分別為三相同步電壓 Va、Vb、Vc輸人端。引腳16、15和14分別為產(chǎn)生相對(duì)于 A、B和C三相同步電壓的鋸齒波充電電容連接端。電 容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。引腳13為觸發(fā)脈沖寬度調(diào)節(jié)電容Cx,該電容的容量決定著 TC787輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，輸出脈沖寬度越寬。引腳5為輸出脈沖禁止端，該端用來(lái)在故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效。引腳4為移相控制電壓輸入端。該端輸

38、入電壓的高低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍。引腳12、10、8、9、7和11是脈沖輸出端。其中引腳12、10和8分別控制上半橋臂的A、BC相晶閘管；引腳9、7和11分別控制下半橋臂的A、B和C相晶閘管。正組晶閘管觸發(fā)電路原理圖如圖18所示，反組的和正組相同。20k三相同步變壓器182Dk 12V 173Ublf o12V 6UcfVACAVBCBVCccexVDDAVSS-APCEPI-B CVR-CTC7B7VF16141513121 A1 FWE7弋s: C, -Cn圖18正組觸發(fā)電路原理圖四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析（分析試驗(yàn)過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問(wèn) 題的正確性和必然性，分析產(chǎn)

39、生不正確結(jié)果的原因和處理方法）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程：設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U：由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖19。圖19雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I、II、山三個(gè)階段。第I階段-電流上升的階段 （0 _tj突加給定電壓Un后，Id上升，當(dāng)Id小于負(fù)載電流Idl時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id _ Idl后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓

40、保持限幅值Uim，強(qiáng)迫電流Id迅速上升直到，I d =1 dm， u i =U im電流調(diào)節(jié)器很快就壓制I d 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段 中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。第II階段-恒流升速階段館_t2）在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流Uim給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。和此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，Id應(yīng)略低于Idm，恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。第III階段-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 （t2 _t3）當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Ui*m，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏