电拖课设

摘要

逻辑无环流直流可逆调速系统主电路由正桥和反桥反相并联组成。这种线路能实现可逆运行、回馈制动等，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。本课设对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计。

关键词： 逻辑无环流系统 转速调节器 电流调节器 可逆调速

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逻辑无环流直流可逆调速系统设计4

1设计任务及要求

1.1技术数据及技术指标

直流电动机：PN=3KW，UN=220V，IN=17.5A，nN=1500r/min，Ra=1.25Ω 堵转电流Idbl=2IN，截止电流Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2 三相全控整流装置：Ks=40，Rrec=1. 3Ω 平波电抗器：RL=0.3Ω

电枢回路总电阻 R=2.85Ω，总电感 L=200mH , 滤波时间常数：Toi=0.002s，Ton=0.01s, 其他参数：Unm*=10V，Uim*=10V，Ucm=10V σi≤5%，σn≤10

1.2设计任务

1.2.1技术要求

(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) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

1.2.2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系统的组成，画出系统组成的原理框图

(2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）

(3) 动态设计计算：根据技术要求，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

(4) 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） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书

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2理论设计

2.1方案论证

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，称做环流。这样的环流对负载无益，因此应该予以抑制或消除。

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。

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，另一组桥路。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，也可用单片机实现。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。

2.3逻辑无环流调速系统主电路

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路原理如图2-1。

图2-1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路

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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。

2.4逻辑无环流调速系统的原理图

逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如图2-2。

图2-2 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图

（TG：永磁式直流测速发电机；DLC：逻辑控制器；TA：三相电流传感器；ASR：转速调节器；Ld：平波电抗器；ACR：电流调节器；TR：联接的三相整流变压器；

U：三相整流桥；GTR、GTF为正反组晶闸管触发电路；A:反相器）

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3系统主电路设计

3.1整流元件参数设计

U02.34cos

UdUN220V,取=0°

Ud220U294.02V

2.34cos2.34Idmin(5%10%)IN,这里取10%。

U0.69394.02L0.693237.23mH

Idmin0.117.5*Unm100.0067

nN1500U10im0.286VA

Idbl217.5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：

I2IVT1Id0.577Id 3则晶闸管的额定电流为：

IVT(AV)IVT0.368Id0.36817.5A6.44A 1.57

取1.5~2倍的安全裕量，IVT(AV)12A

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：

UFMURM2.45U22.4594.02230.35V

取2~3倍的安全裕量，UVT600V

3.2保护电路的设计

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，

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实现过流保护。过流保护电路如图3-1。

图3-1 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。

3.3整流变压器的参数设计

整流变压器的一次相电压U1就是电网相电压,根据本系统要求的整流电压Ud=220V,整流电流Id=17.5A,下面对整流变压器的额定参数进行计算。 二次相电压：U294.02V

二次相电流：I2K2Id0.81617.514.28A

一次相电流：I1I2I2U214.2894.026.10A KU1220二次容量：S23U2I2394.0214.284027.82VA 一次容量：S13U1I132206.104026VA 平均计算容量：SS1S24026.91VA 23.4平波电抗器的参数设计

在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使用带有空气隙的铁芯电抗器。电抗器的主要参数有流过电抗器的电流和电抗器的电感量。

输出电流连续所需的电感量：L1K1U20.69394.0274.46mH Idmin0.0517.5 6

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电动机的电枢电感：LDKDUN622010312.57mH

2PnNIN22150017.5KBUK%U23.9594.021.05mH

IN10017.5变压器二次测每相的漏电感：LB平波电抗器的电感：LPL1(LD2LB)74.46(12.5721.05)59.79mH

3.5逻辑控制器

逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输入来判断输出的逻辑状态。逻辑控制器有两个输入输出，两个输出信号Ublr和锁触发脉冲，输出信号Ublr和

Ublf分别通过触发器来控制是否产生还是封

Ublf的状态必须始终保持相反，以保证两组整流器不

会同时处于工作状态。由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向，即电枢电流的方向，在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出来决定的，也就是说

Ui的极性

Ui的符号改变是逻辑控制器切换的条件之一。从配合

控制的分析中已经知道，可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变，反馈制动和回馈制动三个阶段。在本桥逆变阶段电动机电流下降至零，然后才经历反接制动阶段建立反向电流，如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整流器，就可能产生逆变失败现象，并损坏整流器，所以在转速调节器的输出

Ui改变极性后，

还必须等待电动机原方向电流减小到零后，Ui0才能关断原来工作的整流器，而开通原封锁的另一组整流器，因此电枢电流下降为零Ui0是逻辑切换的条件之

二。只有在变。

Ui改变极性和Ui0两个条件满足后，逻辑控制器的输出状态才能改

但是逻辑控制器的输入端分别联接转速调节器的输出

Ui和电流的反馈信号

Ui。因电流反馈取自电动机的电枢电流，因此电流信号可以有正向，反向和零三种工作状态，而逻辑控制器仅需要判断电枢电流的有无，因此需增加绝对值计算

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环节。控制器输出的整流器切换信号Ublr和

Ublf，则分别通过触发模块控制是否输

出移相触发脉冲，而此触发模块的block端的要求是逻辑控制器输出的信号为“0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果逻辑控制器输出的信号为“1”，则该触发器没有脉冲输出。

4各调节器的设计

4.1电流调节器的设计

4.1.1电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在转速外环的调解过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 （即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电动机过载甚至堵转时，电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

4.1.2选择电流调节器结构

调节器基本思路: 将控制对象校正成为典型系统。 系统设计的一般原则：“先内环后外环” 电流环最终的简化结构图如图4-1。

图4-1 电流环结构图最终简化图

根据电流超调量i5%，电流环按典型I型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。

采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理如图4-2。图中Ui为电流给定电压，Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换

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器的控制电压Uc。

图4-2 PI型电流调节器

4.1.3电流调节器的参数计算

传递函数可以写成：

WACR(s)Ki(is1)

is(Ki：电流调节器的比例系数；i：电流调节器的超前时间常数。)

由于三相桥式电路平均失控时间TS0.0017s，按小时间常数近似处理

TiTsToi0.00170.0020.0037s

电动机电磁时间常数：TlL0.20.07s R2.85电流调节器超前时间常数：iTl0.07s

U*im10取电流反馈系数： 0.286V/A

Idbl217.5CeCmUNINRa22017.51.250.132vmin/r

nN150030Ce1.261vmin/r

GD2R3.532.85电动机转矩时间常数：Tm0.161s

375CeCm3750.1321.261电流环开环增益：取KITi0.5，因此

KI

0.50.5135.14s1 Ti0.00379

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于是，ACR的比例系数为：

KiKIiR135.140.072.852.357 Ks400.28.1.4校验近似条件

1电流环截止频率iKI135.14s

（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足ci1。因为3Ts11196.1s1ci，满足近似条件。 3Ts30.0017（2）校验忽略反电动势对电流环影响是否满足ci31。现在TmTl311328.26s1ci，满足近似条件。 TmTl0.1610.07（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件ci11。现在

3TsToi1111180.8s1ci，满足近似条件。

3TsToi30.0170.0024.1.5计算调节器的电阻和电容

取R040K，计算各电阻和电容值。

RiKiR02.3574094.28K，取95K；

0.07Ci1030.74F，取0.74F；

Ri95iToi0.002Coi441030.2F，取0.2F。

R0404.2速度调节器的设计

4.2.1速度调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调剂器，它使转速n 很快地跟随给定电压 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

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4.2.2选择速度调节器的结构

转速环按典型II型系统设计，并选中频段宽度h=5。

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理如图4-3。图

中Un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Ui。

图4-3 PI型转速调节器

4.2.3转速调节器的参数计算

传递函数为：

WASR(s)Kn(ns1)ns

电流环等效时间常数为2Ti0.0074s； 转速滤波时间常数：Ton0.01s

转速环小时间常数Tn，按小时间常数近似处理，取Tn2TiTon0.0174s 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：

nhTn50.01740.087s

转速开环增益为：

KNh12h2Tn26396.4

2520.0174211

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Unm10电压反馈系数：0.0067Vminr

nN1500于是，ASR的比例系数为：

Kn(h1)CeTm60.2860.1320.16110.98

2hRTn250.00672.850.01744.2.4校验近似条件

转速环截止频率为：

KNcn1KNn396.40.08734.5s1

电流环传递函数简化条件为：

1KI1135.141s63.7s1cn，满足近似条件。 3Ti30.0037转速环小时间常数近似处理条件为：

1KI1135.141s38.75s1cn，满足近似条件。 3Ton30.014.2.5计算调节器的电阻和电容

按所用运算放大器取R040k。

RnKnR010.9840439.2k，取440kΩ； CnConnRn0.0871030.198，取0.2F； 4404Ton40.016F110F1F，取1F。 3R040104.2.6校核转速超调量

理想空载启动时设z=0，已知数据：2,R2.85,IN17.5A，

nn1500r/min，Ce0.132vmin/r，Tm0.161s,Tn0.0174s。

当h=5时，

Cmax81.2%。按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启Cb动到额定转速时的转速超调量：

CnCnT n%(max%)*b2(max%)(z)*NnCbCbnnTm20.812217.52.850.01741008.84%10%0.13215000.161满足设计要求。

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5电气原理总图

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6小结

通过这次课程设计，我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。整个设计过程中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计，对整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流调节器和转速调节器元件的选取和参数计算。

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Ⅰ型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，发现能够满足系统的要求。若不能满足要求，则要重新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型Ⅱ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。

完成本课设用到了很多电力拖动以外的知识，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，以开拓我们的知识面。

总之，在这次设计中，我对电力拖动这门课有了更深入的了解，也使我认识到自己的不足之处。对于我日后的学习，颇有帮助！

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参考文献

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