电流,转速双闭环的逻辑无环流直流调速系统设计

目录第一章绪论

1.1设计题目及技术指标

1.2 设计题目意义

1.3 系统总方案设计

第二章变流器工程设计

2.1整流变压器的选择

2.2 晶闸管的选择

2.3平波电抗器的选择

2.4测速发电机的选择

2.5电流检测电路设计

第三章双闭环调速系统的工程设计

3.1转速、电流双闭环调速系统设计准备3.2电流调节器的设计

3.3转速调节器的设计

第四章晶闸管触发电路

4.1第一节设计原理、要求与电路选择4.2 T C 7 8 7的特性和功能

4.3 设计与工作原理

4.4 设计电路说明与注意事项

第五章无环流逻辑控制器的选择

5.1无环流逻辑控制器的组成原理

5.2电平检测器电路的设计

5.3 逻辑判断电路的设计

5.4 延时电路的设计

第六章保护电路设计

6.1过载保护

6.2过流保护

6.3过压保护

第一章绪论

第一节设计题目及技术指标

1.1 设计题目为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为晶闸管- 电动机系统。已知系统中直流电动机主要数据如下：额定功率P N 60kW ；额定电压U N 220V ；

额定电流I N 305 A；额定转速n N 1000r / min ；

电枢电阻R a 0.05 ；转动惯量GD 2 80N ?m2

电枢回路总电阻R 0.5

电网供电电压为三相380V;电网电压波动为+5% ---10% ;速度检测采用测速电机；控制系统电源电压为15V

1.2技术指标

（1）要求连续调速，可逆运行，回馈制动，过载倍数1.5

（2）要求调速比D 15,电流脉动Si 10%，静差率S 1%

（3）要求以转速、电流双闭环形式作为系统控制方案

（4）要求系统为逻辑无环流可逆调速系统

（5）主回路采用电枢可逆，磁场单独供电

（6）要求系统具有过流、过压、过载保护能力

第二节设计题目意义

双闭环直流调速系统是电力拖动自动控制系统中一个很重要的系统，而逻辑无环流可逆直流调速系统是双闭环直流调速系统的典型系统。通过本设计培养了我们应用所学理论知识解决实际工程问题的能力，同时进一步提高我们理论的水平。该课程设计是我们第一次接触工程实际问题，有一定挑战性。

第三节系统总方案设计

3.1 逻辑无环流工作原理

逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图如图1 所示。其主电路采用反并连

接电路。因为无环流，所以不需要设置限环流电抗器，控制电路仍是典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环是分设的。1ACR 2ACR分别控制

的是正组VF、反组VR的整流桥。正组VF、反组VR工作时有整流和逆变

两种状态。当给定信号U n 为正时，转速调节器ASR 输出U 为负值，逻辑 切换装置DLC 给正组桥VF 发出触发脉冲，使其处于整流状态，电动机正 想转动，当给定信号U ：为0或负值，转速调节器ASR 输出U *为正值。由 于电机电枢电流不为零，逻辑切换电路 DLC 仍然向正组桥VF 提供脉冲， 但却使VF 处于逆变状态，电流和转速变小。当电枢电流为 0时，反组桥 VR 处于整流状态，此时电机处于制动状态，快速停车或反向运行。

3.2系统总体分析设计

由逻辑无环流工作原理可知，逻辑无环流可逆直流调速系统中， 逻辑切换装置 DLC 是一个核心装置。其任务是在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲，封锁反组 脉冲，反组桥工作时相反。其中DLC 判断、延时电路的正确建模和调节器参数的 设置是关键因素。所以需要对主电路建模和参数设置。控制电路建模和参数设置。 第四节系统主电路

R S A

一

lb

逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图

1—1

SIH 9 K)

f

91rjy

￡IM I：

13

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* in

第二章变流器工程设计

整挺世压器一杭侧连接交脏电网，二次割洋接舉流装齧°黠流变压辭的选禅主要內客

4 联结方武、嵋定吐捷、徹定电浇、容駅、划号规棒瓠

第一节整流变压器的选择

为孽不整建誥的谐懺対电两的怡嘀」程上型碱突压器衆用D.Y按红、U二次栩电压5?技下式计算

(i* 闔严卜30S 其0.05 v 22Q+(L 裁严-1 Jk 305 x|).(j5

g J 2.34(0：9Tx------------ v w H7V

由i?2d知三栩全控整潦桥反井联需踣计材茶数；￡IV =2.：M’K XN O.右九其他^?tU t= 0心?XO?矢％/ 1心2色吋T.阳汀皿几“丁丄山".久

2-变母器二次相电託!2的計算

对于二庆寰蚪按￥ iS?p M!

h -应詁卅-0,816 x J05A - 249A 査妻2-7闻K LV*=0 HJf> <,

3.变压益的容！B计算

一机容嶽

Si 二曲1 器“樹打卜-3 x x2.3A x it? x 3O5kVA = H7J^VA

A股2-7烬匸叭3* K fL -O.75f,K^^2.34,

二次窖虽

耳=魂二总眄丿叔-3 X零零兴2.34 X 117 x 305kVA - ?7kVA ?査表2-7 得"化=3,JC JV^CL寻1G,K(JV匸2,/d口

观在功率

S y(Sj + 5J 二87kVA 选择变压器的规格为ZSGQ —100/380V/230V.

第二节晶闸管的选择

1晶闸管的额定电压

U Tn(2:3)K UV U2 2.5 2.45 117V 717V

卷忖=2. 45.裕量系数取2 . 5。

2晶闸管的额定电流

I T (1.5： 2)K iT l dmax 1.5 0.367 1.5 305A 252A K IT 0.3670

选用KP-300-8平板型晶闸管

第三节平波电抗器的选择

K

D ^^xia 3

1、 电动机电枢电感:.%= 八

—

2、 变压器电感：-[=

,=0.075MH

其中，入，=3.9,=0.05 3、维持电流连续时

L P

(2 L T L D )

4、限制电流脉动系数

S=0.1时

L P L 2 (2 L T L D ) U 2 心产(2L T L D )

I

dmax

117

1.045

(2 0.075 1.5)

0.1 305

2.359mH

取两者中的较大的，所以平波电抗器的电感为 2.359mH,电流连续和电流脉动同时满足， 故

采用DCL-23-7.5 (其电感值为3.6 mH )，

第四节 测速发电机的选择 因为电动机的额定转速为

1000〔気沏匚，所以采用ZYS-100A 型测速发电机

第五节电流检测电路设计

电流反馈环节是将主电路电流按一定的比例转换成相应的电压作为电流环的反馈信号， 其极性为正。检测用电流互感器，主电路经电流互感器检测后，在负载电阻上获得电压，在

=1.5Mh

U 2

(2L T L D )

d max

117

0.693

0.1 305

1.008mH

(2 0.075 1.5)

直流测速发电机电路带负载

直流测速发电机输出特性

经过三相整流桥、滤波后才能作为反馈的输入。在输出端的、继电器组成

的过电流监视环节。电路原理图如下：

第三章双闭环调速系统的工程设计

第一节转速、电流双闭环调速系统设计准备

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静

差。但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，

单闭环系统就难以满足要求。为了随心所欲的控制电流和转速的动态过程，可以采用转速、电流双闭环调速系统?转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。系统中引

入转速和电流负反馈，两者之间实现嵌套连接。转速调节器是双闭环控制直流调速系统的主导调节器，它可以实现稳态无静差。电流调节器作为内环的调节器能够加快动态过程。

设置的由稳压管、三极管以及

第二节电流调节器的设计

L 5 1

1.5m 3.6m 5.1m，Tl R 5T s 0.0102s +

给定U n=-15--15V，转速调节器与电流调节器的输出限幅均为10V。

为了保证较好的跟随性能，可以把电流环校正成典I型系统。

W ACR s

Ki is 1

2.1

C e

U N l N R a 220 305 0.05Vgmin/r 0.20475Vgmin/

n

N

1000

T m

GD2R

375C e C m

_________ 80 0.5 __________

30

375 0.20475 0.20475

0.266s，

10V

0.022V / A

1.5 305 A

K K

Tl°.0102s，K|亠訂，i s o i0.00167s 0.002s 0.00367s

K I

0.5 0.0102

i 0.5 K i0.5 RT^ 0.5

i K s i22 0.00367 0.022

1.436 电流调节器参数的计算

i S

ci

K I 136.24 s 1

0.00367 s

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:

均满足近似要求。

2.2电流调节器的实现

第三节转速调节器的设计

为了保证较好的抗干扰性能，可以把转速环校正成典n 型系统。

K n n s 1

n s

检验近似条件：

0.5

晶闸管整流装置传递函数的近似条件: 3T s

199.6s 1

0.00167s

ci

1 3 1 $

Tmf^ \ 0.266 0.00367s 96.02s ci

电流环小时间常数近似处理条件:

182.39s 1

ci

Ki

R

取 R) 20k

i

C i —

R i

0.34 W ACR

K i

RG T o

F ，取 0.33

i

S 1 i

S

28.7k F ，C oi

，取 30k

4T oi R 。

140.8 0.0102s 1

F 0.4

20 103

W

ASR

s

3 1

1

1 3

T s T

oi

1 s 3 0.00167 0.002

+

O

3.1转速调节器参数的计算

1

T on

K I

检验近似条件:

1

K N

n 400.95 0.0865s

34.68s

电流环传递函数简化条件:

K I 1 136.24

1

3' 0.00367s

转速环小时间常数近似处理条件:

均满足近似条件。

3.2转速调节器的实现

S

W n (s) K n R( n s 1)

2

C e T m S (T n S 1)

K N K n R

C e T

m

K N

，W n (s)

K N ( ns 1)

￡(T n S

1)

n

hT

n

K n

(h 1) C e T m

2h RT n

按跟随性能和抗扰动性能都较好的原则, 取 h 5，则 n hT n 5 0.0173s

0.0865s

K N h 1 _ 2h 2T n 2 2 6 52 0.01732

400.95s 2

K n (h 1) C e T m 2h RT n

6 0.022 0.20475 0.266

2 5 15

1000 0.5 °.

0173

5.54

0.0073s 0.01s

0.0173s

K N

cn

1

64.2s

cn

38.9s

cn

1 136.24 1

3、0.01 s

C n

R n

K n

1

R n C n , T°n—R0C on ，

4

R n K n R。5.54 20 k

R o

110.8k

取R o=20k

，取110k

0.0865 厂

3厂R n110 1030.786 F，取

0.8 厂，C on 響

&

附录：

1限幅电路的实现

4 0.01 2 F

20k

2系统的MATLAB仿真图

第四章晶闸管触发模块

第一节设计原理、要求与电路选择

1、设计要求

晶闸管装置的的正常工作，与门极触发电路正确和可靠的运行密切相关，门极触发电

路必须按电路的要求来设计。

晶闸管变流装置主电路对门极触发电路的要求如下：

触发脉冲信号对门一阴极来说必须是正极性。

触发脉冲信号应有一定的宽度，保证被触发的晶闸管可靠导通，该脉冲的宽度一般为

20 一50卩s。对于感性负载，触发脉冲的宽度应大于晶闸管阳极电流从零上升到擎住电

流的时间，触发脉冲的总宽度府小于100卩s

触发脉冲的形式应有助于晶闸管元件时间趋于一致，在大电流晶闸管并联电路中，要求

并联的晶闸管同时导通，使元件在允许的di /dt范围内，为此，宜采用强触发措施。

触发脉冲应与被触发晶间管阳一阴极的电压同步，并通过控制电压使脉冲能有足够的移

相范围。

不触发时，触发脉冲电路翰川加到品问管门一阴极间的漏电压应为O. 15—0. 25V。

需要对触发信号源采用脉冲变压器或光电锅台器进行隔离。

触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有

一定的裕量。

触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频

率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。触发脉

冲的波形要符合要求。

2设计原理

图1是相控式触发电路原理框图。同步信号发生器产生一个与交流电源电压之间

有固定相位关系的同步信号，同步信号有方波脉冲、锯齿波等。按照控制信号的要求，

移相器相对于同步信号移相后产生触发信号，触发信号经脉冲输出器放大和隔离后送

到晶闸管门极触发晶闸管。

EG I相控触发电赂框图

2.1同步信号发生器

实现同步方法采用主电路电源电压经同步变压器降压?再经阻容移相来获得符合相位要求的同步电压。尽管利用同步变压器可以获得适当相位同步电压，但为了滤除电网电压中的干扰信号，提高抗干扰能力，同步变压器输出端加设备阻容滞后移相滤波电路，由于同步变压器二次侧的同步电压应有公共点?所以，同步变压器二次侧应选用Y n接线，便于和各单元触发电路相连。共接线组别的确定，采用简化的电压

向量图（钟点法）来实现。

例如下图2

同步环节是有同步变压器TS、VD1、VD2、C1、

R1和晶闸管 V2组成。同步变压器和整流二极 管接在同意电源上， 用同步变压器的二次电压来

控制V2的通断作用这就保证了触发脉冲与主电 路电源同步。

U sy 为移相信号电压，U k 为控制电压

由V i 构成一个比较器，U sy 与U k 接于V i 基极，进行比较。 假定V ,为理想元件，且R i R 2

当U sy U k 0时，V i 截止，电容 C 经R 3,VD 2充电， 电容电压极性为左正右负；

当u sy U k =0时，乂由截止变为饱和导通， 由A 点输出 一负脉冲。

对应于一个稳定工作状 态，u k 应为定值。改变u k ,就 可以改变产生脉冲的时 刻，起到移相控制作用 。

当取U sy U sym COs 为移相信号电压时，

U sy 在移相范围内(0 )单调增加，

且在t —时过零。

2

U k 0 U k 0 U k 0

图2

2.2控制角的移相控制方法

下面介绍一种余弦交点的垂直移相控制法。

图4余弦交点移相控制方法

原理框图及波形图

当U s y U k时比较器翻转，产生对应于控制角的脉冲，由上式得:

U k cos

U sym

特点：

1、与u

为非线性关系

k

当U k U sym时，=0；

0时，;

u

k

k 2

U k —U sym时，=。

2、当电流连续时，U d与U k为线性关系

U d U do cos ,所以U d U^U k

sym

3、最小控制角min和最小逆变角min的限制可由％ym的改变而实现。

2.3触发信号脉冲输出器

图5

图5所示是采用脉冲变压器隔离的形式c图中的vD1,, vD2用来消除负半周波，为晶闸管提供正向触发脉冲，R、C起抗干扰作用。vL发光二极管用来指示脉冲是否正常。

3电路选择

相控式触发电路的形式很多。按相数可分为单相、三相和多相触发电路；按移相器的工作原理可分为水平控制、垂直控制和积分控制；按移相通道数可分为单通道、三通道和多通道；按触发电路的实现方法可分为模拟和数字触发电路。较常用的相控触发电路有以下4种。

1多通道相控触发电路：特点是多相变流器中各晶闸管触发电路的移相电路彼此

独立，由同一控制信号进行相位控制。它的优点是电路简单，通用性强，触发角变化

快速性好；缺点是各晶闸管的触发脉冲对称性较差。它的移相器可采用垂直控制、水平控制或积分控制进行移相。2单通道相控触发电路：特点是多相变流器的触发电路仅用同一个移相电路完成各

相控制脉冲移相。因各相输出脉冲的移相通道相同，消除了各通道特性上差异的影响。

输出脉冲的对称度较高，某些单通道电路输出脉冲的不对称度只有0.2 °单通道相控触发电路不但可以用于可控整流器、有源逆变器、周波变流器和交流调压器，而且可

以用于无源逆变器。

3三通道相控触发电路：特点是三相变流器中的每相的一对晶闸管触发电路的移相

电路公用。它的输出脉冲对称度较好，结构简单，能确保每一相的两只晶闸管的触发脉冲互差180° ,从而可以消除平

衡电抗器和整流变压器的直流磁化。

4数字式移相触发电路：由计数器和其他一些逻辑电路组成。当同步电压过零时，

开始用某一频率的计数脉冲对计数器计数。当计入数与计数器的预置数相等时，触发电路就输出一个触发脉冲。根据不同的控制电压，改变计数脉冲的频率或改变预置数，即可改变触发滞后角。

综合以上各种触发电路的特点与应用范围，又由于集成触发电路拥有有体积小、功耗低、性能稳定可靠等诸多优点，所以我们选择集成式单通道相控触发电路。采用较常见的芯片TC787。

第二节TC787 的特性和功能

T C 7 8 7触发块可以提供完全独立的六路触发脉冲，它的封装方式为双排直插式，芯片可以在插座上自由插拔。它总共有I 8只管脚，图6为管脚排列示意图，表I为各管脚功能?

表I TC787各管脚的功能

Tab P 1 Functions of each "'canal coE€r"in TC787

管脚功陡背脚功龍

1X拒同歩电压10E或￡??亠A穌冲输岀

2Vtfi相同歩电压11?C或-脉沖输出

3】2冲或N,- G脉沖输出

4 "「移相电压13G脉童电容

5巴保护端14(?屮相积分电容

6几功能选择端15GC相积分电容

7+ B或豚冲输岀16G3相枳分电客

8 C或G - B脉冲输出J7￥工芷电源

9?虫或▼仏C际冲输出18◎相同歩电压

图6

第三节设计与工作原理

TC787 的逻辑电路框图组成如图7所示。它由同步过零电路、极性检测电路、锯齿波形成电路、锯齿波比较电路、抗干扰电路、调制脉冲发生器电路、脉冲形成电路和脉冲

分配电路组成。

经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后 ，作为内部三个

恒流源的形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲 信号送到脉冲分配及驱动电路.

假设系统未发生过电流

、过电压或其他非正常情况

，则

引脚5禁止端的信号无效 ，此时脉冲分配电路根据用户在引脚

6设定的状态完成双脉冲

（弓I 脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放 大后输出；一旦系统发生过电流

、过电压或其他非正常情况

，则引脚5禁止信号有效，

脉冲分配及驱动电路 内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成块的 1 2、11、10、 9、8、7六个引脚输 出全为低电平，同步信号与双脉冲触发关系如图 8所示：晶闸管的

导通采用双脉冲触发， 脉冲宽度为10 ° ,每组脉 冲之间的间隔为60 °触发脉冲由T C 7

8 7集成电路完成。

略

-S

探护円

形成

形成

过零和殺

定 电

过序和檢

够成

第四节 设计电路说明与注意事项 同步电压 地，电路 的同步信号输入端应用电阻进行 输入端；也可将 信号直接接输入端。 的电阻.为了防止 点的门限很小， 电路采用集中式恒流源 向积分电容充电， 经 测试， 差小于土 5 uA ,所 以为了保证三相锯齿波的一致性， 小于5 %o 5 O H z 时，电容可取0 .1 5 分幅值，电容应减小。

移相电压的调整幅度应与积分电容上锯齿波 的幅值一致.

放 电的离散 性，移相电压的零电位应比电路的负电源正在0 . 2?1 3 V 左右°

脉冲发生器的电容Cx 决定了调制脉冲宽度或方波输出宽度 在频率为5 0HZ 的 情况 下，接0.01 3 F 的电容，其输 若需要输 出在0?1 8 0范围内满幅可调 ，则Cx 的值应大 于0.2 电路的半控/ 全控和禁止等控制端，不应在使用时悬空。

输出端有不小于2 5 m A 的输出电流，驱动管 要可靠的导通和截止，电路输出 的限流电阻和管子的B 值应与电路相适配。

由TC787 构成的三相全控整流系统的触发电路。

处，所 以同步信号的“ 地”若与电路共 1 /2分压，然后将同步信号用电容耦合到 同步信号的“ 地” 接1 /2电源或电路采用正负电源后，将同步 1/2分压将直接影 响同步信号的零点，应选用相对误差小于 2 % 电路损坏，同步信号的峰值不应超过电源电压。 由于电路检测零 在较高频率应用时，同步信号的幅度还应适当减小。 向积分电容充电， 经 测试，电流在18 0卩A 左右，相对误 选取积分电容的相对误差应 卩F 左右，较高频率时，为了保证电容积 的零点取在1 /2电源电压 考虑到电路在积分 2 电容上

0 0 mV. 即移相范围

,电容大则宽度宽， 出宽度约为0.5 ms ,

3 F o

一

A -C

B

图9

图9示出采用T C 7 8 7 电路设计的T C —Z 6板的电路原理图. 其中三相同步电压的

零线和电源共地，同步电压经R C的型网络滤波分压并产生 3 O。相移、经电容耦合

电路取得同步信号，电路输入端采用等值电路电阻分1/2电压，以保证信号的对称.在电路的Ca、Cb Cc上形成锯齿波，移相电压由Ui输入，与锯齿波比较取得交相点.板上设有全控/ 半控选择焊点，可由用户决定输出是单脉冲还是双脉冲。

Ucf为控制端，禁止高电平，可作为过压过流或系统的开关。当Ucf电位大于或等于1 2 V ,六路脉冲全部被封锁，系统处于保护状态，当Ucf电位w 3 v 时，系统正常工

图10所示是采用脉冲变压器隔离的形式c图中的vD1, , vD2用来消除负半周波，为晶闸管

提供正向触发脉冲，R、C起抗干扰作用。vL发光二极管用来指示脉冲是否正常。

u

]g!716151413121110

TC7S7

HR rf LttzH

作；输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器，经隔离触发晶闸管。

图11

图11所采用T C — Z 6板的三相全控整流系统 原理图， 其主电路为6只晶闸管组成的全

控桥整流调压系统?

三相同步变压器要根据主电路的接法，

接成超前3 0°。T C — Z

6板上要进行滤波和微调。移相电压可用手动电位器调节，也可用主电路采样的电流电 压 信号积分放大取得 ，并通过闭环对系统进行稳压稳

流。控制端可根据采样信号的过

流、过压及缺相等问题进行保护。此系统还可用过零开关，将移相电压调在 0.2 v ,改

变控制端的电位，

即可达到开关的目的。

第章无环流逻辑控制器的选择 第一节无环流逻辑控制器的组成原理

根据以上要求，逻辑控制器的结构及输入输出信号如下图所示。

其输入为反映电流极性

变化的电流给定信号 U si 和零电流检测信号 U IO ,输出是封锁正组和反组脉冲的信号 U I 和5。

这两个输出信号通常以数字形式表示：

“ 0 ”表示封锁，“ 1 ”表示开放。逻辑控制器由电平检

测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四部分组成。

电平检测器的功能是将 控制系统中

的模拟量转换成

“1”或“ 0”两种状态的数字 量，它实际上是一个模数转换 器。一般可用带正反馈的运算 放大器组成，具有一定要求的 继电特性即可，其原理、结构

逻辑判断

延时电蹈

联锁保护

Ui

-*封锁正組肺冲

-封攬反御腿冲

图3-1 逻辑控制器的组成

由常正反馈的运算放大器构成的电平检测器

当K

一定时，

若KK v >1,则放大器工作于继电状态， 其输入输出特性会出现回环，

如图3-16 （ C ） 所示?回环宽度的计算公式为： U = U inl - U in2 = K U （ U exml - U exm2），其中， U exml 和U exm2分别为正向和负向饱和输出电压， U inl 和U in2分别为当输出由正变为负和由

负变为正时所需的最小输入电压 K u. R 1越小，K U 越大，正反馈作用越强，回环越宽

.回

环宽度一般取 0.2 V 左右。

电平检测器根据转换的对象不同，又分为转矩极性鉴别器 DPT 和零电流检测器DP 乙

上图（a ）所示为转矩极性鉴别器

DPT 的输入输出特性.其输入信号为 ASR 输出Ui ，

及继电特性图如下所示:

L

1

Uinl U 価

从结构图可得电平检测器的闭环放大系数

其中，K 为运算放大器的开环放大倍数, Kv 为正反馈系数

（C ）懸电特性