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

1、課程設(shè)計基本要求課程設(shè)計是工科學(xué)生十分重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜 合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實際問題的能力。 課程設(shè)計報告是科學(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能力，也是規(guī)范課程設(shè)計教學(xué)要求、反映課程設(shè)計教學(xué) 水平的重要依據(jù)。為了加強課程設(shè)計教學(xué)管理，提高課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，特擬定 如下基本要求。1. 課程設(shè)計教學(xué)一般可分為設(shè)計項目的選題、項目設(shè)計方案論證、項目設(shè)計 結(jié)果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。2. 課程設(shè)計項目的選題要符合本課程設(shè)計教學(xué)大綱的要求，該項目應(yīng)能突出學(xué)

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

3、析和處理方法。項目設(shè)計結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計報告書第四項中，考核成績占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計過程中應(yīng)認真閱讀和本課程設(shè)計項目相關(guān)的文獻，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。文獻閱讀 摘要記錄于課程設(shè)計報告書第五項中，考核成績占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出 23個問題，通過答辯可進一步了解學(xué)生對課程設(shè)計中理論知識和實際技能掌握 的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占 25%左右。7. 學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計周內(nèi)認真參加項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設(shè)計 報告書交給課程設(shè)計指導(dǎo)教師評閱。課

4、程設(shè)計指導(dǎo)教師應(yīng)認真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計 全過程，認真評閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計報告，給出課程設(shè)計綜合評閱意見和每 一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉(zhuǎn)換為五級分制（優(yōu)秀、 良好、中等、及格、不及格）總評成績。8. 課程設(shè)計報告書是實踐教學(xué)水平評估的重要資料，應(yīng)按課程、班級集成存 檔交實驗室統(tǒng)一管理。、課程設(shè)計項目名稱雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求設(shè)計目的設(shè)計雙閉環(huán)邏輯無環(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)計方法。技術(shù)要求及初始條件：1直流電機額定參數(shù):Un 二220V, In= 140A ,1100 r/min, Ra= 0.4

5、Q電機過載倍數(shù)入=1.4。2測速發(fā)電機參數(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，進線交流電源：三相380V。4. 穩(wěn)態(tài)無靜差，轉(zhuǎn)速超調(diào)量不超過 10%，電流超調(diào)量不超過5%。 設(shè)計任務(wù)：1. ASR及其反饋電路設(shè)計。2. ACR及其反饋電路設(shè)計。3. 無環(huán)流邏輯控制器DLC設(shè)計。4. 主電路及保護電路設(shè)計。5. 集成觸發(fā)電路設(shè)計。6.提供系統(tǒng)總電路圖。設(shè)計要求：1 對系統(tǒng)設(shè)計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。3. 對項目設(shè)計結(jié)果進行分析。3. 畫出

6、整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。4. 課程設(shè)計說明書應(yīng)嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象三、項目設(shè)計方案論證（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)但因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值Ider以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程中，起動電流達到最大值Idm后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電

7、磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。1.2方案二：采用帶電流截止負反饋的有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負反饋的系統(tǒng)可以解決反饋閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大問題，而且該量只在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運行時就取消，且電流隨著負載增減。有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流雖然可以對電動機和負載造成負擔，但是只要合理的對環(huán)流進行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過晶閘管的基本負載電流，使電動機在空載或 輕載時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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而在此甚 礎(chǔ)上再加中電流負反饋，則可使系統(tǒng)的電流不能無限制的增加，而當系統(tǒng)在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受 限制時，調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。由此可知，雙閉環(huán)使得系統(tǒng)的調(diào)速性能大大提高。帶電流截止負反饋的調(diào)速系統(tǒng)雖然能大大改善系統(tǒng)在起動和堵轉(zhuǎn)時的性能，但實際上由于其實質(zhì)是電流和轉(zhuǎn)速共用一個調(diào)節(jié)器，所以在實際生產(chǎn)過程中，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題。邏輯無環(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)。由于無環(huán)流，所以不在設(shè)置環(huán)流電抗器。但為保證穩(wěn)定運行時電流波形的連續(xù)，仍保留平波電

9、抗器 Ld。所以它兼有無環(huán)流和電流波形連續(xù)的特點，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，且因為課程設(shè)計要求，故選擇方案三。下面對方案三進行詳細說明。2邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理邏輯無環(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無環(huán)流邏輯控制器TA 交流互感器TG 測速發(fā)電機M 工作臺電動機AR 反號器主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路,由于沒有環(huán)流，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器，但是為了保證運行時電流波形的連續(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)兩個電流調(diào)節(jié)器ACR1和ACR2，ACR1用來控制正組觸發(fā)裝置，ACR2控制反組觸發(fā)裝置，ACR1的給定信號Ui*經(jīng)反向器AR同時作為ACR2的給定信號Ui* ,這樣就可以 使電流反饋信號 Ui*的極性在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時都不用改變，從而可采用不反應(yīng)電流極性的電流檢測器，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)流將造成嚴重的短路事故，所以對工作時的可靠性要求特別高，為此在系統(tǒng)中加入了無環(huán)流控制器DLC ,以保證系統(tǒng)的可靠運行，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)進行自動切換， 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開放，確保主電路沒有產(chǎn)生環(huán)流的可能。3電路設(shè)計3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算由已知條件計算電樞回路總電感量L取 L=0.0063HL=0.693 -=0.693=6.3mHIdminJ3 "40X0.1則勵磁時間常數(shù) Tl=0.0158s丁 L 0.0063HTi =R0.4'.1計算電動機電動勢系數(shù) CeCeUn 1 N RanN220 -140 0.41100=0.149 v r/min計算電流反饋系數(shù)J 10=10= 0.0476V/A1.5In 1.5 1

12、40計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=10= 10 =0.009V/A nN 1100確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts。取三相橋式電路的平均失控時間為Ts = 0.0017s。T、i=Ts J = 0.0037s。 整流濾波時間常數(shù)Toi。由條件可知 Toi = 0.002s 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按小時間常數(shù)近似處理，取選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，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)動態(tài)抗擾性能參照表1典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(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%上升時間trQO6.6 T4.7T3.3T2.4T峰值時間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)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標和參數(shù)的關(guān)系電流開環(huán)增益：要求 G -5%時，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) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件! 1

15、- : 1(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件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)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/ KI :有前面的計算可得1 20=2 0.0037s =0.0074sKi轉(zhuǎn)速

16、濾波時間常數(shù)T°n :有條件可知Ton二0.01 o1轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù) T升：按小時間常數(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)計要求，選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)表達式為Wasr(S)=竺口計算轉(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)簡化條件為二 13 ' 0.0037135.1 s'= 63.695s*1 Ki3Ton(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為1 135.1sJ =38.74 cn3 0.01均滿足近似要求。325計算調(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當h =5時，由表3得，二n =37.6%，不能滿足設(shè)計 二n乞10%的要求。實際上，由于表3是按線性系

19、統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASR退飽和的情況計算超調(diào)量。F面對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算:設(shè)理想空載啟動時z = 0，Cmax =81.2% ，Cb帶入cn嚴 =2(4)。Cb nCbn Tm140 0.4可得s ="81.2%“斗帛汁罟務(wù)7.51。1。可以滿足設(shè)計要求。3.3無環(huán)流邏輯控制器DLC設(shè)計331無環(huán)流邏輯裝置的組成在無環(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選擇其中一組整流橋運行，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機轉(zhuǎn)矩極性需 要反向時由邏輯裝置控制進行的。其切換順序可歸

20、納如下： 由于轉(zhuǎn)速給定變化或負載變動，使電動機應(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，并由邏輯裝置對該極性進行判斷，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。 由零電流檢測器得到零電流信號后，經(jīng)35ms延時，確認電流實際值為零，封鎖原導(dǎo)通側(cè)整流橋的觸發(fā)脈沖。 由零電流檢測器得到零電流信號后，經(jīng)10ms延時，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)流過和切換前反方向的電流，完成切換過程。根據(jù)邏輯裝置要完成的任務(wù)，它由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯(lián)鎖保護電路四個基本環(huán)節(jié)組成，邏輯裝置的功能和輸

21、入輸出信號如圖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Ui和零電流檢測信號Ui0，輸出是控制正組晶閘管觸發(fā)脈沖封鎖信號晶閘管觸發(fā)脈沖封鎖信號 u2。332無環(huán)流邏輯裝置的設(shè)計 電平檢測器邏輯裝置的輸入有兩個：一是反映轉(zhuǎn)矩極性信號的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出U*，二是來自電流檢測裝置反映零電流信號的 Uio，他們都是連續(xù)變化的模擬量，而邏輯運算電路需要高、低電位兩個 狀態(tài)的數(shù)字量。電平檢測器的任務(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)器作電平檢測器。為了提高

22、信號轉(zhuǎn)換的靈敏度，前面還加了一級差動放大和一級射極跟隨器。其原理圖見圖5。O Use測器輸入輸出轉(zhuǎn)矩極性鑒別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖5電平檢測器原理圖電平檢測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裝置輸出都具有交流分量，除入口有濾波外，電平檢測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作，本系統(tǒng)電平檢測回環(huán)特性的動作電壓Ur1 =l00mV，釋放電壓Ur2 =80mV。調(diào)整回環(huán)的寬度可通過改變射極偶合觸發(fā)器的集電極電阻實現(xiàn)。圖6 電平檢特性器的輸入信號 的輸出U*，其 輸出為Ut。電機正轉(zhuǎn)時Ui為負,Ut為低電位（“ 0”態(tài)）,反轉(zhuǎn)時U i為正，U t

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

24、。-,f tt*設(shè)正轉(zhuǎn)時u i為負，Ut為“ 0 ”；反轉(zhuǎn)時ui為正，Ut為“ 1 ”；有電流時u i為正，U I為 “1” ；無電流時u；為負，U|為“ 0”。u 1代表正組脈沖封鎖信號，U1為“ 1 ”時脈沖封鎖，U 1為“ 0”時脈沖開放。U 2代表反組脈沖封鎖信號，U2為“ 1”時脈沖封鎖，U2為“ 0”時脈沖開放。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運行狀態(tài)UtU|U1U2正向起動，1=00001正向運行，1有0101正向制動，1有1101正向制動，1=01010反向起動，1=01010反向運行，1有1110反向制動，I有0110反向制動，I = 00001表4邏輯判斷電路各量要求的狀態(tài)邏輯運算電路采用分立元件，用或非門電路較簡單，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算電

26、路，如圖7所示，它由四個或非門電路組成。 依靠它來保證兩組整流橋的互鎖，并自動實現(xiàn)零電流時相互切換。圖8或非門電現(xiàn)在要求 切換到反組，首 號改變極性，“1”，在正組圖7邏輯運算電路現(xiàn)舉例說明其切換過程，例如，整流裝置原來正組工作，這時邏輯電路各點狀態(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)。只有當正組電流衰減到零，零電流檢測器的狀態(tài)改變后，邏輯電路輸出才改變狀態(tài)，實現(xiàn)零電流切換，這是邏輯電路各點狀態(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。 延時電路前面的邏輯運算電路保證零電流切換，但僅僅采用零電流切換是不夠的。因為零電流檢測裝置的靈敏度總是有限的，零電流檢測裝置變成“ 0”態(tài)的瞬間，不一定原來開放組的晶閘管已經(jīng) 斷流。因此必須在切換過程中設(shè)置兩段延時即封鎖延時和開放延時，避免由于正反組整流裝置同 時導(dǎo)通而造成短路。根據(jù)這個要求，邏輯裝置在邏輯電路后面接有延時電路。延時電路如圖9所示，其工作原理如下：當延時電路輸入為“ 0”時，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。當輸入由“0”變?yōu)椤?1 ”時，電容經(jīng)Ri充電，經(jīng)一定延時后，BGi導(dǎo)通，B

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

29、成短路事故。為了避免這種事故，設(shè)計有邏輯保護環(huán)節(jié)，如圖10所示。邏輯保護環(huán)節(jié)截取了邏輯運算電路經(jīng)延時電路后的兩個輸入信號作為一個或非門的輸入信號。當正常工作時，兩個輸入信號總是一個是高電位，另一個是低電位。或非門輸出總是低電位,它不影響脈沖封鎖信號的正常輸出，但一旦兩個輸入信號均為低電位時，它輸出一個高電位，同 時加到兩個觸發(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 的保護作用。10保置圖電測、邏圖輯裝構(gòu)由檢輯運算電路、延時電路、邏輯保護四部分就構(gòu)成了無環(huán)流邏輯裝置。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11無環(huán)流邏輯裝置結(jié)構(gòu)圖3.4主電路設(shè)計圖12邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電

30、路邏輯無環(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存在環(huán)流。但當兩組橋之間需要切換時，不能簡單的 把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即圭寸鎖，而同時把原來圭寸鎖著的一組橋立即開通，因為已經(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才能關(guān)斷。 如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時進行，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)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(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，要妥當處理主回路中的電感儲存的一

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

32、小于14V （相當于主回路電流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。當主回路電流超過350A時，電流檢測裝置輸出大于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,同時封鎖正反兩組觸發(fā)器的脈沖。當BG1導(dǎo)通時繼電器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過流保護J16-15V環(huán)節(jié)過電壓保護開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。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，有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器所組成的保護電路如圖14所示。圖14輸入過電壓保護在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R,使晶體管 V導(dǎo)通，繼電器動作，常閉接點斷開，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電路可以跟輸入過電壓保護結(jié)合在一起，構(gòu)成極性保護鑒別和過電壓保護電路。輸出過電壓保護在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對輸出為關(guān)穩(wěn)壓器來說，它的負載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時，開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)三極管,瞬時造成很大的損失。 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。最簡單的過電壓保護電路如圖15所示。圖15簡單的輸出過電壓保護當輸出電壓過高時，穩(wěn)壓管被擊穿，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，把輸出端短路，造成過電流，通過保險絲或電路保護器將輸入切斷，保護了負載。這種電路的響應(yīng)時間相當于晶閘管的開通時間，約為510卩s。它的缺點

35、是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的 離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，給調(diào)試帶來了困難。圖16輸出過電壓保護圖16是改進后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通。基準電壓Vz由式Esc=(R1 + R2)(Vz + UBEI)/R1 ，來確定，UBE偽V1的發(fā)射結(jié)(BE)電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當穩(wěn)定。當穩(wěn)壓管為 7V時，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。但是對于輸出為 55.5V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的

36、動作電壓是 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，溫度變化大的場合保護電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關(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)成過電壓保護 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、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。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：在它的內(nèi)部集成了三個過零和極性檢測單元、三個鋸齒波形成單元、 三個比較器、一個脈沖發(fā)生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅(qū)動電路。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、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問 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)的起動過程：設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U：由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖19。圖19雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、山三個階段。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Id小于負載電流Idl時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當Id _ Idl后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，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，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段 中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。第II階段-恒流升速階段館_t2）在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(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。和此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm，恒流升速階段是起動過程中的主要階段。第III階段-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 （t2 _t3）當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，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，所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏