雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù)： 直流電動(dòng)機(jī)：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1最大允許電流 Idbl=1.5IN , (GD2=46.57N.m2)三相全控整流裝置：Ks=40,電樞回路總電阻 R=0.15 ，系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s ，Tl=0.03s濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.012s,其他參數(shù)：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V2技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差（靜差率s2, 調(diào)速

2、范圍 D10 ） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：8%，（按退飽和方式計(jì)算）要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1技術(shù)要求： (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 (2) 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s2） (3) 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s (4) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù) (5) 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施2設(shè)計(jì)內(nèi)容：

3、(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 (2) 根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖, 分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用, (3) 通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì), 得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4) 繪制V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖） (5) 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書時(shí)間安排：查閱資料 12月21-12月23任務(wù)設(shè)計(jì) 12月24-12月30校正打印 12月31指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要晶閘管反并聯(lián)的電

4、樞可逆線路是可逆調(diào)速系統(tǒng)的典型線路之一。這種線路有能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行、回饋制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。為保證系統(tǒng)安全，必須消除其中的環(huán)流。所謂邏輯無環(huán)流系統(tǒng)就是在一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使該組晶閘管完全處于阻斷狀態(tài)，從根本上切斷環(huán)流通路。這種系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速，還是交一交變頻的基礎(chǔ)。本文采用Matlab的Simulink和Power System工具箱，介紹如何實(shí)現(xiàn)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器，沒有了附加的環(huán)流損耗，節(jié)省變壓器和晶閘管裝置的附加設(shè)備容量。和有環(huán)流系統(tǒng)相比，因換流失敗造成的事故率大為降低。

5、本文對(duì)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，對(duì)DLC（邏輯控制器）、ACR 和ASR 的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了仿真結(jié)果和分析。關(guān)鍵詞: 無環(huán)流 可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 邏輯控制器 Matlab Simulink Power System目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)與方案12 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)分析22.1 可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)流問題22.2 移相方法a = b 配合控制22.3 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理42.4 無環(huán)流邏輯控制器53邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1 主要參數(shù)計(jì)算63.2 主電路設(shè)計(jì)73.3 DLC（邏輯控制器）設(shè)計(jì)73.4 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)103.4.1電流

6、環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)103.4.2 確定時(shí)間常數(shù)113.4.3 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)113.4.4計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)113.4.5 校驗(yàn)近似條件123.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻電容123.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)123.5.1 確定時(shí)間常數(shù)133.5.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)133.5.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)133.5.4 檢驗(yàn)近似條件133.5.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容143.5.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量144 系統(tǒng)建模與仿真154.1 邏輯控制器的建模154.2 總系統(tǒng)建模164.2.1 各部分的傳遞函數(shù)164.2.2 傳遞函數(shù)建模174.2.3 利用PowerSystem 工具箱的物理模型建模194.3 仿真結(jié)

7、果214.3.1 邏輯控制器（DLC）仿真214.3.2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)仿真224.4 仿真結(jié)果分析225 總結(jié)245.1 心得體會(huì)245.2 改進(jìn)意見及展望24參考文獻(xiàn)25附錄 電氣原理圖26武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1設(shè)計(jì)任務(wù)與方案在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，往往采用既沒有直流平均環(huán)流，又沒有脈動(dòng)環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)，無環(huán)流可逆系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器，沒有了附加的環(huán)流損耗，節(jié)省變壓器和晶閘管裝置的附加設(shè)備容量。和有環(huán)流系統(tǒng)相比，因換流失敗造成的事故率大為降低。因此，邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。本文通過對(duì)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

8、，研究了邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)重要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的正確性。在兩組反并聯(lián)供電的直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)中，如果在一組整流器工作時(shí)，封鎖狀態(tài)另一組整流器，即切斷這組整流器的觸發(fā)脈沖，使這組整流器不工作，這樣兩組整流器之間就沒有環(huán)流通道，既不會(huì)產(chǎn)生直流環(huán)流也不會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流。這種系統(tǒng)一般由邏輯控制器來判斷在正反轉(zhuǎn)或制動(dòng)過程中那組整流器應(yīng)該工作（包括整流和逆變兩種狀態(tài)），那組整流器應(yīng)該封鎖，故稱為邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)的思路簡(jiǎn)潔，并且由于不存在環(huán)流和沒有環(huán)流帶來的損耗，整流器的容量可以減少，也不需要限制環(huán)流的電抗器，是目前晶閘管直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)常用的

9、控制方案。設(shè)計(jì)要求邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；系統(tǒng)靜特性良好，無靜（靜差率s2）；動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s；系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)；調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。本設(shè)計(jì)采用MATLAB進(jìn)行建模與仿真，文中將采用傳遞函數(shù)和PowerSystem 工具箱分別進(jìn)行建模和仿真?？刂葡到y(tǒng)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是用傳遞函數(shù)方法來完成的，各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是將實(shí)際模型經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化而得到的

10、，較容易實(shí)現(xiàn)，但是很多重要細(xì)節(jié)會(huì)被忽略。而利用PowerSystem 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法與構(gòu)建實(shí)際電路相似，仿真結(jié)果非常接近于實(shí)際，但是仿真難度較大。2 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)分析2.1 可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)流問題采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說，這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。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)流作為流過晶閘管的基本負(fù)載

11、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。在不同情況下，會(huì)出現(xiàn)下列不同性質(zhì)的環(huán)流。第一種是靜態(tài)環(huán)流，它是兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時(shí)出現(xiàn)的環(huán)流，其中它又可以分為兩類：1）直流平均環(huán)流由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流。2）瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時(shí)電壓差仍會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的環(huán)流，稱作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。其中直流平均環(huán)流可以采用a = b 配合控制來消除，瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流可以使用電抗器來抑制。第二種是動(dòng)態(tài)環(huán)流僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。2.2 移相方法a =

12、b 配合控制在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)中，如果讓正組VF 和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負(fù)相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，需要采取必要的措施，比如：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時(shí)候，只允許一組晶閘管裝置工作；采用配合控制的策略，使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是由于，其中和分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為

13、零時(shí)，應(yīng)有或 如果反組的控制用逆變角表示，則由此可見，按上式來控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱作配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用為了實(shí)現(xiàn)配合控制控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在，即當(dāng)控制電壓時(shí)，使，此時(shí)，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。增大控制電壓移相時(shí)，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號(hào)相反就可以了。配合控制系統(tǒng)的移相控制特性如圖2-1所示。圖2-1 配合控制系統(tǒng)的移相控制特性為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中采用限幅作用，形成最小逆變角保護(hù)。與此同時(shí)，對(duì)角也實(shí)施 保護(hù)，以免出現(xiàn)而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取。2.

14、3 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖2-2所示。系統(tǒng)主電路也采用兩組整流器反并聯(lián)方案，由于沒有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗器，但為了保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器?？刂葡到y(tǒng)采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、邏輯控制器等組成。為了得到不反映極性的電流檢測(cè)方法，在圖2-2中畫出了交流互感器和整流器，可以為正反向電流分別各設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTR，1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào)。為了不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置無環(huán)流邏輯控制器DLC，這是系統(tǒng)

15、中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮正反組的自動(dòng)切換。其輸出信號(hào)用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。在任何情況下，兩個(gè)信號(hào)必須是相反的，決不允許兩組晶閘管同時(shí)開放脈沖，以確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。但是，和自然無環(huán)流系統(tǒng)一樣，觸發(fā)脈沖的零位仍整定在，移相方法仍采用配合控制。 圖2-2 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖2.4 無環(huán)流邏輯控制器無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無環(huán)流邏輯控制器的任務(wù)是當(dāng)需要正組晶閘管工作時(shí)，則封鎖反組晶閘管，當(dāng)需要反組晶閘管工作時(shí)，則封鎖正組晶閘管。采用數(shù)字邏輯電路、PLC、微機(jī)等，可以使其數(shù)字輸出信號(hào) 0

16、和 1來執(zhí)行封鎖與開放晶閘管的功能，為了確保正反組不會(huì)同時(shí)開放，應(yīng)使兩者不能同時(shí)為 1。邏輯控制器的切換動(dòng)作應(yīng)該根據(jù)電流環(huán)給定信號(hào)來指揮。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)在反轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)然應(yīng)該開放反組晶閘管封鎖正組晶閘管；但當(dāng)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中要制動(dòng)或減速時(shí)，也要用反組晶閘管的逆變狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。在這兩種情況下都要開放反組，封鎖正組。由此可以發(fā)現(xiàn)，ASR的輸出信號(hào)滿足這項(xiàng)工作，反轉(zhuǎn)運(yùn)行和正轉(zhuǎn)制動(dòng)都需要電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩；反之，正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)制動(dòng)都需要電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，的極性恰好放映了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向的變化。但是，僅用ACR給定信號(hào)去控制 DLC還是不夠。因?yàn)?，?dāng)?shù)臉O性改變時(shí)，實(shí)際電流方向不能立即變化，此時(shí)邏輯控制器不能

17、進(jìn)行切換動(dòng)作；只有在實(shí)際電流降到零的時(shí)候，才應(yīng)該給DLC發(fā)出命令。所以，在改變極性后，還有等待“零電流檢測(cè)”信號(hào)，才能發(fā)出正反組切換。邏輯切換指令發(fā)出后還不能馬上執(zhí)行，還要經(jīng)過關(guān)斷等待延時(shí)和觸發(fā)等待延時(shí)，確?？煽抗ぷ?。另外，邏輯控制器應(yīng)具有邏輯連鎖保護(hù)功能，以保證在任何情況下，兩個(gè)信號(hào)必須是相反的，決不容許兩組晶閘管同時(shí)開放脈沖，確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。那么，根據(jù)以上分析邏輯控制器應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示。圖2-3 邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖3邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題給出的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/m

18、in , Ra=0.1；最大允許電流 Idbl=1.5IN , (GD2=46.57N.m2)；三相全控整流裝置：Ks=40 ；電樞回路總電阻 R=0.15 ；系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s；濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.012s；其他參數(shù)：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V。要求的技術(shù)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差（靜差率s2, 調(diào)速范圍 D10 ）；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：8%，（按退飽和方式計(jì)算）。3.1 主要參數(shù)計(jì)算由電力電子技術(shù)知識(shí)可知，三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)輸出電壓平均值為可知此設(shè)計(jì)的負(fù)載為電機(jī)負(fù)載，則在額定負(fù)載運(yùn)

19、行時(shí)，取則有整流變壓器二次側(cè)相電壓系統(tǒng)要求在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)，則平波電抗器，取4.5mH；電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)還有，系統(tǒng)要求調(diào)速范圍，靜差率則閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降系統(tǒng)的開環(huán)額定速降閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足3.2 主電路設(shè)計(jì)晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-1所示。圖中由晶閘管組成三相全控橋式整流電路，同時(shí)設(shè)有過電壓和過電流保護(hù)電路。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動(dòng)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。圖3-1 V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖3.3 DLC（邏輯控制器）設(shè)計(jì)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

20、通常采用典型的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是設(shè)置了一套無環(huán)流邏輯切換裝置（DLC）。DLC裝置的任務(wù)：在正組晶閘管整流橋工作時(shí)開放正組脈沖，封鎖反組脈沖；在反組晶閘管整流橋工作時(shí)開放反組脈沖，封鎖正組脈沖。DLC的工作要求包括：(1)DLC根據(jù)轉(zhuǎn)矩極性信號(hào)和零電流檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后發(fā)出邏輯切換指令。當(dāng)改變極性，且零電流檢測(cè)器發(fā)出零電流信號(hào)時(shí)，允許封鎖原工作組，開放另一組。(2)DLC發(fā)出切換指令后需經(jīng)過封鎖延時(shí)時(shí)間后才能封鎖原導(dǎo)通組脈沖，再經(jīng)開放延時(shí)時(shí)間后才能開放另一組脈沖。通常，。(3)在任何情況下，兩組晶閘管不允許同時(shí)加觸發(fā)脈沖。根據(jù)分析，可逆調(diào)速系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)邏輯控制器輸入與輸出

21、各量之間的關(guān)系見表3-1。在表3-1中歸納合并重復(fù)項(xiàng)后，可以得到邏輯判斷的真值表，見表3-2。表3-1 邏輯控制器輸入與輸出各量之間的關(guān)系邏輯控制器輸入邏輯控制器輸出說明電機(jī)轉(zhuǎn)矩電樞電流正組整流器 VF Ublf反組整流器VR Ublr正向轉(zhuǎn)矩反向轉(zhuǎn)矩正向電流反向電流Ublf=0 正組整流器工作Ublf=1 正組整流器封鎖Ublr=0 反組整流器工作Ublr=1 反組整流器工封鎖正向啟動(dòng)零電流>0=001正向啟動(dòng)有電流正向運(yùn)行有電流>0>001本橋逆變有電流<0>000本橋逆變零電流<0=010它橋逆變有電流<0<010反向啟動(dòng)零電流&

22、lt;0=010反向啟動(dòng)有電流反向運(yùn)行有電流<0<010正向制動(dòng)本橋逆變有電流>0<010本橋逆變零電流>0=001它橋逆變有電流>0>001表3-2 邏輯控制真值表111010100010010100011001根據(jù)表3-2可以得到邏輯控制器輸入和輸出的邏輯關(guān)系表達(dá)式為（用與非門實(shí)現(xiàn)）邏輯判斷由與非門組成，其輸入為轉(zhuǎn)矩極性和零電流信號(hào)、；輸出為邏輯切換信號(hào)、。延時(shí)電路的設(shè)計(jì)： 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，不一定原來開放組的晶閘管已經(jīng)斷流。因此必

23、須在切換過程中設(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。邏輯保護(hù)電路的設(shè)計(jì)： 邏輯電路正常工作時(shí)，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)。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

24、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。設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯控制器的功能，設(shè)計(jì)的邏輯控制器如圖3-2所示。圖3-2 邏輯控制器電氣原理圖3.4 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-3所示：圖3-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。3.4.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖3-4所示。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是

25、（3-1）圖3-4 忽略反電動(dòng)勢(shì)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3-5所示：圖3-5 等效成單位負(fù)反饋的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖最后，由于 和 一般都比 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （3-2）則電流結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖3-6。簡(jiǎn)化的近似條件為 （3-3）圖3-6 小慣性環(huán)節(jié)近似處理的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.4.2 確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。查表可知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有

26、（12），因此取。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。3.4.3 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)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，查找典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系表，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.4.4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)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，查表可知，應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為3.4.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件（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（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處

27、理?xiàng)l件滿足近似條件。3.4.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻電容按運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。3.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-7所示：圖3-7 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。3.5.1 確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，可知，則2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取。3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取3.5.2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)為3.5.3 計(jì)算轉(zhuǎn)

28、速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益滿足系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率要求。于是可得ASR的比例系數(shù)為3.5.4 檢驗(yàn)近似條件由式得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件，滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。3.5.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取3.5.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，查表可得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于該表是按線性系統(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退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)

29、速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，并校驗(yàn)它是否滿足設(shè)計(jì)要求。，滿足設(shè)計(jì)要求。4 系統(tǒng)建模與仿真4.1 邏輯控制器的建模 (1)電平檢測(cè)器建模。電平檢測(cè)的功能是將模擬量換成數(shù)字量供后續(xù)電路使用。它包含電流極性鑒別器和零電流鑒別器。在用Matlab 建模時(shí)，可用Simulink的非線性模塊組中的繼電器模塊Relay來實(shí)現(xiàn)。(2)邏輯判斷電路建模。邏輯判斷電路的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)矩極性鑒別器和零電流檢測(cè)器輸出信號(hào)和的狀態(tài)，正確發(fā)出切換信號(hào) 和封鎖原來的脈沖, 開放另一組脈沖。(3)延時(shí)電路建模。在邏輯判斷電路發(fā)出切換指令后, 必須經(jīng)過封鎖延時(shí)和開放延時(shí)才能封鎖原導(dǎo)通組脈沖和開放另一組脈沖。通過對(duì)數(shù)字邏輯電路的DLC裝置發(fā)

30、現(xiàn)，當(dāng)邏輯電路的輸出由“0”變?yōu)椤?”時(shí)，延時(shí)電路產(chǎn)生延時(shí)，當(dāng)由“1”變成“0”或狀態(tài)不變時(shí)，不產(chǎn)生延時(shí)根據(jù)這一特點(diǎn)。利用Simulink工具箱中數(shù)學(xué)模塊組中的傳遞延時(shí)模塊Transport Delay、邏輯模塊Logical Operator 、及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊Data Type Conversion實(shí)現(xiàn)此功能。(4)聯(lián)鎖保護(hù)電路建模。邏輯電路的兩個(gè)輸出總是一個(gè)為“1”態(tài)，另一個(gè)為“0”態(tài)，但是一旦電路發(fā)生故障，兩個(gè)輸出同時(shí)為“1”態(tài)，將造成兩組晶閘管同時(shí)開放而導(dǎo)致電源短路。為了避免這種事故，在無環(huán)流邏輯控制器的最后部分設(shè)置了多“1”聯(lián)鎖保護(hù)電路。可利用Simulink工具箱的邏輯運(yùn)算模塊Lo

31、gical Operator實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)功能。設(shè)計(jì)的DLC仿真模型，如圖4-1所示。圖4-1 DLC仿真模塊其中延時(shí)電路的模塊如下圖4-2所示。圖4-2 延時(shí)模塊4.2 總系統(tǒng)建模4.2.1 各部分的傳遞函數(shù)根據(jù)之前的計(jì)算可以寫出各個(gè)部分的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速濾波：電流調(diào)節(jié)器：電流濾波：電力變換裝置：電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動(dòng)勢(shì)之間的傳遞函數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋傳遞函數(shù)：電流反饋傳遞函數(shù)：4.2.2 傳遞函數(shù)建模根據(jù)計(jì)算出來的傳遞函數(shù)，可以在Simulink中建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，具體的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)仿真模型如圖4-3所示。圖4-3 傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)仿真模型通過輸入端的4個(gè)階躍信

32、號(hào)，產(chǎn)生在05s和1015s時(shí)，給定信號(hào)，在510s和1520s時(shí)，給定信號(hào)，從而使電機(jī)在相應(yīng)的給定下實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。DLC模塊的輸入信號(hào)分別是電流環(huán)的給定信號(hào)和電機(jī)電樞電流反饋信號(hào)，正確發(fā)出切換信號(hào) 和。切換信號(hào)輸入到可控開關(guān)器件Switch來指揮正反組工作。當(dāng)時(shí)，ACR1所在的正組模型工作，信號(hào)可以傳遞到電機(jī)模型，而相應(yīng)此時(shí)，ACR2所在的反組模型工作輸出為0；當(dāng)時(shí)，ACR2所在的反組模型工作，信號(hào)可以傳遞到電機(jī)模型，而相應(yīng)此時(shí)，ACR2所在的正組模型工作輸出為0。還有仿真模型中的ASR和ACR調(diào)節(jié)器已經(jīng)被打包成模塊，其模型及分支模塊如圖4-4所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積

33、分調(diào)節(jié)器integrator的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，此處設(shè)定上限為+10V，下限為-10V。而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊staturation設(shè)定，根據(jù)要求設(shè)定上限為+8V，下限為-8V。圖4-4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器的模型及分支模塊4.2.3 利用PowerSystem 工具箱的物理模型建模利用PowerSystem 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法與構(gòu)建實(shí)際電路相似，仿真結(jié)果非常接近于實(shí)際，但是仿真難度較大。具體的物理模型如圖4-5所示。圖4-5 物理仿真模型其中主電路的模型及分支模塊如圖4-6所示。圖4-6 主電路的模型及分支模塊4.3 仿真結(jié)果4.3.1 邏輯

34、控制器（DLC）仿真為了觀察邏輯控制器是否正常工作，在系統(tǒng)中設(shè)置了示波器觀察邏輯控制器的工作情況。觀察的信號(hào)分別是轉(zhuǎn)矩特性信號(hào)、零電流信號(hào)、正組開關(guān)信號(hào)、反組開關(guān)信號(hào)。邏輯控制器輸入輸出信號(hào)如圖4-7所示。圖4-7 邏輯控制器輸入輸出信號(hào)4.3.2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)仿真根據(jù)輸入的正給定和負(fù)給定信號(hào)，可以得到以下的電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電樞電流仿真波形如下圖4-8所示。圖4-8 轉(zhuǎn)速和電樞電流仿真波形4.4 仿真結(jié)果分析從仿真曲線知，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)突加給定電壓后，ASR的輸入偏差數(shù)值很大，輸出電壓保持在限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升，所以可以看到圖4-7中電流波形迅速上升，但是當(dāng)電流小于負(fù)載電流之前，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速的波形幾乎沒有變化；當(dāng)電流上升到大約時(shí)，電流調(diào)節(jié)器抑制電流的迅速增長(zhǎng)，可以看到圖中電流下降，ASR進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)。在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)使得電流保持在最大電流值，使得轉(zhuǎn)速迅速上升，如圖中所示電流波形直線上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值后，轉(zhuǎn)速由于慣性繼續(xù)上升，如圖中電壓波形所示，使得反饋電壓為負(fù)值，ASR開始退出飽和，轉(zhuǎn)速得到抑制，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量。相應(yīng)的電流也隨著迅速下降到額定電流，對(duì)應(yīng)于圖中的轉(zhuǎn)速上升到額定值1500r/min后，電流迅速下降到額定電流28