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逻辑无环流可逆直流调速系统的研究

2024-11-01 50 上传者：管理员

摘要：直流电动机在工业生产中因其简易的调速方法，平滑的调速性能而得到广泛的应用。对于直流电机的研究已经成熟，但是控制方式上，还需要进行研究。由于在可逆直流调速系统内部环流的存在，使该系统中必须设置环流电抗器，这样便会增加系统整体的内部损耗，特别是对于大容量系统更是使整体系统容易不稳定。所以在生产过程中人们为了克服环流现象，采用逻辑控制的方法，便产生逻辑无环流可逆直流调速系统。本系统中通过利用逻辑电路对两组整流桥路分别进行触发控制，只允许一组工作，防止两组桥路同时工作，以便切断环流，即组成逻辑控制无环流可逆直流调速系统。

关键词：
内部损耗
切断环流
直流电动机
直流调速
逻辑控制
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1、逻辑无环流直流调速系统的背景和研究意义

虽然有环流可逆调速系统具有反向速度快、过渡性能平滑的优点，但还是要在系统中加入环流电抗器，这样便增加了系统的体积、成本和损耗，而且对于系统的要求也进一步提高。因此，在实际中当对整个系统过渡性能要求不高时，往往需要从生产要求的角度出发，完全克服环流现象，如此便提出无环流系统理论，通过分析环流的产生原理，根据其原理不同，研究出多种无环流调速系统，逻辑无环流系统是其中之一。

由于大部分环流现象是在两组晶闸管同时处于触发状态而产生的，所以为了能完全控制晶闸管的开启和封锁状态，并不使系统其他部件受到影响，而且还能达到控制精度和要求，生产中采用逻辑控制器进行触发脉冲的控制，由于触发脉冲应用的是数字信号，所以通过数字电路搭建的逻辑控制器通过逻辑分析后，控制正、反组晶闸管的封锁与导通，从而完成实际的电机调速。

2、可逆V-M系统的环流问题

在可逆V-M系统的研究中，虽然人们已解决了电动机的正、反转运行和回馈制动等直流电机问题，但是一旦系统中两组晶闸管同时工作，正、反组晶闸管两端的电压相同，此时会产生只在两组晶闸管间流动的短路电流，即系统环流。如图1所示，其中为系统环流。环流的产生增加了系统调试失败的概率，其产生一定的无功功率，而且还会严重影响到晶闸管和变压器的性能，增加磁链损耗。如若环流过高时，还会烧毁晶闸管电路，破坏系统结构，所以必须加以消除。

图1 反并联可逆V-M系统中的环流

3、逻辑无环流可逆调速系统原理

3.1逻辑无环流系统工作原理

系统元件表如表1所示。系统主电路为三相整流桥反并联。系统的控制电路由转速调节器、电流调节器、逻辑控制器等组成，且两组整流器分别由两个电流调节器控制，其中反组整流器VR的电流调节器ACR2输入经过倒相器AR，以确保两组整流器控制角α=β。因为设计去除了环流，就无须设置环流电抗器，但仍需保留平波电抗器。整个系统由逻辑控制器控制，其控制着正、反组整流桥路的工作或封锁。本设计的整个系统是在双闭环可逆直流调速系统上的改进。整个系统中，先由外部给定正、负电压，并且电流调节器应分别设正、反两个，其中ACR1、ACR2分别是正、反组电流控制器，这两者的输出信号控制正组VF、反组VR的桥路触发装置。在系统中电流反馈取自电机电枢电流，其值可以为正值、零和负值，所以仿真时其反馈处要加入绝对值计算环节。

表1 逻辑无环流直流调速系统元件说明

对于触发电路GTF和GTR的控制信号，则由整个系统的核心部件逻辑控制器DLC来控制，显然为了克服直流可逆调速系统中的环流，DLC是整个系统的重点设备，所以对DLC的调节便是本设计的关键。ACR1的给定信号经过反相器反相之后作为ACR2的给定信号，这样电流反馈信号Ui的极性在正、反转时可以都不改变，从而可以采用不反映极性的电流检测器。

如图2所示为逻辑无环流调速系统原理图。

图2 逻辑无环流直流调速系统原理图

3.2无环流逻辑控制器的工作原理及组成

逻辑无环流可逆直流调速系统中，DLC逻辑切换装置是该系统的中枢装置。其主要任务是在保证系统正常运作的情况下，只允许一组整流桥路工作，并严格封锁另一组，即例如当正组晶闸管桥路工作时开放正组脉冲，使正组经过转速环和电流环来控制直流电机正向运转，并且同时封锁反组桥路，如此便使两组晶闸管不能同时触发，从而避免产生环流。

DLC的组成部分由电平检测、逻辑判断、延时电路和连锁保护4个部分组成[2]。电流的给定信号作为逻辑控制器的指挥信号之一，逻辑控制器先鉴别该信号的极性，当其由正变负时，封锁反组并开放正组电路，反之当该信号由负变正，则封锁正组并开放反组电路。

但并不完全是由该信号控制，若在电枢电流没有进行反向之前就转变了极性，例如其由负变正则仍要保持正组开放，从而使本组逆变，此时当其逆变还未结束，就根据电流给定信号的极性去封锁正组触发，结果将使逆变下晶闸管失去触发脉冲，这样便发生了逆变颠覆现象。因此必须有“零电流检测”信号Ui0，从而检测电流确实下降为零并控制逻辑控制器进行工作。而对于输入信号两者均为1的情况，为了使整个系统能在此情况下正常工作，最后还必须设置联锁保护，以防止该现象发生。在零电流检测完之后，为确保整个触发过程使正组关闭，反组导通，在逻辑控制器中加入一定时间的延迟环节，从而保证一者关闭另一者导通的触发脉冲能够完全为零。

为了确保系统的可靠工作，逻辑切换指令发出后，并不能立刻执行，还需经过两段延时时间，即封锁延时td1和开放延时td2。前者是在检测到的零电流信号等待一段时间td1，确定电流下降为零，才允许发出封锁本组脉冲信号。后者开放延时td2则是为了防止环流短路事故发生，在发生封锁本组信号之后，等待td2才允许开放另一组脉冲。

逻辑控制器组成图及其输入输出信号如图3所示。

图3 无环流逻辑控制器DLC的组成及其输入输出信号

综上所述，对无环流逻辑控制器的要求为：

1）电流给定信号极性的变化和零电流检测器发出的零电流信号Ui0，此两者作为输入，才能发出逻辑变换指令。

2）发出切换指令后，必须经过两种延迟再发出逻辑控制指令，即封锁延时td1和开放延时td2。通过封锁延时后封锁导通组而开放延时后开放另一组的脉冲。

3）在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲不允许同时开放，其一组工作时，另一组脉冲必须被封锁。

3.3双闭环直流电机调速系统原理

双闭环直流电机调速系统原理图如图4所示。

图4 转速电流双闭环控制直流调速系统原理图

本系统以直流电机的双闭环调速系统为依托，在控制整流桥路触发脉冲时，利用逻辑控制器进行整流桥路触发脉冲控制，防止环流产生，以达到无环流的目的。

为了实现转速和电流两种负反馈，系统中应该有两个调节器，即电流调节器和速度调节器，分别对电流和转速进行调节。其中的内环电流环和外环转速环，两环是嵌套联接，以使得直流电机能够受到控制并完成正、反转。为了获得更好的静态性能和动态性能，这两个调节器一般采用PI调节器。在系统中电流调节器的输出值用来控制整流桥路的电力电子变换器，电流调节器的输入信号则是转速调节器和过流保护环节回馈的电压差值。

在图4中标出两个调节器输入输出电压的极性，其中为转速给定电压，Un为转速反馈电压，为电流给定电压，Ui为电路反馈电压。其中先调节内环电流环，通过电机参数进行计算其中所需要的参数，完成之后再进行转速环调节，最终达到转速稳定状态。

3.3.1电流环PI控制器设计

由于反电动势的问题，会对电流调节器有一定影响，又因为转速与反电动势成正比，且转速变化慢于电流变化，所以对电流来说反电动势是一个较慢的扰动，可以忽略。

如此在对电流环进行动态设计时，可以将反电动势的影响忽略掉。忽略反电动势对电流环作用的近似条件为：

式中，ωci为电流环开环频率特性的截止频率；Tm为电磁时间常数；T1为转矩时间常数。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ⅰ型系统[3]，应采用PI型电流调节器，其传递函数为：

式中，Ki为电流调节器的比例系数；τi为电流调节器的超前时间常数。

根据双闭环直流调速系统的控制原理，在实际连接中，电流环应是含给定滤波的模拟式PI型电流调节器[4]。

如图5所示，利用运算放大器对电流调节器进行实物设计。

图5 实际电流环运算放大器连接图

为电流给定电压，其值应是转速调节器的输出；-βId为电流负反馈电压，β值与α相等。调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc，其中反馈环节电阻Ri和电容值Ci则视参数而定，通过改变反馈值对系统进行调节。在实验中，先对电流调节器进行调零，之后调幅接入系统。

在实际的实验接入前，应对其先进行调零，之后再进行限幅调节，调节到一切正常时才可将其接入系统，使环路起作用。

根据运算放大器的电路原理，可以得出电阻、电容之间的关系式如式（3）～式（5）所示：

3.3.2转速环PI控制器设计

转速环控制器方面，转速调节器ASR的输出作为电流环调节器的输入，但是在转速环控制器中总会有扰动，如此便存在静差。

为了完全消除其内部静差对系统影响，利用积分环节，将其放入扰动之后。这样原本调节器中有一个积分环节，所以整个转速调节器ASR应该用典型Ⅱ型系统，其同时也会满足动态抗扰动的要求。将时间常数变为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，其近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节，其中时间常数计算如下：

ASR采用PI调节器，经过化简后其传递函数为：

式中，Kn为转速调节器的比例系数；τn为转速调节器的超前时间常数。

其中，转速控制器的参数τn为：

式中，h为中频带宽常数，取5。

参数Kn如下所示：

则可得到式（10）为：

转速调节器含给定滤波和反滤波的PI型转速调节原理图如图6所示。

图6 转速调节器实际PI连接图

转速调节器利用运算放大器的工作原理，改变反馈系数，可以调节PI参数，来调节整个系统。其中为转速给定电压，-αn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。其中改变转速调节器的电阻值Rn和电容值Cn可以改变实际调节器的参数。调节时需要控制限幅值。在实验中，对于转速调节器必须先进行调零设置，在此之后再进行正、负限幅值调节。在以上三个步骤均调节完成之后，才可接入系统。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为：

4、结束语

本文从V-M系统的角度出发，通过分析环流的产生过程，了解到当可逆系统中产生环流现象时，会对整个直流电机可逆系统造成十分恶劣的影响，由于环流的存在可导致逆变失败，严重时引起电机失去控制，烧毁控制桥路，便提出改进直流电机可逆系统的方法，从而得出逻辑无环流可逆调节系统和错位无环流可逆直流调节系统。

参考文献:

[1]陈伯时,阮毅.电力拖动自动控制系统(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2004:52-82,123-132.

[2]洪乃刚.电力电子､电机控制系统的建模和仿真[M].北京:机械工业出版社,2010:147-170.

[3]张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002:22-34,37-49.

[4]]李发海,王岩.电机与拖动基础[M].北京:清华大学出版社,2005:26-51.

文章来源:张永红,孙成星,贾博文,等.逻辑无环流可逆直流调速系统的研究[J].电器工业,2024,(11):47-51.