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1、矿用电机车调速系统说明书学 院：班 级：学 号：姓 名：指导老师：日 期：摘要本设计介绍了可控硅可逆调速系统的调速方式、可逆运行方式和环流控制方式的选择，以及双闭环（电流环和转速环）调速系统的原理，从而引出逻辑无环流可逆调速系统。对于逻辑无环流可逆系统，介绍了其原理、环节组成模块，然后针对各个环节进行相应介绍和设计电路。关键字：可控硅、可逆、逻辑无环流目录第一章 矿用电机车调速系统的方案确定 1.1 调速系统的指标 1.2 供电方案和电动机的选择 1.3 调速方式和可逆运行方案 1.4 主电路和环流控制方式第二章 可控硅直流调速系统主回路的参数计算和元件选择 2.1 整流变压器额定参数计算与选
2、择 2.2 可控硅元件的计算与选择 2.3 电抗器的参数计算 2.4 保护环节的设计与计算 2.4.1 过电压保护 2.4.2 过电流保护 2.4.3 可控硅关断过电压第三章 可控硅直流调速系统的控制回路 3.1 逻辑无环流可逆系统 3.2 调速系统的控制单元 3.2.1 速度检测环节 3.2.2 电流检测环节 3.3 触发电路的设计 3.3.1 TC787的内部结构 3.3.2 同步变压器 3.3.3 TC787触发电路 3.3.4 元部件的选择 3.4 调节器的设计 3.5 静止检测器LSF 3.6 速度给定信号电路设计 3.6.1 给定电压电路 3.6.2 给定积分器线路 3.7 无环流
3、逻辑单元（WLZ） 3.7.1 转矩极性鉴别器（DPT） 3.7.2 零电流检测器（DPZ） 3.7.2 逻辑控制器（DLC） 3.8 反号器（AR）总结参考文献第一章 矿用电机车调速系统的方案确定1.1 调速系统的指标 1、静态指标要求 静态技术指标是指系统的调速范围D和静差率S。 2、动态指标要求动态技术指标是指系统在稳定的前提下系统对阶跃给定信号的跟随性能指标和系统在扰动信号作用下的抗扰性能指标。系统对阶跃信号的跟随性能系指系统响应时间和超调量作为响应特性的技术指标。扰动最为常见的是负载扰动和电网电压扰动，其中常以负载扰动为主。系统对负载扰动的抗扰能力系指系统在稳定运行情况下突加阶跃负载
4、扰动，系统的最大转速降落和动态恢复时间的大小。 本调速系统处于频繁起动、制动、加减速等状态，还要适应负载上下坡和颠簸路况等情况；要求电动机起动转矩大，过载能力强，长时间处于低速重载运行状态。所以系统对快速性要求不高。1.2 供电方案和电动机的选择 本次课设要求的是可控硅直流调速系统的设计，所以采用可控硅装置供电方案。 电动机的选择：长期运行，密封式防潮、防腐蚀，绝缘材料（影响过载能力）等。1.3 调速方式和可逆运行方案 1、可控硅直流调速系统有两种实用的调速方式：（1）保持电动机磁场为额定，调节电枢电压实现电动机转速平滑调节，即恒转矩调速。可以得到基速以下的转速无级调节。（2）保持电动机端电压
5、为额定，减弱电动机磁场，实现电动机转速调节，即恒功率调速。可以得到基速以上的转速无级调节。本系统采用调节电枢电压的调速方式，在基速以下区域内调速。 2、可控硅直流调速系统有两种可逆方案：（1）电枢可逆：用两套可控硅装置向电枢回路供电，改变电枢电流方向。 （2）磁场可逆：用两套可控硅装置改变电动机的励磁电流方向。 考虑控制系统的简单性，本次课设采用电枢可逆调速系统。1.4 主电路和环流控制方式 1、两套可控整流装置的联接方式： （1）反并联接线：两套可控整流装置公用一组交流电源，即整流变压器只有一套副绕组。 （2）交叉接线：两套可控整流装置必须有两套独立的交流电源分别供电，整流变压器要求由两套独
6、立的副绕组。 本系统采用三相全桥式反并联接线。 2、环流控制方式： 可逆调速系统中存在不流经负载，只经过两组可控硅整流装置的电流，称为环流。环流又分为：静态环流和动态环流。环流对可逆调速系统既有害，又有用。 有环流系统相对于无环流系统，其优点：正、反切换过程中控制连续、无死区、快速性好，且切换过程中的过渡特性平滑性好；其缺点：比无环流系统投资要大些。所以只有当快速性指标要求较高，对系统切换过程中的过渡特性要求平滑性严格的场合下，可以考虑 采用有环流可逆系统。 本系统对快速性要求不高，所以采用逻辑无环流系统。第二章 可控硅直流调速系统主回路的参数计算和元件选择2.1 整流变压器额定参数计算与选择
7、2.2 可控硅元件的计算与选择2.3 电抗器的参数计算2.4 保护环节的设计与计算 2.4.1 过电压保护 2.4.2 过电流保护 2.4.3 可控硅关断过电压第三章 可控硅直流调速系统的控制回路3.1 逻辑无环流可逆系统，如图3.1所示3.2 调速系统的控制单元 检测环节的要求： 1）检测环节本身精度高，误差小，以保证系统的控制精度。 2）检测元件和反馈通道惯性要小。 3）检测环节的输入、输出关系呈线性。 4）检测环节本身要工作可靠。 3.2.1 速度检测环节闭环调速系统中，可以采用测速发电机来检测电动机转速。测速机分为交、直流测速发电机两种类型：交流型：结构简单，价格便宜，无碳刷接触和碳刷
8、压降造成的误差；输出必须进行整流变换，影响信号的转换精度，存在相角误差。直流型：体积小，要求恒流电源励磁。负载电流不能过大，否则会由于电枢反应影响测量精度。为减小纹波电压影响，可选用换向片数较多的测速机。测速机转速与电动机转速应相匹配，否则要设置变速机。同时要注意测速机与电动机轴同心度要好，减少一些附加干扰。速度检测电路如图3.2所示 3.2.2 电流检测环节在系统中电流检测部分有：交流侧和直流侧，在交流侧可用交流电流互感器，在直流侧可用直流电流互感器。在本次设计调速系统中，无需检测电流的方向，所以采用交流电流互感器。电流检测电路如图3.3所示3.3 触发电路的设计 触发电路的要求： 1）触发
9、脉冲要与SCR元件的交流电源电压同步。2）触发脉冲要有足够的功率，10V左右的幅值，35倍的触发电流，脉冲前沿具有一定陡度。3）触发脉冲要有足够宽度，使用双脉冲时，脉冲宽度约为。4）要能平滑移相，移相范围要大于。 3.3.1 TC787的内部结构，如图3.4所示图3.41、工作原理： 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控制信号。三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相
10、点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲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。 2、TC787各引脚功能描述（1）引脚 18、1、2分别为三相同步电压 Va、Vb、Vc输入端，应用中分别接同步变压器副边的同步电压，同步变压器的原边来自于发电机的端电压。同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。（2）引脚 12、10、8、9、7和 11是脉冲输出端。其中引脚12、10和 8分别控制上半桥臂的 A、B、C相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的 A、B和 C相 晶闸管。（3）引脚
11、5为输出脉冲禁止端。该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效。（4）引脚16、15和14分别为产生相对于 A、B和C相同步电压的锯齿波充电电容连接端，电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。（5）引脚6为工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双窄脉冲；当该端接低电平时，输出单宽脉冲。（6）引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。（7）引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。（8）引脚17为正电源VDD输入
12、端，引脚3为负电源Vss输入端。单电源工作时引脚3接地，而引脚17允许施加的电压为818V。双电源工作时，引脚3接负电源，其允许施加的电压幅值为-4-9V，引脚17接正电源，允许施加的电压为+4+9V。3、主要电参数和限制 (1) 工作电源电压VDD:818V或5V9V; (2) 输入同步电压有效值:1/2VDD; (3) 输入控制信号电压范围:0VDD; (4) 输出脉冲电流最大值:20mA; (5) 锯齿波电容取值范围:0.10.15; (6) 脉宽电容取值范围:3300pF0.01F; (7) 移相范围:0177; (8) 工作温度范围:0+55. 3.3.2 同步变压器 在晶闸管整流电
13、路中，晶闸管需要一个触发脉冲来控制其导通，即要使触发脉冲与阳极电压同步。一般整流桥阳极电压都比较高，不能直接引入控制装置，因此需要利用一个变压器来降压，并同时起到一定的隔离作用，即同步变压器。 同步变压器的功能就是将晶闸管阳极电压变压来作为此晶闸管的控制信号。 3.3.3 TC787触发电路，如图3.5所示图3.5 三相同步信号A、B、C 从电位器RP1、RP2、RP3经RC的T 型网络滤波, 产生30的相位移。电位器RP1、RP2、RP3可微调各相电压的相位, 以保证同步信号与主系统的适配。TC787为单电源供电且同步电压的零点为1/ 2电源电压（采用等值电路电阻分1/ 2 电压,以保证信号
14、的对称）, 采用电容耦合, 将同步电压Va , Vb, Vc 输入电路的18, 2, 1脚。输出端由大功率管驱动。C1C3为隔直耦合电容，而C4C6为滤波电容，它与R1R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。改变Ca, Cb, Cc 电容值, 可改变锯齿波的斜率。Cx 决定脉冲宽度。 3.3.4 元部件的选择： （1）Ca, Cb, Cc 的电容值的相对误差要小于5% ，一般采用0.1uF。 （2）脉冲宽度的选择: 产生约为1ms的脉冲宽度，采用Cx =0.01uF 的电容。 （3）3.4 调节器的设计1、调节器的要求有：1）调节器在比例状态下能够调零。如果振荡，可调整消振电路参数，使振荡消除。2）
15、调节器在系统中接为PI调节器作为电流和速度调节器使用，必须设置锁零环节，即在系统没得到起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，使其输出锁到零电位上。3）调节器的正、负输出电压要满足系统要求，不能过低，影响系统的正常工作和性能指标的实现。 2、BG305集成电路组成的比例积分调节器，如图3.6所示 BG305的管脚功能：1-反相输入端，2-同相输入端，11-为正15V电源，5-为负15V电源，7-为直流15V稳压电源地端，9-输出端，3和12间接入差动级电阻和调零电位计，4-外界偏置电阻，6和10间接消振用的电阻和电容。反馈电路接入R、C构成PI调节器，W1、W2电位计和二极管D3、D4构
16、成输出限幅电路。如果要限制非共模输入信号幅值，可在放大器入口处外接限幅二极管D1、D2。如果要控制输出电流，可加入输出限流电阻。BG305允许最大输出电流5mA。如果需要大于5mA电流，要接入互补推挽功放电路。3.5 静止检测器LSF当调速系统处于停车状态时即给定电压Ug为零，电动机转速为零时，LSF发出封锁所有调节器的信号，以避免停车时由于各调节器零漂引起SCR整流装置有输出电压，是电动机运行的不正常现象。同时，LSF还输出信号给逻辑装置，将正、反两组整流装置的全部触发脉冲封锁。LSF由电平检测、与门、延时环节（电阻和电容）、继电器KJ、放大环节等组成。如图3.7所示电平检测由两个BG305
17、线性组件组成。当静止无输入时，电平检测输出为高电平。当非门输出为低电平，通过将低电平送到逻辑装置点，封锁正反两组SCR的触发脉冲。同时，继电器KJ线圈得电，其在速度给定环节中的常开触点KJ闭合，给定电压Ug接零。此外，通过Fo将各调节器和给定积分器使其锁零。3.6 速度给定信号电路设计 3.6.1 给定电压电路 本调速系统只有给定正、反转速度（给定正负电压）和停车状态（给定零电压）三种状态。给定电压电路如图3.8所示 3.6.2 给定积分器线路给定积分器在阶跃输入时，输出为一定斜率的斜坡信号，该信号作为速度闭环的速度给定Ugs，是电动机在增减速过程中速度均匀变化。给定积分器的原理图，如图3.9
18、所示放大器接成同相输入，正反馈结果具有继电特性；放大器是个积分器。当Ug给定，Ug立即达到最大值，经W分压后送入放大器的反相输入端进行积分，输出Ugs反馈到放大器的反相输入端进行负反馈。当Ugs等于给定信号时，负反馈的结果使放大器的输出降到0。这时，由于电容C2的保持作用，Ugs保持等于Ug不变。调节电位计W可以改变输出斜坡信号Ugs的斜率。3.7 无环流逻辑单元（WLZ）逻辑无环流系统中，在一组可控硅工作时，用逻辑装置封锁另一组的触发脉冲，使改组可控硅完全处于阻断状态，从根本上切断环流的回路。对逻辑装置的要求：1）任何情况下正反SCR整流桥只允许一组处于工作状态。2）两组整流桥切换时，必须要
19、求主回路电流为零。3）切换时要求主回路电流降到零保持3ms，才能封锁原有工作的SCR，再经过710ms延时，再开放另一组SCR。 3.7.1 转矩极性鉴别器（DPT），如图3.10所示 其输入特性是左右对称，而输出特性上下不对称。如图3.11所示 当Ufn为正值时，输出为低电平“0”，可由负限幅电路D3、R2获得-0.6V；当Ufn为负值时，输出为高电平“1”，即正饱和值。 3.7.2 零电流检测器（DPZ），如图3.12所示 其输入、输出特性回环须偏向右侧，如图3.13所示 在放大器的反相输入端加上一个负的位移电压，或同相输入端加一个正的位移电压，由电位计W1提供，将输出特性右移。 3.7.
20、2 逻辑控制器（DLC），如图3.14才所示（1）逻辑判断电路根据转矩极性鉴别器和零电流检测器的输出Um和Ui信号，正确地封锁正组可控硅信号Uz，或封锁反组可控硅信号Uf（高电平为开放信号，低电平为封锁信号）。输入Um110001Ui100100输出Uz000111Uf111000（2）延时电路由电容C1、C2和电阻R1组成延时环节，其中C1用于关断延时，C2用于开放延时，而C2=C1+C2。（3）逻辑保护和功率放大环节3.8 反号器（AR）总结这次课程设计涉及到电机拖动、电力电子、运动控制、模拟电子和数字逻辑等学科相关知识，让我感觉到学科知识交叉的重要性和必要性，也让我充分意识到21世纪是众多学科知识的交融的社会。在课程设计过程中，设计思路和各模块的方案、控制方式的选择很关键，影响到整个系统主电路、控制回路电路的选择，所以需要根据设计任务的要求和实际情况慎重选择。而在这个过程中，巩固和加深了我对已学过的课本理论知识，很好地提高了自己的设计思维，同时也了解到一些以往所学知识未接触过的集成芯片的功能和使用。 这次课程设计让我们明白，设计前要做好充分的准备，比如认真分析设计任务的要求、查找详细的资料，为后面的设计打基础。设计过程中，要充分考虑各方面的要求，慎重选择系统方案和控制方式。总之，此次设计让我感触颇深，受益匪浅。