逻辑无环流可逆直流调速系统仿真研究
逻辑无环流可逆直流调速系统仿真研究
摘要：逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变
压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率
大为降低。本文对逻辑无环流可逆直流调速系统进行了仿真研究，对 DLC（逻辑控
制器）、ACR 和 ASR 的参数进行了设计，给出了仿真结果和分析。
关键词：无环流；可逆直流调速系统；逻辑控制器
1、引言
在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转
方向，必须改变电动机电磁转矩的方向。改变电动机电磁转矩的方向有两种办法：一种是改
变电动机电枢电流的方向，实际是上是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通
的方向。与此对应，V-M 系统的可逆线路有两种方式，电枢反接线路和励磁反接可逆线路。
对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没有脉动环流的无
环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和
晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，
逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。本文通过对逻辑无环流可逆直流调速系统仿
真分析，研究了逻辑无环流可逆直流调速系统各个重要环节的设计，仿真结果证明了设计的
正确性。
2、逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理
逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 所示，两组桥在任何时刻只有一组投入工作
（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简
单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，
因为已经导通晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时
才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放式同时进行，原先导通的那组桥不能立即
关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，
将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处
理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量
释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的
晶闸管，使其触发导通。
图 1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路
逻辑控制无环流系统主电路采用 2 组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设
置环流电抗器，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用
典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器 ACR1 和 ACR2，ACR1 用
来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1 的给定信号 *
iU 经反向器 AR 同时
作为 ACR2 的给定信号 *
iU ，这样就可以使电流反馈信号 *
iU 的极性在正转和反转时都不用
改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中
不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，
为此在系统中加入了无环流控制器 DLC，以保证系统的可靠运行，所以 DLC 是系统中的关
键部件。
3、逻辑无环流可逆直流调速系统主要环节设计
3.1 DLC（逻辑控制器）参数设计
无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工
作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以 0 和 1 的数字信号形式来执
行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为 1。
系统在反转时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，当系统正转制动时，也要用反组
晶闸管的逆变状态来实现回馈制动，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来
看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩，在励磁恒定时，就有负的电流。上
述特征可以由 ASR 输出的电流给定信号来体现。在反转运行时电流给定信号应为正；在正
转制动时电流给定信号也应为正。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性。当其由负变正时，
应先封锁正组，然后开放反组，当其由正变负，应先封锁反组，然后开放正组。但是，仅用
电流给定信号去控制 DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。电流给
定信号极性的变化只表明系统有了使转矩反向的意图，等到电流真正到 0 时，应该再发出一
个零电流检测信号，然后才能发出正反组切换的指令。只有电流转矩极性和零电流检测信号
这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让 DLC 发出切换指令。逻辑判断
以前，由电平检测器将电流给定信号和零电流检测信号两个连续变化的模拟量转成数字量。
逻辑切换指令发出后还不能马上执行，要经过两段延时时间，确保可靠工作。DLC 输入输
出逻辑控制表如表 1 所示。
表 1 DLC 输入输出逻辑控制表
逻辑控制器输入 逻辑控制器输出 说明
电机转矩
Ui*
电枢电
流 Ui
正组整流
器 VF Ublf
反组整流器
VR Ublr
正向启动零电流 >0 =0 0 1
正向启动有电流
正向运行有电流 >0 >0 0 1
本桥逆变
有电流 <0 >0 0 0
本桥逆变
零电流 <0 =0 1 0
正向制动
它桥逆变
有电流 <0 <0 1 0
反向启动零电流 <0 =0 1 0
反向启动有电流
反向运行有电流 <0 <0 1 0
Ui*>0 正 向转矩
Ui*0 反向转矩
Ui>0 正 向 电流，
Ui>0 反向电流
Ublf=0 正组整流器
工作
Ublr=0 反组整流器
工作
本桥逆变
有电流 >0 <0 1 0
本桥逆变
零电流 >0 =0 0 1
正向制动
它桥逆变
有电流 >0 >0 0 1
TU IU FU ( Ublf) RU ( Ublr)
1 1 1 0
1 0 1 0
0 0 1 0
0 1 0 1
0 0 0 1
1 0 0 1
3.2 电流调节器环节设计
本系统基本参数为：直流电动机， kWPn 1.1= ， min/1000rn = ， VU n 220= ，
AI n 58.6= ， 22 28.0 mkgGD ?= ，过载倍数 2=λ ，电枢绕组的电阻 Ω= 4DR ，电感
mHLD 68= 。
3.2.1 电流调节器 ACR 时间常数
（1）整流装置滞后时间常数 sT
三相桥式电路平均失控时间 sTs 0017.0= 。
( 2 ) 电流滤波时间常数 oiT
三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波头 msToi 33.3= ，因此取
msToi 1= 。
( 3 ) 电流小时间常数 ∑T
按小时间常数近似处理： sTTT soi 0027.00017.0001.0 =+=+=∑ 。
3.2.2 设计电流调节器结构
根据设计要求 %5% ≤iσ ，而且 sR
LT
D
D
l 0685.04
281.0 ===
1037.250027.0
0685.01 >==
∑T
T
2.1850027.0
5.05.0 === TK I
PI调节器的传递函数为：
s
skSW
i
i
iACR τ
τ 1)( +=
3.2.3 选择电流调节器参数
ACR 超前时间常数： sTli 0685.0==τ ；
取电流反馈系数： 76.058.62
10*
=×==
dm
im
I
Uβ ；
ACR 的比例系数为： 2.1==
s
i
pi K
RKK β
τ 。
4、Simulink 仿真图及其结果
Simulink 下仿真结构原理图
MATLAB 下的 DLC 原理图
ACR 环节
ASR 环节
转速仿真结果：
电流仿真结果：
5、结语
逻辑无环流的直流调速控制系统在生产实践中有着无可取代的作用。在该系统的设计过
程中，需要综合电力电子技术、数字电子技术、电机拖动等多个学科。同时，各环节的参数
配置对于系统的可行性又有着显著的影响。通过该系统的设计，有助于掌握其它更加复杂的
控制系统，对于生产技术的发展有着十分重要的作用。
参考文献：
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