学位论文-—逻辑无环流可逆直流调速设计.doc
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1、 设计说明书 设 计 题 目 完 成 日 期 年 月 日 专 业 班 级 设 计 者 指 导 教 师 课程设计成绩评定专 业自动化班 级自动化12本姓 名学 号教研室主任指导教师指导教师评语:签字:年 月 日设计成绩:签字:年 月 日目 录前言1一.逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 2二无环流逻辑装置的组成 7三无环流逻辑装置的设计 8四逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态11五系统参数选择14六参考文献18设 计 用 纸前 言随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用,以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高,需要越来越多的生产机械能够实现制动调速,因此我们就要对这样的自动调速系统作一
2、些深入的了解和研究。本设计的课题是逻辑选触无环流直流调速系统。该系统属于模拟系统,虽然不是很先进,但仍然在工矿企业中有着广泛的应用,本设计有较高的集成度,大量采用了LM和CMOS、HTL集成器件,使模拟数字集成电子电路的各种型号的运放.逻辑单元,时序单元,触发器,光电器件纷呈在电路版上,同时也大量的使用分立元件等特点。本文将先分析主回路及计算,论述其工作原理,接着讲解各个控制单元,本系统的控制线路采用速度、电流、双闭环调速系统。此外,为了控制给定信号的加速度,系统中又加入了一个给定积分器,两个环节的调节器均采用PI调节器在本论文的最后,对系统进行动态校正和工作过程各阶段进行较详细的图文讨论。本
3、系统采用的是串联校正。本设计采用逻辑选触无环流调速系统,投资少,调整方便,较符合实际需要,并且使用起来也比较的安全和方便,出故障时能及时察觉和排除。主回路方案的论述、比较及选择生产控制过程中,当要为某生产机械制造一台晶闸管整流装置。首先要确定采用什么样的整流电路,只有整流电路的形式确定后,才能根据负载来决定晶闸管、变压器、电抗器、熔断器等元件,才能对触发电路提出移相范围、脉冲等技术要求,才能选择适当的保护元件。为此,我们的首要任务是选择比较理想的主电路方案。对于晶闸管可控整流电路而言,主要分单相和三相可控整流电路,其中,单相可控整流电路的整流电压脉动大,脉动频率低,而且对三相电网电源而言,仅是
4、其中的一相负载,就影响三相电网的平衡运行,所以我们在设计中就不采用单相整流电路。一般当负载容量较大(4KW以上),或者要求直流电压脉动较小、易滤波或要求快速控制时,应考虑采用三相可控整流电路,这是因为三相整流装置三相是平衡的,输出的直流电压和电流脉动小,对电网影响小以及控制滞后时间短的缘故。三相整流的类型有很多,例如:三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式整流电路等。此次设计采用的是在工业上广泛应用的三相桥式反并联整流电路。三相桥式全控整流电路的实质是三相半波共阴极与共阳极组的串联。一、逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理(一)主电路及其原理图 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 所示,两组
5、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
6、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。这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR,一个反号器AR,采用双电流调节器1ACR和2ACR,双触发装置GTF和GTR结构。主电路采用两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,但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续,仍应保留平波电抗器,控制线路采用典型的转速电流双闭环系统,1ACR用来调节正组桥电流,其输出控制正组触发装置GTF;2ACR调节反组桥电流,其输出控制反组触发装置GTR,1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正反转时都不必改变,从
7、而可采用不反映极性的电流检测器,在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC,这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态,指挥系统进行自动切换,或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组,或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。在任何情况下,决不允许两组晶闸管同时开放,确保主电路没有产生环流的可能。ASR速度调节器 TA交流互感器ACR1ACR2正反组电流调节器 TG测速发电机GTF、GTR正反组整流装置 M工作台电动机VF、VR正反组整流桥 AR反号器 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi
8、0LdAR-+DLC无环流逻辑控制器图2 逻辑无环流可逆调速系统原理框图(二)系统原理图各部件电路结构及原理1、给定给定的原理图如图1所示。电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关,输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节,其输出电压范围为0士l5V,S2为输出控制开关,打到“运行”侧,允许电压输出,打到“停止”侧,则输出为零。按以下步骤拨动S1、S2,可获得以下信号:(1)将S2打到“运行”侧,S1打到“正给定”侧,调节RP1使给定输出一定的正电压,拨动S2到“停止”侧,此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此
9、时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。(2)将S2打到“运行”侧,S1打到“负给定”侧,调节RP2使给定输出一定的负电压,拨动S2到“停止”侧,此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。图1电压给定原理图(3)将S2打到“运行”侧,拨动S1,分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压,当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧,得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧,得到从负电压到正电压的跳变。元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上,方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是
10、不允许长时间将输出端接地,特别是输出电压比较高的时候,可能会将RP1、RP2损坏。2、转速变换转速变换用于有转速反馈的调速系统中,它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图2为其原理图:图2 速度变换使用时,将DD03-2(或DD03-3)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压,调节电位器RP1可改变转速反馈系数。3、速度调节器速度调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算,使其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原理见图3。在图3中“1、2、
11、3”端为信号输入端,二极管VD1和VD2起运放输入限幅,保护运放。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节,有助于抑制振荡,减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节,其电阻、电容均从DJK08挂件上获得。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数,改变C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。电阻R7、电容C1和电容C5两端在面板上装有接线柱,可根据需要外接电阻及电容。图3速度调节器原理图44、反号器反号器由运算放大器及有关电阻组成,用于调速系统中信号需要倒相的场合,如图4。图4反号器
12、原理图反号器的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入,故输出电压U2为:U2 = -(RP1+R3)/R1U1调节电位器RP1的滑动触点,改变RP1的阻值,使RP1+R3=R1,则U2 = -U1输入与输出成倒相关系。电位器RP1装在面板上,调零电位器RP2装在内部线路板上(在出厂前我们已经将运放调零,用户不需调零)。5、电流调节器电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成,工作原理基本上与速度调节器相同,其原理图如图5所示。电流调节器也可当作速度调节器使用。元件RP1、RP2、RP3均装在面板上,电容C1、电容C7和电阻R13的数值可根据需要,由外接电
13、阻、电容来改变。电流调节器与速度调节器相比,增加了几个输入端,其中“3”端接推信号,当主电路输出过流时,电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推信号(高电平)信号,击穿稳压管,正电压信号输入运放的反向输入端,使调节器的输出电压下降,使角向180度方向移动,使晶闸管从整流区移至逆变区,降低输出电压,保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的图5电流调节器原理相应输出端,当有高电平输入时,击穿稳压管,三极管V4、V5导通,将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端,其输入的值正好相反,如果两路输入都有效的话,两个值正好抵消为零,这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时
14、刻,只有一路信号输入起作用,另一路信号接地不起作用。6、转矩极性鉴别转矩极性鉴别为一电平检测器,用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成的模数转换器,可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图6所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图8a所示,具有继电特性。调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为:Uk = Usr2一Usr1 = K1(Uscm2一Uscm1)式中,K1为正反馈系数,K1越大,则正反馈越强,回环宽度就越小;Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电
15、压; Uscm1和Uscm2分别为反图6转矩极性鉴别原理图向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V,环宽大时能提高系统抗干扰能力,但环太宽时会使系统动作迟钝。图7零电平检测器原理7、零电平检测零电平检测器也是一个电平检测器,其工作原理与转矩极性鉴别器相同,在控制系统中进行零电流检测,当输出主电路的电流接近零时,电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零,输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图7和图8b所示。 (a)转矩极性检测 (b)零电平检测图8 转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性二、无环流逻辑装置的组成在无环流控制系统中,反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢
16、电流极性来选择其中一组整流桥运行,而另一组整流桥触发脉冲是被封锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下:由于转速给定变化或负载变动,使电动机应产生的转矩极性反向。由转速调节器输出反映这一转矩的极性,并由逻辑装置对该极性进行判断,然后发出切换开始的指令。使导通侧的整流桥(例如正组桥)的电流迅速减小到零。由零电流检测器得到零电流信号后,经延时,确认电流实际值为零,封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。由零电流检测器得到零电流信号后,经延时,确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后,开放待工作侧整流桥(例如反组桥)的触发脉冲。电枢内流过与切换前反方向的电流,完成
17、切换过程。根据逻辑装置要完成的任务,它由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成,逻辑装置的功能和输入输出信号如图4-1所示。图2-1 无环流逻辑控制环节DLC其输入为电流给定或转矩极性鉴别信号和零电流检测信号,输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号和反组晶闸管触发脉冲封锁信号。软件逻辑控制切换程序流程图 三、无环流逻辑装置的设计 电平检测器逻辑装置的输入有两个:一是反映转矩极性信号的转速调节器输出,二是来自电流检测装置反映零电流信号的,他们都是连续变化的模拟量,而逻辑运算电路需要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量,也就是转换成“0”状态(将输
18、入转换成近似为输出)或“1”状态(将输入转换成近似为输出)。采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度,前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。其原理图见图3-1。图3-1 电平检测器原理图电平检测器的输入输出特性如图3-2所示,具有回环特性。由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量,除入口有滤波外,电平检测需要具有一定宽度的回环特性,以防止由于交流分量使逻辑装置误动作,本系统电平检测回环特性的动作电压,释放电压。调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。图3-2电平检测器输入输出特性转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出,其输出为。电机正转时为负,
19、为低电位(“0”态),反转时为正,为高电位(“1”态)。零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号,其输出为。有电流时为正,为高电位(“1”态),无电流时为0,为低电位(“0”态)。逻辑运算电路的输入是转速极性鉴别器的输出和零电流检测器输出。系统在各种运行状态时,和有不同的极性状态(“0”态或“1”态),根据运行状态的要求经过逻辑运算电路切换其输出去封锁脉冲信号的状态(“0”态或“1”态),由于采用的是锗管触发器,当封锁信号为正电位(“1”态)时脉冲被封锁,低电位(“0”态)时脉冲开放。其逻辑运算电路,如图3-3所示,它由四个或非门电路组成。依靠它来保证两组整流桥的互锁,并自动实现零电流
20、时相互切换。图3-3 逻辑运算电路 现举例说明其切换过程,例如,整流装置原来正组工作,这时逻辑电路各点状态如图3-3中“1”、“0”所示。图3-4 或非门电路现在要求整流装置从正组切换到反组,首先是转矩极性信号改变极性,由“0”变到“1”,在正组电流未衰减到0以前,逻辑电路的输出仍维持原状(为“0”,正组开放。为“1”,反组封锁)。只有当正组电流衰减到零,零电流检测器的状态改变后,逻辑电路输出才改变状态,实现零电流切换,这是逻辑电路各点状态如图3-3所示。或非门电路如图3-4所示采用锗二极管2AP13和硅开关三极管3DK4C是为了减小正向管压降。延时电路 前面的逻辑运算电路保证零电流切换,但仅
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