晶闸管直流电动机调速系统设计毕业设计.docx

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晶闸管直流电动机调速系统设计毕业设计

晶闸管直流电动机调速系统设计

1设计概述

1.1设计意义及要求

有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。

改变电枢电压的极性，或改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。

当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统

1.2方案分析

1.2.1可逆调速方案

使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。

电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。

电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。

电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。

图1-1两组晶闸管反并联示意图

如上图电动机正转时由正组晶闸管装置VF供电反转时由反组晶闸管装置VR供电。

两组晶闸管分别由两套触发装置控制都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。

但是不允许让两组晶闸管同时处于整流状态否则将造成电源短路因此对控制电路提出了严格的要求。

1.2.2控制方案的选择

在这里，我们选择双闭环直流调速系统，ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。

为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR别调节转速和电流。

由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

系统的原理框图如图1-2所示：

图1-2原理框图

2主电路的设计与分析

主电路主要环节是：

整流电路、斩波电路及保护电路。

图2-1调速系统

直流脉宽调速系统的组成如图2-1所示，由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成。

二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，C1为滤波电容。

可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它是由四个功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。

2.1整流电路

晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

图2-2整流电路

桥式整流电路的工作原理如下：

e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在R，上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图2-2中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半！

2.2斩波调速电路

直流电动机往往需要正、反向运行，而且有电动和制动工作状态，这就需要四象限斩波变换电路为电动机供电。

图2-3给出了四象限斩波调速主电路原理图。

T1~T4组成了全桥电路，又称H桥型电路；TA1检测母线的电流大小和方向，TA2检测电动机的电流大小和方向；电容C用来减小开关过程引起的电压波纹压敏电阻Rv用来抑制电压尖峰。

电机的工作状态同供电方式和负载有关。

图2-3斩波调速电路

电机正向电动状态运行时，变换器工作在第一象限，使T4导通，T2、T3关断，根据转速要求对T1进行PWM调制，此时变换器等效一个降压斩波电路，能量由直流电源供向负载。

如果希望电机运行于正想制动状态，可使T4导通，T1、T3关断，变换器等效一个升压斩波电路；调控T2电动机的反电动势升压变换得到一个略大于Ud的电压，使得电动机输出电流反向，电磁转矩反向，直流电动机运行在发电制动状态，电动机的能量就回馈到电网，转速下降。

同理，T2导通，T1、T4关断，调控T3，电动机可以运行在反向电动状态；T2导通，T1、T3关断，调控T4，电动机可以运行在反向制动状态。

3控制电路的设计与分析

控制电路（如图3-1）主要环节是：

触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

主电路电力电子开关器件要采用IGBT，并且系统具有完善的保护。

图3-1控制电路

3.1触发电路的设计与分析

锯齿波同步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成。

3.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析

根据IGBT的特点，本设计用脉宽调制（PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制。

采用的芯片是脉宽调制器SG3525。

要改变输出脉冲PWM的占空比，只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现。

SG3525的引脚及其内部框图如图3-2所示。

图3-2SG3523引脚图

它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。

3.2.1欠压锁定功能

基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc的影响，当Vc低于7V或严重欠压时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1=P2=0,SG3525的13脚输出电平，功率驱动电路输出至功率场效应管控制脉冲消失，逆变器无电压输出。

3.2.2系统的故障关闭功能

为便于从主回路受检测到的故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。

过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于T3基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。

在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。

3.2.3软起动功能

软起动功能的实现主要由晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。

当出现欠压或者有过流故障时，A端线高电平传到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径，C3经T3放电到零电压后，限制了比较器的PWM′脉冲电压输出，该电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM′高电平经PWM锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平，C3电容重新充电之前，D端线的高电平不会发生变化，封锁输出。

当故障消除后，A端线恢复为低电压正常值，T3截止，C3电容由50μA电流源缓慢充电，C3充电对PWM′和D端线脉冲宽度产生影响，同时对P1和P2输出脉冲产生影响，其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，P1和P2的脉冲宽度才不受C3充电的影响。

这种软启动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的冲击浪涌电流。

3.2.4波形的产生及控制方式分析

锯齿波作为载波信号Ut，调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP上的电压信号Ur′和外加的给定信号Ug叠加而成，RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，Ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。

集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。

11脚、14脚与12脚连接。

PWM脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。

锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，Ut〉Ur时，比较器输出的PWM′波形由逻辑低电平变为高电平，Ut〈Ur时，比较器输出的PWM′波形由逻辑高电平变为低电平。

为保证PWM′波宽不至于太窄，用PWM锁存器锁存高电平值，并在CP脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。

3.3延时、驱动电路的设计

在可逆变换器中，跨接在电源Us两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作，由于功率场效应管的关断要有一定的时间。

在这段时间内功率场效应管并未完全关断。

如果在此期间另一个功率场效应管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源正负极短路。

为了避免发生这种情况。

设置由R、C电路构成的逻辑延时环节。

保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时2μS左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。

如图所示，Ua为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.1~0.9），经过RC移相后，输出两组互为到相、死区时间为4μS左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只IGBT管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱动信号相同。

图3-3延时驱动电路

3.4ASR和ACR调节器设计

3.4.1ASR（速度调节器）

速度调节器ASR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。

它由运算放大

器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。

其原理图如图3-4所示。

图3-4速度调节器

转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。

速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。

电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。

图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。

由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。

场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。

RP1为放大系数调节电位器。

元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。

电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。

3.4.2ACR（电流调节器）

电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。

以使其输出量按某种予定规律变化。

它是由下述几部分组成：

运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。

图3-5电流调节器

电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推β信号，来自电流变换器的过流信号Uβ，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。

UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。

晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。

如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。

接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。

改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。

元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。

结束语

课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次电力电子设计，本人在多方面都有所提高。

通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行直流电动机可逆调速系统设计，巩固与扩充了电力电子模拟电子等课程所学的内容，掌握了设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计课题的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

参考文献

[1]．石玉、栗书贤．电力电子技术题例与指导．机械工业出版社，1998

[2]．王兆安、黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

[3]．郑琼林、耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

[4]．刘定建、朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996

[5]．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．机械工业出版社1999

[6].刘星平.双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用.电气自动化出版社.2003

附录

图4-1总电路图

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精品资料

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精品资料

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