晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計說明

1、 .PAGE14 / NUMPAGES15晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc7098 1設(shè)計概述 PAGEREF _Toc7098 1 HYPERLINK l _Toc10769 1.1 設(shè)計意義與要求 PAGEREF _Toc10769 1 HYPERLINK l _Toc14755 1.2 方案分析 PAGEREF _Toc14755 1 HYPERLINK l _Toc16112 1.2.1 可逆調(diào)速方案 PAGEREF _Toc16112 1 HYPERLINK l _Toc10971 1.2.2 控制方案的選擇 PAGERE

2、F _Toc10971 2 HYPERLINK l _Toc26633 2主電路的設(shè)計與分析 PAGEREF _Toc26633 3 HYPERLINK l _Toc30503 2.1 整流電路 PAGEREF _Toc30503 3 HYPERLINK l _Toc15166 2.2 斬波調(diào)速電路 PAGEREF _Toc15166 4 HYPERLINK l _Toc1814 3控制電路的設(shè)計與分析 PAGEREF _Toc1814 6 HYPERLINK l _Toc21986 3.1 觸發(fā)電路的設(shè)計與分析 PAGEREF _Toc21986 6 HYPERLINK l _Toc8820

3、 3.2脈寬調(diào)制（PWM）控制的設(shè)計與分析 PAGEREF _Toc8820 6 HYPERLINK l _Toc25101 3.2.1 欠壓鎖定功能 PAGEREF _Toc25101 7 HYPERLINK l _Toc714 3.2.2系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 PAGEREF _Toc714 7 HYPERLINK l _Toc21416 3.2.3軟起動功能 PAGEREF _Toc21416 7 HYPERLINK l _Toc4797 3.2.4 波形的產(chǎn)生與控制方式分析 PAGEREF _Toc4797 8 HYPERLINK l _Toc8099 3.3 延時、驅(qū)動電路的設(shè)計 PAG

4、EREF _Toc8099 8 HYPERLINK l _Toc15599 3.4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器設(shè)計 PAGEREF _Toc15599 9 HYPERLINK l _Toc29120 3.4.1 ASR（速度調(diào)節(jié)器） PAGEREF _Toc29120 9 HYPERLINK l _Toc25374 3.4.2 ACR（電流調(diào)節(jié)器） PAGEREF _Toc25374 10 HYPERLINK l _Toc32191 結(jié)束語 PAGEREF _Toc32191 12 HYPERLINK l _Toc18204 參考文獻 PAGEREF _Toc18204 13 HYPERLINK l

5、 _Toc12021 附錄 PAGEREF _Toc12021 14晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1設(shè)計概述1.1 設(shè)計意義與要求有許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。改變電樞電壓的極性，或改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)1.2 方案分析1.2.1 可逆調(diào)速方案使電機能夠四象限運行的方法有很多，可以改變直流電機電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機勵磁電流的方向等等，即電樞

6、電壓反接法和電樞勵磁反接法。 電樞勵磁反接方法需要的晶閘管功率小，適用于被控電機容量很小的情況，勵磁電路中需要串接很大的電感，調(diào)速時，電機響應(yīng)速度較慢且需要設(shè)計很復(fù)雜的電路，故在設(shè)計中不采用這種方式。 電樞電壓反接法可以應(yīng)用在電機容量很的情況下，且控制電路相對簡單電樞反接反向過程很快，在實際應(yīng)用中常常采用，本設(shè)計中采用該方法。 電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅(qū)動電路驅(qū)動，可以做到互不干擾。圖1-1 兩組晶閘管反并聯(lián)示意圖如上圖電動機正轉(zhuǎn)時由正組晶閘管裝置VF供電反轉(zhuǎn)時由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制都能靈活地控制電動機的起、制動

7、和升、降速。但是不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)否則將造成電源短路因此對控制電路提出了嚴格的要求。1.2.2 控制方案的選擇在這里，我們選擇雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ，ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以與電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動機的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓，把由電流負反饋組成的環(huán)作為環(huán)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的原理框

8、圖如圖1-2所示：圖1-2 原理框圖2主電路的設(shè)計與分析主電路主要環(huán)節(jié)是：整流電路、斬波電路與保護電路。圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖2-1所示，由主電路、控制與保護電路、信號檢測電路三大部分組成。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡娮鑂1為起動限流電阻，C1為濾波電容。可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，它是由四個功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成的雙極式PWM可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機M上可得到正或負的直流電壓。2.1 整流電路晶體二極管橋式整流電路是使用最多的

9、一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成橋式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。圖2-2 整流電路橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負的半波整洗電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2 、D2、Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在R，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波

10、整流波形圖是一樣的。從圖2-2中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半！2.2 斬波調(diào)速電路直流電動機往往需要正、反向運行，而且有電動和制動工作狀態(tài)，這就需要四象限斬波變換電路為電動機供電。圖2-3給出了四象限斬波調(diào)速主電路原理圖。T1T4組成了全橋電路，又稱H橋型電路；TA1檢測母線的電流大小和方向，TA2檢測電動機的電流大小和方向；電容C用來減小開關(guān)過程引起的電壓波紋壓敏電阻Rv用來抑制電壓尖峰。電機的工作狀態(tài)同供電方式和負載有關(guān)。圖2-3 斬波調(diào)速電路電機正向電動狀態(tài)運行時，變換器工作在第一象限，使T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷，根據(jù)轉(zhuǎn)速

11、要求對T1進行PWM調(diào)制，此時變換器等效一個降壓斬波電路，能量由直流電源供向負載。如果希望電機運行于正想制動狀態(tài)，可使T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，變換器等效一個升壓斬波電路；調(diào)控T2電動機的反電動勢升壓變換得到一個略大于Ud的電壓，使得電動機輸出電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩反向，直流電動機運行在發(fā)電制動狀態(tài)，電動機的能量就回饋到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速下降。同理，T2導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，調(diào)控T3，電動機可以運行在反向電動狀態(tài)；T2導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，調(diào)控T4，電動機可以運行在反向制動狀態(tài)。3控制電路的設(shè)計與分析控制電路（如圖3-1）主要環(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、檢測與故障保護電路。主電路電力電子

12、開關(guān)器件要采用IGBT，并且系統(tǒng)具有完善的保護。圖3-1 控制電路3.1 觸發(fā)電路的設(shè)計與分析鋸齒波同步移相觸發(fā)電路由同步檢測，鋸齒波形成，移相控制，脈沖形成，脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。3.2脈寬調(diào)制（PWM）控制的設(shè)計與分析根據(jù)IGBT的特點，本設(shè)計用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式對開關(guān)管的占空比進行控制。采用的芯片是脈寬調(diào)制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比， 只要改變調(diào)制信號Ur的電壓大小即可實現(xiàn) 。SG3525的引腳與其部框圖如圖3-2所示。圖3-2 SG3523引腳圖它主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、震蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動電路、輸出電路構(gòu)成。3.

13、2.1 欠壓鎖定功能基準(zhǔn)電壓調(diào)整器受15端的外加直流電壓Vc的影響，當(dāng)Vc低于7V或嚴重欠壓時，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時，欠電壓鎖定功能使A端線由低電壓上升為邏輯高電平經(jīng)過或非門輸出轉(zhuǎn)化為P1=P2=0,SG3525的13腳輸出電平，功率驅(qū)動電路輸出至功率場效應(yīng)管控制脈沖消失，逆變器無電壓輸出。3.2.2系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能為便于從主回路受檢測到的故障信號，集成控制器部T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接10引腳。過流保護環(huán)節(jié)檢測到的故障信號使10腳為高電平，由于T3基極與A端線相連，故障信號產(chǎn)生的關(guān)閉過程與欠電壓鎖定過程類似。在電路中，過流保護環(huán)節(jié)還輸出

14、一個信號到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號時，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護。3.2.3軟起動功能軟起動功能的實現(xiàn)主要由晶體管T3和外接電容C3與鎖存器來實現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時，A端線高電平傳到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳外接電容C3提供放電的途徑，C3經(jīng)T3放電到零電壓后，限制了比較器的PWM脈沖電壓輸出，該電壓上升為恒定的邏輯高電平，PWM高電平經(jīng)PWM鎖存器輸出至D端線仍為恒定的邏輯高電平，C3電容重新充電之前，D端線的高電平不會發(fā)生變化，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后， A端線恢復(fù)為低電壓正常值，T3截止，C3電容由

15、50A電流源緩慢充電，C3充電對PWM和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響，同時對P1和P2輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使P1和P2脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結(jié)束后，P1和P2的脈沖寬度才不受C3充電的影響。這種軟啟動方式，可使系統(tǒng)主回路電機與功率場效應(yīng)管避免承受過大的沖擊浪涌電流。3.2.4 波形的產(chǎn)生與控制方式分析鋸齒波作為載波信號Ut，調(diào)制信號由9腳輸入，此圖中，調(diào)制信號由可調(diào)電位器RP上的電壓信號Ur和外加的給定信號Ug疊加而成，RP上的電壓信號用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比，Ug可正可負，用于控制逆變器輸出電壓的大小和極性，Ug也可以由摸擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出來控制，構(gòu)成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。集成控

16、制器SG3525的輸出側(cè)采用推拉式電路，可使關(guān)斷速度加快。11腳、14腳與12腳連接。PWM脈沖由13腳輸出，這樣能夠保證13腳的輸出與鎖存器的輸出一致。鋸齒波與調(diào)制波的交點比較功能由比較器完成，UtUr時，比較器輸出的PWM波形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?，UtUr時，比較器輸出的PWM波形由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?。為保證PWM波寬不至于太窄，用PWM鎖存器鎖存高電平值，并在CP脈沖下跳時對鎖存器清零，以進行下一個比較點的鎖存。3.3 延時、驅(qū)動電路的設(shè)計在可逆變換器中，跨接在電源Us兩端的上、下兩個功率場效應(yīng)管經(jīng)常交替工作，由于功率場效應(yīng)管的關(guān)斷要有一定的時間。在這段時間功率場效應(yīng)管并未完全關(guān)斷。

17、如果在此期間另一個功率場效應(yīng)管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源正負極短路。為了避免發(fā)生這種情況。設(shè)置由R、C電路構(gòu)成的邏輯延時環(huán)節(jié)。保證在對一個管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時2S左右的時間后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖。如圖所示，Ua為SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)的脈沖波形（占空比調(diào)節(jié)圍不小于0.10.9），經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為到相、死區(qū)時間為4S左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動四只IGBT管，其中VT1、VT4驅(qū)動信號一樣，VT2、VT3驅(qū)動信號一樣。圖3-3 延時驅(qū)動電路3.4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器設(shè)計3.4.1 ASR（速度調(diào)節(jié)器）速度調(diào)節(jié)器ASR的功能是對給定和反

18、饋兩個輸入量進行加法，減法，比例，積分和微分等運算，使其輸出按某一規(guī)律變化。它由運算放大器，輸入與反饋網(wǎng)絡(luò)與二極管限幅環(huán)節(jié)組成。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4 速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也可當(dāng)作電壓調(diào)節(jié)器AVR來使用。速度調(diào)節(jié)器采用電路運算放大器，它具有兩個輸入端，同相輸入端和倒相輸入端，其輸出電壓與兩個輸入端電壓之差成正比。電路運算放大器具有開環(huán)放大倍數(shù)大，零點漂移小，線性度好，輸入電流極小，輸出阻抗小等優(yōu)點，可以構(gòu)成理想的調(diào)節(jié)器。圖1-7中，由二極管VD4，VD5和電位器RP2，RP3組成正負限幅可調(diào)的限幅電路。由C2，R9組成反饋微分校正網(wǎng)絡(luò)，有助于抑制振蕩，減少超調(diào)，R15，C1組成

19、速度環(huán)串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)。場效應(yīng)管V5為零速封鎖電路，當(dāng)4端為0V時VD5導(dǎo)通，將調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)短接而封鎖，4端為-13V時，VD5夾斷，調(diào)節(jié)器投入工作。RP1為放大系數(shù)調(diào)節(jié)電位器。元件RP1，RP2，RP3均安裝在面板上。電容C1兩端在面板上裝有接線柱，電容C2兩端也裝有接線柱，可根據(jù)需要外接電容。3.4.2 ACR（電流調(diào)節(jié)器）電流調(diào)節(jié)器適用于可控制傳動系統(tǒng)中，對其輸入信號（給定量和反饋量）時進行加法、減法、比例、積分、微分，延時等運算或者同時兼做上述幾種運算。以使其輸出量按某種予定規(guī)律變化。它是由下述幾部分組成：運算放大器，兩極管限幅，互補輸出的電流放大級、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)、反饋阻抗網(wǎng)絡(luò)等。圖3-

20、5 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比，增加了4個輸入端，其中2端接過流推信號，來自電流變換器的過流信號U，當(dāng)該點電位高于某值時，VST1擊穿，正信號輸入，ACR輸出負電壓使觸發(fā)電路脈沖后移。UZ、UF端接邏輯控制器的相應(yīng)輸出端，當(dāng)這二端為高電平時，三極管V1、V2導(dǎo)通將Ugt和Ugi信號對地短接，用于邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)。晶體管V3和V4構(gòu)成互補輸出的電流放大級，當(dāng)V3、V4基極電位為正時，V4管（PNP型晶體管）截止，V3管和負截構(gòu)成射極跟隨器。如V3，V4基極電位為負時，V3管（NPN型晶體管）截止，V4管和負截構(gòu)成射極跟隨器。接在運算放大器輸入端前面的阻抗為輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)。改變輸入和反饋阻抗網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，就能得到各種運算特性。元件RP1、RP2、RP3裝在面板上，C1、C2的數(shù)值可根據(jù)需要，由外接電容來改變。結(jié)束語課程設(shè)計結(jié)束了，在