1、精選優質文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業晶閘管直流電動機調速系統設計1設計概述 1.1 設計意義及要求 有許多生產機械要求電動機既能正轉，又能反轉，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具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調速系統。 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方向。當電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向導電性，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統1.2 方案分析1.2.1 可逆調速方案 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，即電樞電壓反接法和

2、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，調速時，電機響應速度較慢且需要設計很復雜的電路，故在設計中不采用這種方式。 電樞電壓反接法可以應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，在實際應用中常常采用，本設計中采用該方法。 電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅動電路驅動，可以做到互不干擾。圖1-1 兩組晶閘管反并聯示意圖如上圖電動機正轉時由正組晶閘管裝置VF供電反轉時由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。

3、但是不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態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，我們選擇雙閉環直流調速系統 ，ASR、ACR、觸發器和整流裝置環節、速度檢測環節以及電流檢測環節組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統設置了電流調節器ACR和轉速調節器ASR別調節轉速和電流。由于調速系統的主要被控量是轉速，故把轉速負反饋組成的環作為外環，以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓，把由電流負反饋組成的環作為內環，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。系統的原理框圖如圖1

4、-2所示：圖1-2 原理框圖2主電路的設計與分析主電路主要環節是：整流電路、斬波電路及保護電路。圖2-1 調速系統直流脈寬調速系統的組成如圖2-1所示，由主電路、控制及保護電路、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為直流電，電阻R1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所構成的H型結構形式，它是由四個功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個續流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成的雙極式PWM可逆變換器，根據脈沖占空比的不同，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一種整流

5、電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結構，便具有全波整流電路的優點，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導通；對D2、D4加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構成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導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成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。如此重復下去，結果在R，上便得到全波整流電壓

6、。其波形圖和全波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，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。電機的工作狀態同供電方式和負載有關。圖2-3 斬波調速電路電機正向電動狀態運行時，變換器工作在第一象限，使T4導通，T2、T

7、3關斷，根據轉速要求對T1進行PWM調制，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，可使T4導通，T1、T3關斷，變換器等效一個升壓斬波電路；調控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，電磁轉矩反向，直流電動機運行在發電制動狀態，電動機的能量就回饋到電網，轉速下降。同理，T2導通，T1、T4關斷，調控T3，電動機可以運行在反向電動狀態；T2導通，T1、T3關斷，調控T4，電動機可以運行在反向制動狀態。3控制電路的設計與分析控制電路（如圖3-1）主要環節是：觸發電路、電壓電流檢測單元、驅動電路、檢測與故障保護電路

8、。主電路電力電子開關器件要采用IGBT，并且系統具有完善的保護。圖3-1 控制電路3.1 觸發電路的設計與分析鋸齒波同步移相觸發電路由同步檢測，鋸齒波形成，移相控制，脈沖形成，脈沖放大等環節組成。3.2脈寬調制（PWM）控制的設計與分析根據IGBT的特點，本設計用脈寬調制（PWM）控制方式對開關管的占空比進行控制。采用的芯片是脈寬調制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比， 只要改變調制信號Ur的電壓大小即可實現 。SG3525的引腳及其內部框圖如圖3-2所示。圖3-2 SG3523引腳圖它主要由基準電壓調整器、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、

9、輸出電路構成。3.2.1 欠壓鎖定功能 基準電壓調整器受15端的外加直流電壓Vc的影響，當Vc低于7V或嚴重欠壓時，基準電壓調整器的精度值就得不到保證，由于設置了欠壓鎖定電路，當出現欠電壓時，欠電壓鎖定功能使A端線由低電壓上升為邏輯高電平經過或非門輸出轉化為P1=P2=0 ,SG3525的13腳輸出電平，功率驅動電路輸出至功率場效應管控制脈沖消失，逆變器無電壓輸出。3.2.2系統的故障關閉功能為便于從主回路受檢測到的故障信號，集成控制器內部T3晶體管基極經一電阻連接10引腳。過流保護環節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，故障信號產生的關閉過程與欠電壓鎖定過程類似。在電

10、路中，過流保護環節還輸出一個信號到與門的輸入端，當出現過流信號時，檢測環節輸出一低電平信號到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關閉功能一起構成雙重保護。3.2.3軟起動功能軟起動功能的實現主要由晶體管T3和外接電容C3及鎖存器來實現的。當出現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導通為8引腳外接電容C3提供放電的途徑，C3經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生變化，封鎖輸出。當故障消除后， A端線恢復為低電壓正常

11、值，T3截止，C3電容由50A電流源緩慢充電，C3充電對PWM和D端線脈沖寬度產生影響，同時對P1和P2輸出脈沖產生影響，其結果是使P1和P2脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結束后，P1和P2的脈沖寬度才不受C3充電的影響。這種軟啟動方式，可使系統主回路電機及功率場效應管避免承受過大的沖擊浪涌電流。3.2.4 波形的產生及控制方式分析鋸齒波作為載波信號Ut，調制信號由9腳輸入，此圖中，調制信號由可調電位器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也可以由摸擬或數字調節器的輸出來控制，構成

12、閉環自動控制系統。集成控制器SG3525的輸出側采用推拉式電路，可使關斷速度加快。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為高電平，UtUr時，比較器輸出的PWM波形由邏輯高電平變為低電平。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、驅動電路的設計在可逆變換器中，跨接在電源Us兩端的上、下兩個功率場效應管經常交替工作，由于功率場效應管的關斷要有一定的時間。在這段時間內

13、功率場效應管并未完全關斷。如果在此期間另一個功率場效應管已經導通，則將造成上下兩管直通，從而使電源正負極短路。為了避免發生這種情況。設置由R、C電路構成的邏輯延時環節。保證在對一個管子發出關閉脈沖后，延時2S左右的時間后再發出對另一個管子的開通脈沖。如圖所示，Ua為SG3525的13腳輸出占空比可調的脈沖波形（占空比調節范圍不小于0.10.9），經過RC移相后，輸出兩組互為到相、死區時間為4S左右的脈沖，經過光耦隔離后，分別驅動四只IGBT管，其中VT1、VT4驅動信號相同，VT2、VT3驅動信號相同。圖3-3 延時驅動電路3.4 ASR和ACR調節器設計3.4.1 ASR（速度調節器）速度調

14、節器ASR的功能是對給定和反饋兩個輸入量進行加法，減法，比例，積分和微分等運算，使其輸出按某一規律變化。它由運算放大器，輸入與反饋網絡及二極管限幅環節組成。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4 速度調節器轉速調節器ASR也可當作電壓調節器AVR來使用。速度調節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放大倍數大，零點漂移小，線性度好，輸入電流極小，輸出阻抗小等優點，可以構成理想的調節器。圖1-7中，由二極管VD4，VD5和電位器RP2，RP3組成正負限幅可調的限幅電路。由C2，R9組成反饋微分校正網絡，有助于抑制振蕩

15、，減少超調，R15，C1組成速度環串聯校正網絡。場效應管V5為零速封鎖電路，當4端為0V時VD5導通，將調節器反饋網絡短接而封鎖，4端為-13V時，VD5夾斷，調節器投入工作。RP1為放大系數調節電位器。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，可根據需要外接電容。3.4.2 ACR（電流調節器）電流調節器適用于可控制傳動系統中，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

16、網絡、反饋阻抗網絡等。圖3-5 電流調節器電流調節器與速度調節器相比，增加了4個輸入端，其中2端接過流推b信號，來自電流變換器的過流信號Ub，當該點電位高于某值時，VST1擊穿，正信號輸入，ACR輸出負電壓使觸發電路脈沖后移。UZ、UF端接邏輯控制器的相應輸出端，當這二端為高電平時，三極管V1、V2導通將Ugt和Ugi信號對地短接，用于邏輯無環流可逆系統。晶體管V3和V4構成互補輸出的電流放大級，當V3、V4基極電位為正時，V4管（PNP型晶體管）截止，V3管和負截構成射極跟隨器。如V3，V4基極電位為負時，V3管（NPN型晶體管）截止，V4管和負截構成射極跟隨器。接在運算放大器輸入端前面的阻

17、抗為輸入阻抗網絡。改變輸入和反饋阻抗網絡參數，就能得到各種運算特性。元件RP1、RP2、RP3裝在面板上，C1、C2的數值可根據需要，由外接電容來改變。結束語課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養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。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎通過這次電力電子設計，本人在多方面都有所提高。通過這次設計，綜合運用本專業所學課程的理論和生產實際知識進行直流電動機可逆調速系統設計，鞏固與擴充了電力電子模擬電子等課程所學的內容，掌握了設計的方法和步驟，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過