晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書 目 錄1設(shè)計(jì)概述11.1 設(shè)計(jì)意義及要求11.2 方案分析11.2.1 可逆調(diào)速方案11.2.2 控制方案的選擇22主電路的設(shè)計(jì)與分析32.1 整流電路32.2 斬波調(diào)速電路43控制電路的設(shè)計(jì)與分析63.1 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與分析63.2脈寬調(diào)制（PWM）控制的設(shè)計(jì)與分析63.2.1 欠壓鎖定功能73.2.2系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能73.2.3軟起動(dòng)功能73.2.4 波形的產(chǎn)生及控制方式分析83.3 延時(shí)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)83.4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)93.4.1 ASR（速度調(diào)節(jié)器）93.4.2 ACR（電流調(diào)節(jié)器）10結(jié)束語12參考文獻(xiàn)13附錄14

2、晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)概述 1.1 設(shè)計(jì)意義及要求 有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)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(lì)磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時(shí)，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦裕枰獙Ｓ玫目赡骐娏﹄娮友b置和自動(dòng)控制系統(tǒng)1.2 方案分析1.2.1 可逆調(diào)速方案 使電機(jī)能夠四象限運(yùn)行的方法有很多，可以改變直流電機(jī)電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機(jī)勵(lì)磁電流的方向等等，即電樞電壓反接法和電樞勵(lì)磁反接法。 電樞勵(lì)磁反接方法需要的晶閘管功

3、率小，適用于被控電機(jī)容量很小的情況，勵(lì)磁電路中需要串接很大的電感，調(diào)速時(shí)，電機(jī)響應(yīng)速度較慢且需要設(shè)計(jì)很復(fù)雜的電路，故在設(shè)計(jì)中不采用這種方式。 電樞電壓反接法可以應(yīng)用在電機(jī)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(shí)際應(yīng)用中常常采用，本設(shè)計(jì)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)由正組晶閘管裝置VF供電反轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。但是不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)否則將造成

4、電源短路因此對控制電路提出了嚴(yán)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)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)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(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓，把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)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)的原理框圖如圖1-2所示：圖1-2 原理框圖2主電路的設(shè)計(jì)與分析

5、主電路主要環(huán)節(jié)是：整流電路、斬波電路及保護(hù)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、控制及保護(hù)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?，電阻R1為起動(dòng)限流電阻，C1為濾波電容?？赡鍼WM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(gè)功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個(gè)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(jī)M上可得到正或負(fù)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電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成&qu

6、ot;橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。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(shí)，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(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，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(fù)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。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖2-2中

7、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(dòng)機(jī)往往需要正、反向運(yùn)行，而且有電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài)，這就需要四象限斬波變換電路為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)的工作狀態(tài)同供電方式和負(fù)載有關(guān)。圖2-3 斬波調(diào)速電路電機(jī)正向電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，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)速要求對T1進(jìn)行PWM調(diào)制，此時(shí)變

8、換器等效一個(gè)降壓斬波電路，能量由直流電源供向負(fù)載。如果希望電機(jī)運(yùn)行于正想制動(dòng)狀態(tài)，可使T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，變換器等效一個(gè)升壓斬波電路；調(diào)控T2電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢升壓變換得到一個(gè)略大于Ud的電壓，使得電動(dòng)機(jī)輸出電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩反向，直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在反向電動(dòng)狀態(tài)；T2導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，調(diào)控T4，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在反向制動(dòng)狀態(tài)。3控制電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路、檢測與故障保護(hù)電路。主電路電力電子開關(guān)器件要采用IGBT，并且系統(tǒng)

9、具有完善的保護(hù)。圖3-1 控制電路3.1 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)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(jì)與分析根據(jù)IGBT的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式對開關(guān)管的占空比進(jìn)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(shí)現(xiàn) 。SG3525的引腳及其內(nèi)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(dòng)電路、輸出電路構(gòu)成。3.2.1 欠壓鎖定功能 基準(zhǔn)電壓

10、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(yán)重欠壓時(shí)，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(shí)，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(dòng)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，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接10引腳。過流保護(hù)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(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號到與門的輸入端，

11、當(dāng)出現(xiàn)過流信號時(shí)，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(hù)。3.2.3軟起動(dòng)功能軟起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由晶體管T3和外接電容C3及鎖存器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時(shí)，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50A電流源緩慢充電，C

12、3充電對PWM和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響，同時(shí)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(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場效應(yīng)管避免承受過大的沖擊浪涌電流。3.2.4 波形的產(chǎn)生及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(fù)，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(dòng)控制系統(tǒng)。集成控制器SG3525的輸出側(cè)

13、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(diǎn)比較功能由比較器完成，UtUr時(shí)，比較器輸出的PWM波形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?，UtUr時(shí)，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(shí)對鎖存器清零，以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存。3.3 延時(shí)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在可逆變換器中，跨接在電源Us兩端的上、下兩個(gè)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(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)功率場效應(yīng)管并未完全關(guān)斷。如果在此期間另一個(gè)功率

14、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(fù)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(shí)環(huán)節(jié)。保證在對一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)2S左右的時(shí)間后再發(fā)出對另一個(gè)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)范圍不小于0.10.9），經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為到相、死區(qū)時(shí)間為4S左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只IGBT管，其中VT1、VT4驅(qū)動(dòng)信號相同，VT2、VT3驅(qū)動(dòng)信號相同。圖3-3 延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路3.4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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饋兩個(gè)輸入量進(jìn)行加法

15、，減法，比例，積分和微分等運(yùn)算，使其輸出按某一規(guī)律變化。它由運(yùn)算放大器，輸入與反饋網(wǎng)絡(luò)及二極管限幅環(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(yùn)算放大器，它具有兩個(gè)輸入端，同相輸入端和倒相輸入端，其輸出電壓與兩個(gè)輸入端電壓之差成正比。電路運(yùn)算放大器具有開環(huán)放大倍數(shù)大，零點(diǎn)漂移小，線性度好，輸入電流極小，輸出阻抗小等優(yōu)點(diǎn)，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(fù)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組成速度環(huán)串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)。

16、場效應(yīng)管V5為零速封鎖電路，當(dāng)4端為0V時(shí)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(shí)，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(dòng)系統(tǒng)中，對其輸入信號（給定量和反饋量）時(shí)進(jìn)行加法、減法、比例、積分、微分，延時(shí)等運(yùn)算或者同時(shí)兼做上述幾種運(yùn)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(yùn)算放大器，兩極管限幅，互補(bǔ)輸出的電流放大級、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)、反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等。圖3-5 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)

17、節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比，增加了4個(gè)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(dāng)該點(diǎn)電位高于某值時(shí)，VST1擊穿，正信號輸入，ACR輸出負(fù)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(shí)，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(bǔ)輸出的電流放大級，當(dāng)V3、V4基極電位為正時(shí)，V4管（PNP型晶體管）截止，V3管和負(fù)截構(gòu)成射極跟隨器。如V3，V4基極電位為負(fù)時(shí)，V3管（NPN型晶體管）截止，V4管和負(fù)截構(gòu)成射極跟隨器。接在運(yùn)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?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)參數(shù)，就

18、能得到各種運(yùn)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。13結(jié)束語課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)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(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)通過這次電力電子設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過這次設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鞏固與擴(kuò)充了電力電子模擬電子等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握了設(shè)計(jì)的方法和步驟，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的