晶闸管直流电动机调速系统的设计.doc

晶闸管直流电动机调速系统的设计 晶闸管直流电动机调速系统的设计摘要：该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。关键词：可控整流 晶闸管 触发电路 缓冲电路 保护电路1 设计的性质和目的 半导体变流技术自六十年代出现以来获得迅速发展，它的应用日益广泛，已深入各工业电气自动化领域，成为机电一体化的重要组成部分. 晶闸管可控整流直流电动机调速系统是半导体技术的一种应用类型，它具有高效率无级调速的优点。本设计中的调速系统在矿山牵引，运输和包装机械中应用十分广泛，直流电动机具有良好的起动性和调速性能，它的特点是起动转距大，能在宽广的范围内平滑，经济地调速，转速容易控制，调速后的效率仍然很好。本设计中的电动机参数自动测试系统适用于晶闸管-直流电动机系统，而且也适用于其他运动控制系统，过程控制系统或机电控制系统。直流电机有三种控制方式，即控制电枢电压改变电动机的转速，控制电动机励磁电流改变电动机的转速以及电枢串电阻调速。1) 单向驱动 用晶闸管控制直流电动机时功率较小的电动机采用单相电源，功率较大电动机的主回路采用三相以上电源。一般都有整流变压器，但有不同相数和接法大部分采用三相桥式连接。电动机以最低速度连续运行时，电流不容易连续，高精度控制时，如果负载电路不连续，相当于电枢电阻增大，为此可在主电路中接入较大电感，防止电流断续，但控制时间常数会增大。2) 双向驱动如果需要双向驱动直流电动机时，可采用双组反相并联的整流电路。第一组整流电路使电动机正转，第二组整流电路使电动机反转或正向制动，具有使电动机双向运行的良好功能。要使电动机正反转，就要求晶闸管控制电路使整流器输出加到电动机的电压可反向，或者加到励磁电路上的电压可反向。可以采用接触器使电动机电压反向，这种方式不需要环流控制，控制简单，廉价，经常采用。电动机反转和变速时，要求快速响应，负载变动时也要求快速恢复到原来速度，因此，希望在逆变运行时把电动机转子运行的能量馈送给电源。3) 脉动电流对直流电动机的影响采用晶闸管期间把交流电源变为直流电源时，根据电路相数，负载性质的不同，会产生不同的脉动电流。晶闸管整流供电在电动机空载或轻载时会出现电动机电流断续的特殊现象。对电动机机械特性影响很大。当电流断续时，晶闸管整流供电电动机的理想空载转速升高，使得电动机机械特性显著变软，电动机轴上负载转距的很小变化就能引起电动机转速的很大变化。所以直流电动机由晶闸管可控整流电路供电时为了改善电动机运行情况，使其始终工作在特性较硬的区域，直流电动机负载中大多串联电抗器，使电动机在空载或轻载时也工作在电流连续区域。2 设计要求本课程设计为晶闸管小功率直流电动机调速系统，其主回路为单相桥式半控整流电路（如下图所示），由硅双项开关与晶体管电流源构成移相式触发电路，触发脉冲的控制角与输入的转速指令成线性关系，通过改变控制角与控制主回路的整流输出直流电压，从而实现对直流电动机的无级调速。控制电路引入电压负反馈环节，以提高系统的综合机械特性的硬度。电动机的额定功率为400W，最大600W，调速范围20:1，图一 单相桥式半控整流电路图3 设计内容3.1晶闸管直流电动机调速系统3.1.1系统结构如下图（图-1）为系统结构框图。可控整流电路为单相桥式半控整流电路，采用移相式触发。可控整流电路将输入的220V交流电压整流，然后输出直流电压驱动直流电动机。通过控制整流输出直流电压的数值可以控制电动机的转速。对电动机的转速控制指令通过调速电位器输入，控制信号再通过比较方法电路来连续改变触发电路发出的触发脉冲的相角，触发脉冲控制整流电路获得所需要的支流输出电压。为改善电路的性能而设置了电压负反馈环节，全波整流输出电压分为三个部分，分别提供电动机的励磁线圈，同步触发电路和稳压电路作为电路的工作电源。图二 系统结构款图3.1.2 电路工作原理 主回路即可控整流电路，如下图（图-2）所示。主回路为半控桥式整流电路，它与二极管桥式整流电路的区别在于用两只晶闸管SCR1和SCR2代替两只整流二极管。电路的电压波形如图（图-3）所示。当输入交流电压U为正半周的T1时刻，触发脉冲电压Ug同时加到SCR1与SCR2的控制极，SCR1被触发导通与D6及负载MOTOR形成通路，而SCR2承受反向电压而保持截止，当,U过零SCR1自动关断；在U的负半周T4时刻，Ug触发SCR2，与D5及负载形成通路，得到整流输出电压Uo，Uo的电压波形如图（图3d）。电路的整流输出电压的平均值可按照下式来计算（1）：图三 电原理图式中，U为输入交流电压的有效值，当时，相当于不可控整流，此时输出电压Uo为Uo=0.9U，当时，输出电压为零，故晶闸管的移相范围为.二极管D7为续流二极管，当电路的负载是电动机这一类感性负载时，在晶闸管关断时提供续流通路，以免整流电路失控。图四 电压波形图3.2. 触发电路触发电路的功能是产生可连续移相的触发脉冲，如图-2所示，触发电路是右晶体管T2，T3，T4以及硅双向开关SW等元件组成。SW是产生触发脉冲的关键器件。SW的伏安特性曲线如图4所示当端电压小于阀值VB（810V）时，SW呈现高阻状态，当端电压上升到达阀值时，其压降突然下降而导通，相当于晶闸管导通时的情形，当同步电压U1为高电位时，使T2导通T4截止，T3的集电极电流IC3近似为：式中： ：晶体管共射短路电流放大系数； ：电源电压； ：控制电压。在电路中，与的数值已经确定，一旦给出控制电压，则晶体管T3的集电极电流IC3恒定值，设电容C3的初始电压为零，由于T4截止，IC3对C3充电，使电容电压U C3的数值由零线性上升，上升率为IC3/ C3，记得那图-3b所示，。在t1时刻，U C3上升到SW的阀值电压，双向开关SW突然导通，电容C3通过双向开关SW对脉冲变压器B的初级绕组L1放电，在脉冲电压次级绕组L2，L3产生出发脉冲电压Ug,见图3（b）所示，Ug加到晶闸管控制极而触发晶闸管。改变电压的数值可以控制U C3 的上升速率，从而改变触发脉冲的产生时刻，即控制触发角的大小。（2）式表明触发角的大小与控制电压成线性关系，即调速器可以实现对输出直流电压的连续调节。在t2时刻，电容电压U C3下降到零，放电结束，开关SW自动关断，电容重新充电。如果不采取措施，则U C3 将在t2时刻升到SW的阀值电压而发出触发脉冲。显然从t3与t1间隔小于交流电周期，触犯脉冲与整流电路不同步而不能正常工作。D3为续流二极管，在SW截止时为L1提供电流通路，防止击穿T4。电容C4，C5吸收干扰脉冲以免产生误触发。为使晶闸管稳定地工作，要求，触发脉冲与被整流的交流电压之间保持同步关系，同步电路由晶体管T2，T4组成。同步信号U1来自全波整流电路输出的脉动直流电压，其峰值为，当输入的220V交流电源在过零时刻，U1小于T2的导通电压（约0.5V），使T2截止T4饱和导通，T4的集电极和发射极之间成为电容C3的放电路径，使电容电压UC3迅速下降到零。同步电压U1随交流电过零后上升，晶体管T2导通T4截止，电容C3开始新的充电周期。每次交流电过零时刻，就是电容开始充电的起始时刻，这就保证了触发脉冲与交流电源之间的同步关系。D3为续流二极管，在SW截止时为L1提供电流通路，防止击穿T4。电容C4，C5吸收干扰脉冲以免产生误触发。3.2.2控制电路与负反馈电路如图2示，晶体管T1为比较放大元件，W1为调速电位器，调节W1可以控制T1的基极电位，从而控制T1的集电极电流，通过电阻R2，R3转换成控制电压，再通过出发电路的作用来实现对主回路输出电压的控制。对于他励式直流电动机，其转速n与端电压的关系为（3） ， （3）从直流电动机的转速公式可知，改变n的方法有三种：即改变U、Ra、。式中： ：电枢电流； ：电枢电阻； ：电机电势常数； ：每极磁通。 上式表明直流电动机的转速与其端电压成线性关系，改变电动机的端电压U可以调整其转速由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转距是一定的，所以这种方法也称为恒转距调速。结合（2）式容易看出，通过调整电位器可以实现对电动机的转速的无级调节。直流电动机的转速和负载力矩机械特性关系为：，（4）式中：T ： 电磁力矩； ： 电枢回路附加电阻； ： 电机力矩常数。若电动机端电压和励磁电流固定，忽略电枢反应而认为不变，上式可写成式中：， （5）式中：都是常数（称为理想空载转速），表明电动机的转速n与其力矩T成线性关系。电动机的机械特性曲线如图5所示，当电动机的端电压为U1时，对应的特性曲线为图五中的一条直线。电动机的端电压下降到U2时，其特性曲线也相应下降，对应于一组不同数值的电压U,电动机的机械特性曲线为一组平行的直线族。通过调节电动机的端电压来调节电动机的转速，实质上是将电动机的机械特性曲线做纵向平移。图五 电动机机械特性如果电动机的负载力矩增大，将会使电动机电枢电流增大。对本系统而言，电枢电流近似等于整流电路的输出电流，即电动机负载力矩增大会引起整流电路的输出电流增大，由于整流电路存在内阻，所以此时整流输出电压会下降。如图 5所示，电路输出电压为U1，电动机负载力矩为T1，电动机工作于a点。当力矩增大到T2时，若电路输出电压保持U1不变，则电动机工作点移动到b点，转速下降量为no。由于电源内阻的影响使输出电压降到U2，于是电动机特性曲线下移，电动机工作于c点，由于电压下降引入的电动机附加转速量为nf，于是电动机的总转速下降量n为：n=no+nf （6）n比电压稳定的情形有更大的转速下降，使综合机械特性变软。提高电源电压的稳定性可减小电动机附加转速下降nf，使系统的综合机械特性接近于电动机机械特性。为此在图2电路中引入电压串联负反馈，整流输出平均直流电压U经电阻R13和R4分压加到晶体管T1的发射极，设电动机力矩增大而引起输出电压U下降，则反馈过程如下：电路自动地减小触发角来补偿电压下降而使之趋于稳定；反之，如果外因使U上升，则电路自动使U下降。稳压电路使系统的综合机械特性明显改善。3.3其它电路的负载为他励式直流电动机，F为电动机的励磁线圈。励磁电压是由二极管D8，D9全波整流输出的脉动直流电压，当供电线路遭到雷击或系统的开关过程，线路而串入浪涌电压的峰值可能达到工作电压峰值的810倍，将会损坏主电路或干扰其正常工作，因此必须设置保护电路。常用的保护电路有R-C滤波电路和金属氧化物压敏电阻，本系统采用后者，主要是考虑到它具有较小的体积和较高的效率。电容C6为滤波电容，以滤除电路串入的尖脉冲干扰，以免发生晶闸管误触发，AR1，AR2为金属氧化物压敏电阻，它的伏安特性类似于两个反向对界的雪崩型整流器，在常压下呈现高阻状态，仅有很小的漏电流；当其端电压上升达到击穿电压时既被击穿而呈现低阻状态；当端电压低于击穿电压时恢复高阻状态。从而保护主回路的安全。3.4系统的性能指标主要指标如下：额定输出功率：400W最大输出功率：600W过载能力： 150%调速范围： 静差率： S=0.0185外型尺寸 ： 100130220（cm）该调速系统工作稳定可靠，是一个比较完整的移相式可控整流直流电动机调速系统。4 晶闸管直流电动机参数自动测试系统4.1 系统组成晶闸管-直流电动机参数自动测试系统框图如下图所示。该系统是以主机为核心，加上AS/DA，DI/DO接口卡等组成自动测试系统。线性光电隔离板将现场信号与计算机隔离，集成移相触发电路GT和三相晶闸管全控桥主电路组成移相触发和整流电路，其整个测试流程则由计算机控制安装有测试流程奇幻电路的CE板来实现。本系统主要是为建立常用的转速，电流闭双环支流调速系统的动态数学模型而设计研制的。图六 晶闸管直流电动机参数自动测试系统框图4.2.主回路总电阻R及电枢电阻4.2.1测试方法晶闸管整流装置是一个非线性有源装置，不能直接测量，因而R也不能直接测量，常用电压电流比较法进行测量，测试时电机不加励磁，在保持整流装置空载输出电压不变的情况下，改变外接电阻的大小，从而改变回路电阻压降分配和回路电流。比较改变前后电压和电流可求的R，其测试原理图如下所示。图中为晶闸管整流装置内阻；为平波电抗器线圈电阻；为直流电动机电枢电阻。晶闸管-直流电动机系统主回路总电阻为图七 测试原理线路图4.2.2 微机实现R测试的微机实现流程如下： 不加励磁，断开接触器C，D/A输出移相控制电压至GT，ZHU输出，建立电枢电流；D/A输出电压渐增，当A点电压约等于30%时，保持D/A不变，即保持不变，分别由电压传感器V1，V2和电流传感器A采集，和则有=+ D/A输出仍保持不变，即仍保持不变，吸合C，采集，和，则有 =+由式（2）和式（3）得 由上图可得 由于整流装置的非线性，随移相控制电压变化而变化，故在为50%，80%重复上述2步，分别求R和的平均值。4.3 电磁时间常数的测试4.3.1电流波形测试法直流电动机电枢回路的传递函数为式中，为电枢回路电磁时间常数。突加时，电枢回路电流响应为 式中，为电枢回路稳态电流，相应的过度过程曲线如下图所示图八 电流过度过程曲线图从零上升到0.632所需的时间即为，基于此思想的测试原理线路如下图所示图九 的测试原理线路图4.3.2微机实现测试的微机实现流程如下： 不加磁场，逐渐增加D/A，测取=40%时的D/A值D/A。 突加D/A，采集=f(t)曲线，去除曲线上由GT和ZHU等产生的延时，求取。 分别取60%，80%，100%，重复步骤，求的平均值。上述测试是在不加励磁的情况下进行的，当然加励磁更加符合实际，但必须对电机进行堵转，这样做比较麻烦。将加励磁和不加励磁的测试结果进行了比较，加励磁后的比不加励磁的小5%左右，这不妨碍实际设计与调试。若为了强调准确性，则予以5%修正即可。4.4 机电时间常数常用的测试方法有如下两种：通过测试计算和恒流升速法直接测试，限于篇幅只介绍通过测试计算这一方法。4.4.1测试方法电力拖动系统的运动方程如下： 式中，M为电机电磁转距；为负载转距（空载时为空载转距）；n为电机转速；为电机的飞轮惯量。电机空载自由停车时，M=0，=，其运动方程为 = 因此 由上式可知，测得和便可求出。的计算公式为式中。为空载损耗；为空载电流。，均可测定，故可求。将电机空载升速到某一转速，待稳定运行后，突降D/A到0，即到0，采集电机自由停车曲线n=f(t),由n=f(t)曲线的线性段求dn/dt.由于不是一个常数，故n=f(t)并非一条直线，为此以转速为基点，选择若干个点，求出在不同稳态转速自由停车时的，dn/dt.和，再求的平均值，并根据下式计算机电时间常数： 式中，为电动势转速比；为转速电流比。4.4.2微机实现测试计算的微机实现流程如下：逐渐增加D/A，既逐渐增加，将惦记空载升速到20%，待其稳定运行后，采集，求和。D/A突然降到0，即突降到0，采集n=f(t)曲线的线性段求dn/dt.，计算。n分别取40%，60%，80%，100%，重复。 求的平均值，计算。该系统软件由BC+编写，主要由系统自检，通道标定，参数测试3个软件组成。所论述的晶闸管-直流电动机参数自动测试系统具有测试原理简明实用，测试结果重复性好，测试精度高和实现技术先进等特点。由于组成系统的环节分明，参数可以测定，因而自动控制理论把它做为经典示例加以分析。自动控制系统课程则以其为主动脉讲授自动控制系统的组成，工作原理，数学模型的建立及其简化，控制器的工程设计方法等，因而研究该系统参数的测试方法及其微机实现，是一个极富理论意义和实用价值的工作。此调速器及参数测试系统稳定可靠，可作为小型机械的动力控制，其测试方法不仅仅适用于晶闸管-直流电动机系统，而且也适用于其他运动控制系统，过程控制系统或机电控制系统。心得体会晶闸管-直流电动机调速系统，具有调速范围大、调速特性好、易控制和效率高等优点，是近代大量发展的调速系统。其机械特性，在电枢电流连续时是一条较硬的直线。当电枢断续时，则是一条很软的曲线。直流电动机的机械特性反映了电动机转速n与转矩M的关系，因转矩M与电枢电流成正比，因此也可由转速n与电流I的关系来描述机械特性.众所周知，直流电动机的机械特性为一条直线，当由可控硅整流电路为其供电时，机械特性有所变化，尤其是当电流断续时，机械特性变软，理想空载转速升高。总之，这个课题具有很强的实用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用，在我们日常生活中也无所不在，电力电子技术以发展成为一