晶闸管直流电动机调速系统设计

1、晶闸管直流电动机调速系统设计 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 1设计概述1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.1设计意义及要求1 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.2方案分析1可逆调速方案1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 控制方案的选择2 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 2主电路的设计与分析3 HYPERL

2、INK l bookmark24 o Current Document 2.1整流电路32.2斩波调速电路4 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 3控制电路的设计与分析5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1触发电路的设计与分析6 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析6欠压锁定功能7系统的故障关闭功能7软起动功能7波形的产生及控制方式分析8 HYPERLINK l bookmark36 o Current

3、Document 3.3延时、驱动电路的设计83.4 ASR和ACR调节器设计9 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document ASR （速度调节器）9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document ACR （电流调节器）10 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 结束语12 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 参考文献12 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 附录13晶闸管直流

4、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

5、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

6、出了严格的要求。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

7、波电路及保护电路。7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

8、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

9、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234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。T1T4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。斩波调速主电路原理图图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

10、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

11、有完善的保护。U一5.1V矢典 E；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3-2 SG3523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。欠压锁定功能基

12、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。 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

13、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。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50UA电流源缓

14、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。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SG352

15、5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，UtUr时，比较器输出的PWM波形 由逻辑低电平变为高电平，UtUr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

16、 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2uS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0.10.9），经过RC 移相后，输出两组互为到相、死区时间为4uS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3.4 ASR和ACR调节器设计3.4.1 ASR （速度调节器）速度调节器ASR的功

17、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 123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。DB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。TitleSizeA4Date:File: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 A 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， A由二极管VD4, VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电

18、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。3.4.2 ACR （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

19、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。470.C2 扩734741C1 |.1 卜RP1 4.7K1N4007R162M10K12K.R9R15-R510K2CW54ir6VST1 10K-R7 -10K2CW54t3aVST25.1K90131E=C7=22410KR1010Kr cmI VD3V5 3DJ6HR1210KC82241N4007UA741R21 RP2J2.2KR18 300V3DG6C181*-10K2CW54T4 _ V2VST3 5诚 9013R1310KC9224电流调节器与速度调节器相比1N4007R1410KT

20、6+7-15RP3 2.2K、V4| 3CG23 JLR19300I-15增加了 4个输入端，其中2端接过流推0信号，来自TitleSizeA4Date:File:电流变换器的过流信号U0，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V和V构成互补输出的电流放大级，当V、V基极电位为正时，V管（PNP型3142 3 443晶体管）截止，V管和负截构成射极跟随器。如V，V基极电位为负时，V管（NPN型晶体3343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