晶闸管电动机调速系统设计.docx

分类号:单位代码：毕业论文（设计）晶闸管一电动机调速系统的设计姓名一学号年级专业系（院）指导老师摘要双闭环调速系统是现阶段最为常用的调速系统。该系统具有结构简洁、可操作性好、调速精度很高、牢靠性及稳定性也很志向等优点。该系统设置了调整转速的转速调整器和调整电流的电流调整器两个调整器来实现转速调整。本设计是基于对VM系统的设计，先完成系统的结构框架，确定主电路的组织形式并完成对其各个元器件的设计、选型及选参.之后设计了包括爱护电路及缓冲电路在内的整个驱动电路。继而是本文的重点一一限制电路的设计,确定其结构和元部件，并完成各元件参数计算。最终，用MATLAB仿真软件对整个电路进行了仿真，并附上了整个系统的电气总图.关键词：直流调速系统；Pl调整器;仿真分析；AbstractDoubleclosed-loopspeedcontrolsystemistheidealperformancewideapplicationofDCspeedregulatingsystem.Thissystemhassimplestructure,goodoperabilityandhighprecisionofspeedandreliabilitywithadvantagesofhighstability,widespeedrange<>Doubleclosedloopspeedregulationsystemsettingthespeedregulatorandcurrentregulatortoadjustthespeedandcurrentrespectively,toachievethegoalofsteadyspeedoThisdesignadoptsthree-phasefully-controlledbridgecircuitofpowersupply»makesurethestructureofthewholesystemframework,determinetheorganizationformofthemaincircuitandcompletethevariouscomponentsofthedesign>typeselection,choosetoparticipate.Afterdesign,includingprotectionandbuffercircuit,drivecircuitoIntheend,isthefocusofthisarticle,thedesignofthecontrolcircuit,determinethestructureandcomponents,andcompletecontrolcircuitelementparameterscalculation,MATLABsimulationsoftwareforthewholecircuitaresimulated,attachtheelectricalgenerallayoutofthewholesystem<>Keywords：DCspeedcontrolsystem：PIregulator;simulationanalysis；1绪论11.1晶闸管电动机直流调速系统的发展及概述1Io2探讨课题的目的和意义11.3设计要求和内容12系统电路的结构和组成22.1主电路的选择及确定22.2双闭环调速系统的组成33主电路各器件的选择和计算43.1整流变压器的计算和选择43o2整流晶闸管的选型53.3平波电抗器的选型63。4主电路爱护电路的设计73.5驱动电路的设计114转速、电流双闭环调速系统的设计124.1电流调整器的设计124.2转速调整器的设计155基于MATLAB的系统仿真20附图23结论24参考文献24谢辞251绪论Io1晶闸管电动机直流调速系统的发展及概述调速限制系统自诞生以来就发展异样快速。20世纪初期出现了第一支电子管（可在真空中限制电子流）彳艮快便有了用对密封在管内的水银进行蒸储产生的电弧来限制电流的水银整流器。其性能及早期晶闸管极为相像。1947年贝尔独创了晶体管,它应用硅二极管作为半导体,由于其优异的性能而得到广泛应用,到了1964年，晶闸管整流装置系统进一步成熟，逐步取代了早期的整流器,使变流技术发生天翻地覆的变更.直流电机因为限制精度比较高且易于限制,始终被广泛应用，被人们认犯难以被其他电机所取代。直流电机起、制动性能特别志向，可以很便利的大范围内平滑调速,在快速正反转的运动限制领域中应用更是广泛。直流调速技术是电力电子技术中发展较早的技术,在各方面都已趋于成熟,所以应首先弄清直流传动限制系统.Io2探讨课题的目的和意义V-M系统一般是通过调整触发脉冲的相位来变更电压幅值从而实现平滑调速的。但对高精度负载来说，正常的开环调速系统一般不能满意对静差率的要求，这时就必须要采纳闭环限制系统.闭环调速系统中，单闭环调速系统的调整作用受各个环节的迟滞,其抗扰动的实力较差。而双闭环调速系统由于增加了一个内环反馈，扰动须要通过内外两环反馈，往往调速性能更为志向，因此，其在电气传动领域当被广泛采纳，它有着优良的动、静态特性。而且多种困难的交、直流运动限制系统均是以其为基础,所以驾驭双闭环调速系统对人们的生产生活有着至关重要的作用。K3设计要求和内容Io3。1调速系统设计要求1 .该调速系统可连续平滑调速，具有足够宽的调速范围。2 .该限制系统具有优良的静态性能，无静差。3 .该调速系统稳态性能：调速范围不小于20,静差率不大于百分之五。4 .系统技术参数：电动机参数：rrgIX山电枢回路总电阻：目Io3。2系统设计内容本设计基于转速、电流双闭环调速系统，主要包含以下几个方面。1«依据题目要求，确定主电路及调速电路的构成，并绘出其原理图。2。确定主电路各个元部件，并完成各个元部件主要参数的计算。3。驱动电路的设计及完成。4.o绘制出整个系统原理图，并用MatIab仿真软件完成仿真分析作业.2系统电路的结构和组成2o1主电路的选择及确定在生产生活中并没有大规模存在的直流电，一般须要将三相电经整流环节整流成直流电后才能向直流电机供电.当然，在这个过程中间必需有驱动电路及爱护电路。我们须要依据各个元件在电路当中的位置及作用来分别选择及计算各自参数，如图21所示为本设计系统电路设计框图。图2.1系统电路设计框图在V-M系统中，一般是用变更脉冲的相位的方法来变更输出电压，最终来实现调速。由于本设计对直流脉动电压的要求比较高，再考虑经济性等方面，主电路选择三相全控桥整电路来供电。由于该型电路输出电压的脉动较大，其所须要串接的平波电抗器的感抗值可相应削减近一半.这是其电路的明显优点，且所需整流装置响应速度快、工作效率高，能量损耗小.综合选晶闸管三相全控桥整电路供电。直流电机一般是通过变更电枢端电压、变更励磁、变更电枢回路总电阻这三种方法来实现调速的.而变更电枢总电阻是无法实现平滑调速，减弱磁通的方式又会受到调速范围的制约，一般只是协助调压方案,调压才是调速限制系统最理性的调速方式,电压调速一般须要有专用的供电电源,可控整流装置一般采纳半控器件的代表-晶闸管，利用晶闸管的单向导电性和移相限制原理结合在一起的技术，来实现平滑调压。VM系统主电路原理图如2-2所示:方法前文已叙，通过调整GT来移相，从而变更电压幅值来实现平滑调速3.IXI图2-2V-M系统原理图主电路原理图如图23所示，三相全桥电路由三个晶闸管组成共阴极晶闸管组，另三个晶闸管接成共阳极晶闸管组,当两组晶闸管中承受电压模值最高的两个晶闸管同时也接到门极触发脉冲而导通的时候，整个电路构成一个完整的闭合网路。晶闸管的触发角是相同的，每个周期内全部晶闸管都要依据编号轮番触发导通一次，每个晶闸管触发脉冲间隔60度。当然,电路中也要有过电压、过电流等爱护装置。某些场合下单环系统并不能满意生产的须要。比如,须要反复启停的负载就会对电机承受过载的实力有更高的要求，为满意这些高要求的负载,我们须要在闭环系统中添加电流负反馈环节。实际当中系统除了要限制转速，还须要常常快速启停,如车床等，为了有更好的效益，我们要求过渡过程也要尽可能短.在启动的时候，启动电流会快速达到峰值，而大部分时间内均小于该峰值，这就说明电机在启动过程中其过载实力仍有很大潜力。假如能使电机在大转矩下快速启动，启动时间就会相应的缩短。这就是志向的启动状态,电机的启动电流会快速加大到最大允许值回，且维持到转速增加到合适的大小后，电流再下降回正常值.这个过程须要ACR来调整电流，加上之前调整转速的调整器，这形成了双闭环调速系统.如图24所间保持才I段电流过大的时候ASR就会达到，这时ACR就会发生作用,系统调整电流至新的稳定状态.这就是两个Pl调整器内、外环两重调整的效果.3主电路各器件的选择和计算3。1整流变压器的计算和选择在绝大多数场合下，整流装置须要的电压及电网电压并不匹配；另外，为了实现两者之间的电气隔离，通常须要在两者之间装配整流变压器,在此选型连接方式的整流变压器,以下分别计算其参数O(1)回的计算为了维持系统的正常工作，变压器一次侧电压回不宜波动太大，对回产生影响的参数一般有：(1)负载电流的最大值。(2)晶闸管本身导通的管压降.(3)平波电抗器产生的电压降。(4)电枢电阻的压降.忽视这些因素，对本设计而言，回采纳阅历公式：计算得回=12()。6臼127.0V,取回=125V(2)回和目的计算不计励磁电流，依据磁动势平衡原理可知:(32)查表31可知三相全桥电路N)表315度流变压器计算系数一览表【XIXIIXIIXIIXIIXIaSaIo17LrJLrJgagLjULJ回山口山口SXLrJ3山山回则三相全桥整大电感负载时二次侧电流：(3-3)解得回=51。9A变压器二次侧额定容量a为：三(3-4)解得0=19o46KVA设计选择的整流变压器。3.2整流晶闸管的选型合理选择晶闸管可以使其平安牢靠经济的运行。选择晶闸管主要是看以下两个参数,额定电流及额定电压。先确定a,a必需大于元件所承受的峰值电压a,一般还须要有23倍的平安余量，计算公式：(35)本设计属三相全控桥整电路，则晶闸管可能承受的最大电压:计算:(36)取8(X)V之后确定3,其有效值应不小于负载电流的最大值。一般也须要考虑1.52倍平安余量。l(3-7)解得(3-8)解得则晶闸管的额定电流:1.三(39)解得选晶闸管取额定电流为50A.综上所述，本设计选用晶闸管的型号为KP50A3o3平波电抗器的选型直流侧电抗器的选择直流侧电路一般须要串接个平波电抗器来抑制电流的脉动、保持系统牢靠运行、并在特定场合保证(1)限制输出电流的脉动的电感(3-10)a-一一-一三相全控桥电压脉动系数目a-一一三相全控桥电流基频r则IX(2)保证电流连续的电感回(3-11)×a-一一三相全控桥计算系数目则(3)漏电感目(312)-计算系数,一般取回=872.解得l(4)折合到沟通侧上的漏抗IXl(313)式中，-变压器短路比,取a；a一三相全控桥计算系数目,解得r(5)则平波器电感a1.-(3-14)解得网=26,99mL(6)则电枢回路总电感I=BJi(315)解得目3。4主电路爱护电路的设计半导体器件虽有优异的动、静态性能,使其应用广泛。但其承受过压和过流的性能弱于绝大多数电力元件，短时的过电压或过电流都会导致整流装置的故障。因此加装完整的爱护装置是特别必要的。34.1过电压爱护过电压爱护一般包括直流侧和沟通侧的过压爱护,三种最常用的过电压爱护分别是阻容爱护、RC汲取电路爱护、氧化物压敏电阻爱护等。本设计采纳压敏电阻过压爱护。1 .沟通侧过电压爱护金属氧化物压敏电阻有正反向相同的伏安特性,在正常状态时只有很小的电流流过，出现过电压时压因此该类压敏电阻可通过很大的电流，从而对电压进行有效的限制,且具有体积小、反映速度快的优势,敏电阻是一种很不错的过电压爱护元件，沟通侧压敏电阻爱护图如图31所示U。1。图31沟通侧压敏电阻过电压爱护原理图(1)压敏电阻额定电压a：Iza-gzI11(316)其中，回一.一-变压器二次侧线电压，X1则：IX(3-17)(2)压敏电阻泄电流：其中，回一一-变压器线电流有效值，°解得X(3)压敏电阻最大电压0(3-18)其中，回-一-元件特性系数:因此，压敏电阻额定电压取600V型压敏电阻。2 .直流侧过电压爱护整流器发生换相失败或其他异样状态时，会产生过电压，一般方法是用非线性元件来抑制过电压现象，本设计用压敏电阻来解决过电压的问题。该爱护原理图如图32所示（川。图32直流侧压敏电阻过压爱护原理图压敏电阻额定电压a：(3-19)其中，目是电压上升系数，本设计该系数约为1。051。10。(3-20)则本设计:故本设计选择500V型压敏电阻。3 .晶闸管过电压爱护晶闸管由于其本身容量的限制，其对电压的突变异样敏感。如高电压、大的电压突变、光照等都会使其误导通,从而对电路造成不利影响.因此,须要对晶闸管施加过电压爱护，典型的晶闸管过电压爱护如图33所示,采纳阻容回路爱护电路。图3-3晶闸管阻容回路过电压爱护其中各元件参照并无精确计算式，一般采纳以下阅历公式:(321)解得C=X1,而一般11故选择C=可34o2过电流爱护1沟通侧过电流爱护电子电路元器件发生故障或不正常运行状态的时候，都可能会出现过电流现象.常用的过电流爱护方法有断路器爱护、电流互感器爱护、电抗器爱护、快速熔断器爱护等垣】.本设计利用在TA的协作下的熔断器进行沟通侧过电流爱护，如图3-4所示图3-4主电路沟通侧过电流爱护图其参数选择：(1)熔断器额定电压选择：其值不应小于工作线电压。本设计中一次侧线电压为380V,故可选400V型的熔断器.(2)熔断器额定电流选择：其值不应小于电路的工作电流。本设计中一次侧的电流0公式为：(322)解得X】熔断器额定电流:解得l因此本设计须要在变压器电源侧串接一个400V、25A的熔断器。2整流装置晶闸管过电流爱护整流装置中的晶闸管由于其本身故障或其他缘由,在故障或异样工作状态时都会承受肯定时间的大电流，比如说逆变失败或误导通等等，而晶闸管本身承受过电流的实力又特别差，所以为其施加过流爱护异样重要,而快熔是最广泛运用的电力电子装置的过电流爱护装置，本设计整流装置中的晶闸管也采纳该元件实现过流爱护,晶闸管过电流爱护电路图如图35所示快熔额定电压a：则选快熔额定电压值为400V3。5驱动电路的设计触发电路用来产生触发脉冲,保证晶闸管的牢靠导通。晶闸管的门极触发脉冲必需满意以下条件：(1)宽度足够，至少保证晶闸管牢靠导通。(2)幅度足够，脉冲前沿陡度也要足够。(3)触发脉冲应处于门极电压、门极电流和额定功率值三者确定的平安范围内。晶闸管触发电路种类繁多，比如有数字电路式、集成电路式、分立式等。分立式电路相对困难而较少采纳；数字式多用于单片机中；集成电路性价比高,技术性能好，牢靠性也有保障。故本设计选用常用的山和山集成电路块三相全桥电路每周期六个脉冲，脉冲间隔60。本设计采纳同步触发方式,六个晶闸管依次触发.选用4个集成块（3个004型和1个041型）,再用三级管进行放大,完整的集成触发电路如图3-6。（1510脚为6路双脉冲输出）j>Ot-CMK)si ;06。Jb7（3脚为6路单脉冲输入）Qp 卜99 寸 r9T J-IlllllL H- 0-11-365432101 -fc6R3RRV 2 3 456KJOo 4R5 R65 43210v-8IR2brBV 2 3 45678PKJoo 46543210119UlcR-1 234567 8KJ0042fa+ 15V-15V LO&lscLJJsb（Js图36三相全控桥整电路集成触发电路4转速、电流双闭环调速系统的设计4. 1电流调整器的设计1 .电流时间常数（1）整流装置滞后时间常数a ,查表4-1知本设计的 I -1。Q至VT6Q至VT5gVT4(三VT3QSVT2Q至VTl握A表4-1各种整流电路失控时间（f=50Hz）I一IFIaa三l回三三三（2）电流滤波常数Ld,三相桥式电路Ld=Oo002so(3)电流环小时间常数总和回,取(4)电磁时间常数工EHJ(41)解出 1 Xl而电磁时间常数(4-2)解得2o确定调整器的结构由于电路设计要求目，且对系统稳态性能要求较高，故电流调整器选典型Pl型，典型Pl型运放传递函数:(43)其中a-一山比例系数：0Lsl电超前时间常数。3。确定电流调整器的参数1.zd超前时间常数：l电流环开环增益:当日时，取IT(4-4)则叵解得IX,而:(4-5)解得三,则:解得E×,式中回，为晶闸管专制放大倍数。4 .校验条件电流环截止频率：Iz*zt整流装置传函校验：IXI满意条件。忽视反电动势波动系统影响条件E三满意近似条件,可以忽视。山小时间常数近似处理校验IX】满意条件。5。计算电流调整器电容及电阻由图4-1,若选L×,则其余各电阻和电容值分别为(47)(4-8)(49)日解得l取回解得"1取日叵1解得取回按以上参数计算得单电流环的超调量,可满意本设计题目要求.Ro2RO2图4一1Pl型电流调整器电路图4. 2转速调整器的设计1 .确定时间常数(1)电流环时间常数三.由前文计算得到，FI,则(2)转速滤波常数回，目(3)转速环小时间常数回o(4-10)解得X】2o确定转速调整器结构前文己叙,本文转速调整器也选择Pl型,其标准传递函数式:3.确定转速调整器参数若令臼，由:(4-12)解得日转速开环增益:(4-13)解得则ASR比例系数:E三(414)其中解得"14.检验近似条件转速环截止频率为(4-15)(1)电流环传函简化校验:满意条件,可以简化.(2)ASR时间常数忽视校验:满意条件，可以忽视。5.计算调整器其余参数如图4-2所示，若取E×,则解得取LJ(4-16)(417)×(4-18)解得日图4-2含滤波环节的PI型转速调器6。校正单转速环超调量当区J时，查表a可知典型回型系统单位阶跃信号下跟随指标表得，r,超调量不满意设计要求。表4-2典型11型系统单位阶跃信号跟随性能指标（叵准则确定）33Ba回回三三J三三三aa叵回回SSL±0LdLrlLiJ但L×J回回S3目日3日事实上,当LrJ时，由表4-3查得,表4-3典型I型系统动态抗扰才官标及参蜀I的关系回aa回a3目三三三三三三三臼×LrJLrJ巨LdLdLrJErJLd口开环速降公式:(419)式中，电机总电阻I 一 ；则调速系统开环速降解得 I 一 此时 I X ,不能满意要求。7。校核最大速降 X1解得 I X r/min当h=5时,查表43得解得 l解得 I 一 ,不满意系统要求。(420)(4-21)(4-22)(423)8.单转速环超调的抑制由上述参数计算得知系统超调量并不满意要求,因此要额外添加微分反馈环节。添加之后的转速调整器图如图4-3所示.图4-3添加微分环节后的转速转速调整器图中新添加的参数是叵1和回，其中生,时间常数I11由计算得：IXI由于题目要求最大超调量日，现令目，则由该式解得：【X】微分电容容抗：解得滤波电阻阻抗：(4-24)(4-25)(426)解得【XI9.校整调整后的动态速降调整之后转速微分常数:而设计题目动态转速降LJ,则闫。而已求I一故:由表可知，当时,EHJ,当国时,而现在I ,满意要求.IOo校核调整时间目由表LrJ可知,在 XJ时，三1,则,满意要求.5基于MATLAB的系统仿真以上部分对系统的设计只是理论上的结果,须要用 Nl 进行仿真分析来验证整个设计o仿真之前先要完成系统动态模型的建立,本设计系统动态数学框图如图Ld所示 图5-1双闭环系统动态数学框图图LrJ图中所须要的各参数在第四章设计完毕.代数后就得到了图5-2o为了便于分析，在ACR和ASR的输出端各有一个±13V的限幅值.图5-2双闭环系统动态框图本次仿真最终的超调量很大，及计算出的估算值很不相符，缘由有部分参数的近似处理、计算中用的阅历公式、欠考虑的其他因素等等，其实并不特别精确。另外，从仿真图还发觉转速脉动也偏大，造成的结果是转速的超调量也偏大，因此须要添加一个微分环节。系统在五秒左右人为的加入了外部模拟扰动。最终仿真图如图LrJ所示5-3 系统输 图形从图LrJ中可以视察到直流电机在起动到第五秒左右时有较大扰动,比照纵坐标转速刻度易得到其超调量：超调量相对偏小，但是及计算值相比还是有肯定差距。当转速上升快到1秒的时候，系统接近稳定运行，在5秒左右加扰动之后系统经过了一个自动调整的过程,转速重新达到稳定值。这是双闭环系统自动调整的结果。VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图TA*w0rvyyOyrv*'VD12<VDIl<VDlO<RA/I_II_II_II_Il_II_ID6/Vd5d4ND3NDrlVD1VVVVVV60-ZG寸Si9（15、10脚为6路双脉冲输出）而1一一一（13脚为6路单脉冲输入）8C9S寸SZ-)表限幅作用UscUsbUsa结论本文题目是设计晶闸管电动机的调速系统，近四个月的努力使我对运动限制系统中V-M系统的结构特点、工作过程及原理有了更深化的了解及体会。本设计的主要部分是对调速系统主电路的设计及限制电路调整器的设计。毕业设计是一项特别熬炼人的工作，我通过网络找到了很多有关的设计及资料,学会了如何利用网上的资源.及指导老师霍建振连续六次的探讨及沟通使我受益匪浅，很快的理顺了思路并有了比较完整的设计大纲确。设计过程中遇到问题及困惑时刚好及老师反馈及同学沟通，在老师的辅导、同学们的帮助和自己的努力下比较顺当的完成了本设计。通过本次的毕业设计，我可以体会到自己在理论及实践水平上的提高，对V-M调速系统有了比较深刻的相识,并培育了自己对电力电子和运动限制这两门专业课的爱好，对自己以后探讨生学习阶段也有一个不错的铺垫，设计中我也体会到了做学问所须要的严谨的风格,万不行弄虚作假，当然,本设计不存在这些问题，每个参数也是自己一步步的比较精确的算出来的。参考文献1王兆安,黄俊。电力电子技术口口。北京：机械工业出版社，2011.60-68.2陈伯时.电力拖动自动限制系统-一运动限制系统.北京：机械工业出版社，2013.7169-1703张占松，蔡宜三.开关电源的原理及设计，北京：电子工业出版社，2011,303-306o4天津电气传动设计探讨所。电气传动自动化技术手册M。北京：机械工业出版社，2012。9.13-16o5王彦辉。双闭环直流调速系统的设计新探J.平顶山师专学报，2010.5；15(2):30-33.6张立勋,路敦民，沈锦华。直流调速系统设计及仿真J.应用科技，2014o63(6)：43-477孔红，直流调速系统数字仿真J.山西冶金,2012.5759.8刘洪恩.直流调速系统设计中应留意的问题Jo河北工程技术高等专科学校学报，2011.21-239尹璐。速度及电流双闭环不行逆直流调速系统分析J.科技情报开发及经济，2014；16:173174。10唐锡峰，刘猛，张猛.基于MATLAB的直流调速系统参数整定设计Jo采矿技术，2013.6:55-56.11林辉，王辉。电力电子技术J.武汉理工高校学报，2012.5；15(2)：3233。12丁元杰。中小型电动机可控硅整流调速M.上海科学技术出版社2010o13王芳。电子线路PrOtel99SE运用教程M长沙.中南高校出版社201314秦族萌.电力电子开关器件及电路J。北京.北京理工高校学报2014.63(6)：4347。15马济泉。双闭环调速系统的工程设计J.冶金自动化，201Io63(6)：43-47o谢辞本课题在探讨过程中得到霍建振老师的悉心指导。在此，谨向霍建振老师致以最崇高的敬意.本设计从十二月份起先着手,四月初基本结束，历时近四个月.自己付出了很多,但收获的更多。设计之前自己就比较细致的将涉及到的专业课比如电力电子技术、运动限制技术、数字电子技术等等重新复习了一遍,通过本次设计将一些单独的学问点或章节组合在一起,构成一个完整的设计。自己内心还是特别傲慢的，当然在这个过程中老师们和同学们的指导及帮助起了异样关键的作用，在此一并感谢.另本设计在作业期间引用及参考了诸多文献及论文，感谢文献及论文的作者。