晶闸管直流电动机调速系统设计

武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书目录1设计概述..........................................................11.1设计意义及要求..............................................11.2方案分析....................................................11.2.1可逆调速方案...........................................11.2.2控制方案的选择.........................................22主电路的设计与分析................................................32.1整流电路....................................................32.2斩波调速电路................................................43控制电路的设计与分析..............................................63.1触发电路的设计与分析........................................63.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析..............................63.2.1欠压锁定功能...........................................73.2.2系统的故障关闭功能.....................................73.2.3软起动功能.............................................73.2.4波形的产生及控制方式分析...............................83.3延时、驱动电路的设计........................................83.4ASR和ACR调节器设计........................................93.4.1ASR（速度调节器）......................................93.4.2ACR（电流调节器）.....................................10结束语.............................................................12参考文献...........................................................13附录...............................................................14武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书1晶闸管直流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1.2.1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。但是不武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书2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出了严格的要求。1.2.2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原理框图武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书32主电路的设计与分析主电路主要环节是：整流电路、斩波电路及保护电路。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整流电路武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书4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。T1~T4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。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。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Jun-2009SheetofFile:D:\Protel99SE\新建文件夹\电力电子.ddbDrawnBy:CD3D1D2D4RvT3T4T2T1TA1TA2MUd斩波调速主电路原理图武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书5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。武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书63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，并且系统具有完善的保护。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。武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书7图3-2SG3523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。3.2.1欠压锁定功能基准电压调整器受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。3.2.2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。3.2.3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提供放武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书8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50μA电流源缓慢充电，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。3.2.4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SG3525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，Ut〉Ur时，比较器输出的PWM′波形由逻辑低