直流電動機正、反轉(zhuǎn)調(diào)速控制電路畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1. 課程設(shè)計目的1</p><p>　　2. 課程設(shè)計題目和要求1</p><p><b>　　3. 設(shè)計內(nèi)容1</b></p><p><b>　　3.1主電路1</b></p>&l

2、t;p>　　3.2 控制電路1</p><p>　　3.2.1 觸發(fā)電路1</p><p>　　3.2.2 給定電壓2</p><p>　　3.2.3 電壓負(fù)反饋3</p><p>　　3.2.4 電流正反饋4</p><p>　　3.2.5 電壓微分負(fù)反饋4</p><p>

3、　　3.2.6 電流截止負(fù)反饋5</p><p>　　3.2.7電動機6</p><p>　　3.2.8晶閘管9</p><p><b>　　4.設(shè)計總結(jié)10</b></p><p><b>　　參考書目11</b></p><p><b>　　課程設(shè)計目

4、的</b></p><p>　　通過這次直流電動機正、反轉(zhuǎn)調(diào)速控制電路的課程設(shè)計，加深了對直流電動機的調(diào)速控制、電流截止負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋、電流正反饋等一些電路作用的李理解和應(yīng)用。同時對以往的專業(yè)知識有了全面的鞏固和理解，鍛煉了查閱資料的能力和對整體布局和格局的分布都有了一定的了解。</p><p><b>　　課程設(shè)計題目和要求</b></p>

5、;<p>　　本次的課程設(shè)計是有關(guān)于直流調(diào)速方面的，課程設(shè)計的題目：直流電動機正、反轉(zhuǎn)調(diào)速控制電路。</p><p>　　直流電動機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。與交流電機相比，直流電機因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機廣泛。但由于直流電動機具有優(yōu)良的起動、調(diào)速和制動性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍有一席之地。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電動機調(diào)速已有逐步被交流電動機調(diào)速

6、所取代的傾向。</p><p>　　但由于直流電動機以起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、制動控制方面有著很大的優(yōu)勢，因此，在工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域有著2很大的發(fā)揮作用。</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1主電路</b></p><p>　　主軸電動機的容量較小，只有3KW

7、，因此采用單相半控橋式整流電路UR2供電，交流側(cè)有阻容（R18、C6）吸收電路進行過電壓保護，主軸正、反轉(zhuǎn)用接觸器KM1、KM2控制，停車時間由KA1的動斷觸頭與電阻R15對電動機進行能耗制動。</p><p>　　由于直流電動機的電樞旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生反電勢，只有當(dāng)電壓大于反電勢時晶閘管才能導(dǎo)通，因此通過電動機的電樞電流產(chǎn)生斷續(xù)現(xiàn)象。這樣，晶閘管的導(dǎo)通角小，電流峰值狠大，晶閘管溫度升高，且對電動機換向不利。為了解決這一

8、問題，主電路中串入平滑電抗器L，其目的是延長晶閘管的導(dǎo)通時間，使電流連續(xù)；另一方面降低電壓峰值，減小電流脈動程度，使電流波形平衡。為了使電源電壓過零時晶閘管可靠地關(guān)斷，防止失控，在電路中并聯(lián)了續(xù)流二極管VD5。</p><p><b>　　3.2 控制電路</b></p><p>　　3.2.1 觸發(fā)電路</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)電路如

9、圖3.2.1所示，采用帶放大環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。VT1起放大控制信號的作用，VT2代替電位器RP起電位器的作用。電路用改變VT1輸入電壓（即控制電壓UC）的大小來改變控制角，當(dāng)控制電壓UC增大時，VT1的集電極電位降低，VT1的基極電流增大，集電極電流隨之增大，等效電阻減小，C1充電加快，晶閘管控制角減小，導(dǎo)通角增大，整流電路的輸出電壓提高。反之，當(dāng)控制電壓UC減小時，整流電壓也減小。改變控制電壓的大小就可以改變整流電路的輸出電壓

10、。</p><p>　　為了避免啟動時過高的控制電壓損壞晶閘管，在VT1的基極回路中并接了二極管VD2、VD3和VD4。當(dāng)UC較小時，二極管截止；當(dāng)UC過大時，二極管中流過較大的電流，保護VT1。VD3與VD4串聯(lián)，作正向電壓限幅，VD2作反向電壓限幅。</p><p>　　電阻R3及穩(wěn)壓管VZ1組成削波電路，使觸發(fā)電路電源電壓為前沿較陡的梯形波，可得到較大的移相范圍。</p>

11、<p>　　VD1將C4上的平滑電壓與單節(jié)晶體管梯形電壓隔離。</p><p>　　圖3.2.1 觸發(fā)電路</p><p>　　3.2.2 給定電壓</p><p>　　給定電壓與電壓負(fù)反饋、電流正反饋電路如圖3.2.2所示。</p><p>　　給定電壓UG由單相交流電經(jīng)過橋式整流后經(jīng)VZ2穩(wěn)壓，從電位器RP1和RP4上取出，

12、控制電壓UC由給定電壓UG、負(fù)反饋電壓Ufu和電流正反饋Ufi等組成。正反轉(zhuǎn)時，給定電壓是由RP1和RP4上取出的一部分UG，它是輸入到VT1基極控制電壓的一部分。調(diào)節(jié)UG直接影響到電動機轉(zhuǎn)速的高低。當(dāng)UG增大時，控制電壓UC也隨之增大，觸發(fā)脈沖相位前移，晶閘管的導(dǎo)通角增大，整流電壓上升，電動機的轉(zhuǎn)速升高。反之，當(dāng)UG減小時，電動機的轉(zhuǎn)速隨之降低。</p><p>　　圖3.2.2 給定電壓與電壓反饋、電流正反饋

13、電路</p><p>　　3.2.3 電壓負(fù)反饋</p><p>　　在與電樞繞組并聯(lián)的R15、RP3上取出負(fù)反饋電壓Ufu，該電壓與電樞電壓成正比，可以補償由于整流電源存在內(nèi)阻造成的壓降變化。例如，電動機運行在某轉(zhuǎn)速下，負(fù)載變大，主電路電流增加，整流輸出的電壓因電源內(nèi)阻壓降增加而減小，電動機轉(zhuǎn)速也隨之降低，由于Ufu的減小，控制電壓UC會相應(yīng)地增大，單結(jié)晶體管VT3組成的觸發(fā)電路輸出脈沖

14、前移，使控制角減小，晶閘管導(dǎo)通角增大，整流輸出電壓回升，以補償電壓的下降，部分地補償因負(fù)載增大而引起的轉(zhuǎn)速降低，但電動機電樞電阻壓降增大而造成的轉(zhuǎn)速下降部分，電壓負(fù)反饋無法補償。</p><p><b>　　電壓負(fù)反饋的作用</b></p><p>　　抑制發(fā)電機輸出電壓波動，保持電動機M的轉(zhuǎn)速n恒定不變，減低靜差率，提高控制精度。</p><p&

15、gt;　　消除放大機及發(fā)電機的剩磁電壓，擴大調(diào)速范圍。</p><p>　　加快啟動、減速、換向及停車制動等過渡過程，提高生產(chǎn)率。</p><p>　　3.2.4 電流正反饋</p><p>　　在電動機電樞串聯(lián)的R16上，取出電流正反饋電壓Ufi，它與電樞電流成正比，用于補償主電路電流變化時，由于電動機內(nèi)阻等造成的壓降變化。例如，當(dāng)負(fù)載變大時，主電路電流增加，電動

16、機內(nèi)阻上的壓降增大，電動機轉(zhuǎn)速下降，這時電流正反饋電壓Ufi增大，使控制電壓升高，整流電壓回升，電動機轉(zhuǎn)速也回升。</p><p>　　由此可見，如果電壓負(fù)反饋與電流正反饋配合得當(dāng)，可以使綜合反饋具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的性質(zhì)，即曲線3與曲線4的重合。并且省去了測速發(fā)電機，給安裝、維護等帶來了方便，也更經(jīng)濟。</p><p><b>　　電流正反饋的作用</b></p&g

17、t;<p>　　擾動補償、補償負(fù)載電流I在電樞回路換向器上的壓降，使電動機轉(zhuǎn)速N基本上保持平穩(wěn)。由于電流不純粹是負(fù)載擾動，她是生產(chǎn)電磁力矩的內(nèi)因，只能欠補償，否則不穩(wěn)定。</p><p>　　加速啟動、減速、換向、制動等過渡過程，提高生產(chǎn)效率加啟動時為正前（反）饋正補償，勵磁作用力加速啟動，而制動時，I反向正前（反）饋變成負(fù)前（反）饋補償；去磁作用加上制動。</p><p>

18、　　3.2.5 電壓微分負(fù)反饋</p><p>　　由于慣性，過渡過程易振蕩致使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，為抑制振蕩，引入電壓微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)。</p><p>　　自動調(diào)速系統(tǒng)由于有了負(fù)反饋，能夠進行自動調(diào)速，但是有時在過渡過程中可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于在調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)而產(chǎn)生的，電壓微分負(fù)反饋可以消除振蕩，其電流由C5、RP5、R14組成。</p><p>　　例如在調(diào)

19、節(jié)過程中，整流輸出電壓突然上升，就有一電流從微分電容C5經(jīng)可調(diào)電阻RP5、R14流到電動機電源的負(fù)極，使三極管VT1的基極電流減小，觸發(fā)脈沖相位后移，整流輸出電壓下降，控制了整流電壓過快上升而產(chǎn)生的超調(diào)現(xiàn)象。</p><p><b>　　橋型穩(wěn)定環(huán)節(jié)的作用</b></p><p>　　當(dāng)UAG上升時，由于電感的滯后作用，使得Uab=dUAG/dt>0加到Wc1負(fù)

20、端，去磁，從而使UAG下降。</p><p>　　當(dāng)UAG下降時，則Uab<0,負(fù)反饋后，使UAG上升，可見，微分負(fù)反饋使系統(tǒng)阻尼增加，改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p>　　3.2.6 電流截止負(fù)反饋</p><p>　　在直流電動機啟動、制動與反向等的過渡過程中、主回路電流很大。為了保護整流元器件晶閘管和電動機，在線路中沒有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，如圖3.2.

21、3所示。當(dāng)主電路電流超過某一值時，RP7上的分壓大于穩(wěn)壓管VZ2的穩(wěn)定電壓，VZ2被擊穿，R8上的壓降，使VT4飽和導(dǎo)通，將C1短接，C1向VT4迅速放電，圖3.2.1中的單結(jié)晶體管VT3輸出電壓降低，觸發(fā)脈沖后移，使整流器輸出的電壓迅速減小，以減小主電流使整流輸出電壓迅速下降，以抑制主電路電流。主電路電流正常時穩(wěn)壓管截止，觸發(fā)電流正常工作。</p><p><b>　　電流截止負(fù)反饋：</b&g

22、t;</p><p>　　采用比較電壓法，利用與電流成正比的信號與比較電壓反饋串聯(lián)后一經(jīng)二極管截流反向加到電機控制繞組上，與它給定值作用相反</p><p>　　截止環(huán)節(jié)的導(dǎo)通條件：I= ≥</p><p>　　電流截止負(fù)反饋主要作用：</p><p>　　限流。過載自動保護，使靜特性變成挖土機特性。</p><p>

23、　　加速啟動。啟動時限制啟動電流，使其不超過允許值，一旦則負(fù)反饋其作用（降低啟動速度）。制動時電流反向負(fù)反饋變正反饋則降低制動速度，應(yīng)加以避免（保持截流環(huán)節(jié)作用）。</p><p>　　為了解決調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須設(shè)有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制的基本概念，要維持某個物理量基本不變，只要引入該物理的負(fù)反饋就可以了。所以，引入電流負(fù)反饋能夠保持電流不變，使它不超過允許值。但是，電流

24、負(fù)反饋的引入會使系統(tǒng)的靜特性變得很軟，不能滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的要求，電流負(fù)反饋的限流作用只應(yīng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運行時必須去掉，使電流能自由地隨著負(fù)載增減。這種當(dāng)電流大到一定程度才起作用的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。</p><p>　　為了實現(xiàn)截止負(fù)反饋，必須在系統(tǒng)中引入電流負(fù)反饋截止環(huán)節(jié)。電流負(fù)反饋截止環(huán)節(jié)的具體線路有不同的形式，但是無論哪種形式，其基本思想都是將電流反饋信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后去和一個

25、比較電壓Ucom進行比肩。電流負(fù)反饋信號的獲得可以采用在交流側(cè)的交流電流檢測裝置，也可以采用直流側(cè)的直流電流</p><p>　　圖 3.2.3 電流截止負(fù)反饋電路</p><p><b>　　3.2.7電動機 </b></p><p><b>　　電動機的正反轉(zhuǎn)</b></p><p>　　電動機

26、的運轉(zhuǎn)方向從正方向向反方向或從反方向向正方向的變化稱為正反轉(zhuǎn)的控制。一般的電動機的運轉(zhuǎn)方向設(shè)有特殊指定時從連接面的反面看順時針方向視為正方向。</p><p>　　下面說明如何使電動正方向運行或反方向運行：</p><p>　　將電動機的U、V、W相與帶能源的R、S、Y相對應(yīng)相連，當(dāng)R與V相，S與V相，T與W相相連時電動機正方向運轉(zhuǎn)。</p><p>　　將電源的R

27、、S、T中任一兩相交換與電動機的定子線圈相連接，這樣電動機將反方向運轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　直流電動機的用途：</b></p><p>　　直流電機分為直流發(fā)電機和直流電動機兩種。把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姍C成為直流發(fā)電機，反之把直流電能轉(zhuǎn)化為機械能的電機成為直流電動機。</p><p>　　目前使用直流電動機的場合很多，這是由于直流

28、電動機具有以下突出優(yōu)點：</p><p>　　啟動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大。</p><p>　　調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)速。</p><p>　　易于控制，可靠性高。</p><p>　　直流電動機的主要缺點是換向問題，換向不僅限制了直流電動機的極限容量，而且增加了制造成本和維護工作量。</p><p>　　電樞繞組是直流

29、電動機的核心部分；電機中感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生，機電能量的轉(zhuǎn)換都是通過電樞繞組實現(xiàn)的。</p><p>　　當(dāng)電樞在電機的磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中會感應(yīng)出電動勢；當(dāng)電樞繞組中有電流流過時會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　直流電動機工作原理：</p><p>　　直流電機的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律的。直流電動機是根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場中受力這一基本原理工作的。

30、如圖3.1.4。</p><p>　　首先要在勵磁繞組上通入直流勵磁電流，產(chǎn)生所需要的磁場，再通過電刷和換向器向電樞繞組通入直流電流，提供電能。于是電樞電流在磁場的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。</p><p><b>　　直流電動幾的結(jié)構(gòu):</b></p><p>　　電動機主要分為定子和轉(zhuǎn)子部分。</p><p>

31、;<b>　　1.定子部分</b></p><p>　　（1）主磁極：其作用是產(chǎn)生恒定的主磁場，由主磁極鐵心和套在鐵心上的勵磁繞組組成。鐵心的上部叫極身，下部叫磁靴。磁靴的作用是減小氣隙磁阻，使氣隙磁通沿氣隙均勻分布。</p><p>　　圖3.2.4 直流電動機結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　?。?）機座：有兩個作用，一是作為各磁極間的磁路，這

32、部分稱為定子的磁軛；二是作為電機的機械支撐。</p><p>　?。?）換向極：換向極的作用是改善直流電機的換向性能，消除直流電機帶負(fù)載時換向器產(chǎn)生的有害火花。換向極的數(shù)目一般與主磁極數(shù)目相同，只有小功率的直流電機格不裝換向極或裝設(shè)只有主磁極數(shù)一半的換向極。</p><p>　　（4）電刷裝置：其作用有兩個，一是使轉(zhuǎn)子繞組與電機外部電路接通；二是與換向器配合，完成直流電機外部直流與內(nèi)部交流

33、的互換。</p><p><b>　　2.轉(zhuǎn)子部分</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子是直流電機的重要部件。由于感生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩都是在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生，是機械能和電磁能轉(zhuǎn)換的樞紐，因此直流電機的轉(zhuǎn)子也稱為電樞。</p><p>　　3.2.5 直流電機結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.2.8晶閘管</

34、b></p><p>　　晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，與大功率二極管外形相似,只是多了一個控制極。它由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成,中間形成三個PN結(jié)。這種獨特的結(jié)構(gòu)，</p><p>　　晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后出現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件。它是一種可控硅整流元件，亦稱可控硅。</p><p><b>　　工作原理</b>&

35、lt;/p><p>　　當(dāng)晶閘管的樣機與陰極之間加反向電壓時，這時不管控制極的信號情況如何，晶閘管都不會導(dǎo)通。晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時若在控制極與陰極之間電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會導(dǎo)通。只有在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒有電壓，只要陰極與陽極之間有維持電壓，晶閘管就維持導(dǎo)通。</p><p>

36、　　可把它看成是由PNP和NPN兩個三極管組合而成，每一個三極管的基極與另一個三極管的集電極相連，在電路回路上形成正反饋，只要在控制極上加上適當(dāng)?shù)恼螂妷?，晶閘管迅速觸發(fā)導(dǎo)通。</p><p>　　圖3.2.6 晶閘管結(jié)構(gòu)和符號</p><p>　　晶閘管的單向?qū)щ娦裕?</p><p>　　當(dāng)在晶閘管的陽極加上正電壓，陰極加負(fù)電壓，控制極不加電壓，晶閘管處于截止?fàn)?/p>

37、態(tài)；當(dāng)在控制極上加觸發(fā)信號后，晶閘管進入導(dǎo)通狀態(tài)；導(dǎo)通后，控制極便失去控制作用，晶閘管的輸出特性與二極管相似。 當(dāng)在晶閘管的陽極、陰極加上相反的電壓，無論怎樣加觸發(fā)信號，晶閘管仍處于截止?fàn)顟B(tài)。</p><p><b>　　4.設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過這次直流電動機正、反轉(zhuǎn)調(diào)速控制電路的課程設(shè)計，使我加深了對直流電動機的工作原理和運行狀態(tài)都有了進一步

38、的了解，同時對電流、電壓的反饋調(diào)節(jié)都有了充分的了解，對對整流環(huán)節(jié)和調(diào)速環(huán)節(jié)也有了充分的認(rèn)識。</p><p>　　由于這次的課程設(shè)計使我對知識的掌握與實際的動手設(shè)計更加的緊密聯(lián)系了起來，使我但對以前所學(xué)的知識有了一個全面的總結(jié)和充分的了解。讓我在以后的學(xué)習(xí)過程中都有了一個概括性的學(xué)習(xí)和有目的性的學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　參考書目</b></p>

39、<p>　　王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　劉錦波，張承慧，等.電機與拖動.清華大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　陳伯時.電力拖動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　?。?）姚樵根，俞文根.電氣自動控制.機械工業(yè)出版社，2005.</p><p>　?。?