晶閘管整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、<p>　　晶閘管整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　概述：許多機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用最廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。&l

2、t;/p><p>　　本此設(shè)計(jì)主要：就是針對(duì)直流調(diào)速裝置，利用晶閘管相控整流技術(shù)，結(jié)合集成觸發(fā)器芯片和調(diào)節(jié)器，組成晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要應(yīng)用的芯片是TCA785集成移相觸發(fā)控制芯片，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)。同時(shí)設(shè)計(jì)出完整的電氣原理圖，將分別介紹各個(gè)模塊的構(gòu)成原理和使用方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 直流調(diào)速 晶閘管 相控</p><p><b&g

3、t;　　1 設(shè)計(jì)意義及要求</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)意義</b></p><p>　　電力電子裝置是以滿足用電要求為目標(biāo)，以電半導(dǎo)器件為核心，通過(guò)合理的電路拓?fù)浜涂刂品绞?，采用相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)對(duì)電能實(shí)現(xiàn)變換和控制裝置。</p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)要求學(xué)會(huì)電力電子裝置的設(shè)計(jì)，能夠利用相控整流裝置對(duì)直流電

4、動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的題目是晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　已知直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：=3KW，=220V，=17.5A，=1500。要求采用集成觸發(fā)器及調(diào)節(jié)器構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)計(jì)繪制該系統(tǒng)的原理圖，并計(jì)算晶閘管的額

5、定電壓和額定電流。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，可將設(shè)計(jì)分為兩大部分，一是主電路及系統(tǒng)原理圖，二是控制電路，系統(tǒng)原理圖部分我們采用的是三相全控整流裝置，在這里我們使用三個(gè)TCA785芯片以便滿足設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)要加入轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，更好的實(shí)現(xiàn)調(diào)速的要求，達(dá)到穩(wěn)定的速度效果。電路原理總圖見(jiàn)附錄。</

6、p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)主電路</b></p><p>　　晶閘管相控整流電路有單相、三相、全控、半控等，調(diào)速系統(tǒng)一般采用三相橋式全控整流電路，如圖1所示。在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流側(cè)瞬態(tài)過(guò)電壓及濾波，晶閘管并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成關(guān)斷緩沖；快速熔斷器直接與晶閘管串聯(lián)，對(duì)晶閘管起過(guò)流保護(hù)作用。</p><p>　　圖1 三相橋式全控

7、整流主電路圖</p><p>　　系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，原理框圖如圖2所示。兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)電路。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用ＰＩ調(diào)節(jié)器。這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在給定突加的過(guò)程中表現(xiàn)為一個(gè)恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)中又表

8、現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，可獲得良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能。</p><p>　　圖2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　2.2 控制電路</b></p><p>　　控制電路主要包括觸發(fā)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測(cè)電路等組成。</p><p>　　2.2.1 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</p><

9、p>　　設(shè)計(jì)觸發(fā)電路，在這里我們采用TCA785芯片（圖3）。</p><p>　　TCA785是德國(guó)西門(mén)子(Siemens)公司于1988年前后開(kāi)發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。</p><p>　　由于TCA

10、785芯片具有更好的特性，對(duì)過(guò)零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸出脈沖的整齊度更好，移相范圍更寬，在現(xiàn)在要求調(diào)速系統(tǒng)特性越來(lái)越高的環(huán)境下，本次設(shè)計(jì)采用的就是TCA785芯片。</p><p>　　圖3 TCA785芯片</p><p>　　其中5腳為外接同步信號(hào)端，用于檢測(cè)交流電壓過(guò)零點(diǎn)。10腳為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波，其斜坡最大及最小值由9、10兩腳的外接電阻與電容決定。通過(guò)與11腳的控制電壓相比較，

11、在15和14腳可輸出同步的脈沖信號(hào)，因此，改變11腳的控制電壓，就可以實(shí)現(xiàn)移相控制，脈沖的寬度則由12腳外接電容值決定[1] ，當(dāng)選擇雙窄脈沖的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，12腳應(yīng)接150pF電容。實(shí)際上，有幾十個(gè)微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導(dǎo)通。</p><p>　　利用TCA785芯片實(shí)現(xiàn)三相橋式相控整流的一般方法是利用三相同步變壓器從電源進(jìn)線端引入三路同步信號(hào)，這樣，將同步信號(hào)整形后分別輸?shù)饺琓CA785（編號(hào)為A,B

12、.C）的5腳，能控制6只晶閘管，然后通過(guò)引腳復(fù)用即可實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖方式驅(qū)動(dòng)。雙窄脈沖方式由于驅(qū)動(dòng)脈寬窄，因而可以有效地減小驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器的體積，防止磁芯飽和[2]。該方法的主電路及同步變壓器如圖2所示，三片TCA785片的引腳與所控制的晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。晶閘管通過(guò)一個(gè)型同步變壓器為T(mén)CA785提供同步信號(hào)，當(dāng)進(jìn)線相序?yàn)檎駻、B、C時(shí)，同步變壓器的三個(gè)輸出端所對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)的實(shí)際電壓向量為AC、BA、CB，將AC接至TCA785

13、（A），BA接至TCA785（B），CB接至TCA785（C）。即可實(shí)現(xiàn)正序輸入時(shí)晶閘管的同步驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖4 三片TCA785引腳及其對(duì)應(yīng)的晶閘管</p><p>　　2.2.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器對(duì)其輸入信號(hào)（給定量和反饋量）進(jìn)行加減、比例、積分、微分、延時(shí)等運(yùn)算。它由以下幾部分組成：運(yùn)算放大器、二極管限幅電路、互補(bǔ)輸出

14、的電流調(diào)節(jié)器、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)和反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等。速度調(diào)節(jié)器電路與電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)形式完全相同。</p><p>　　圖5為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)聯(lián)接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，電流環(huán)在內(nèi)，稱(chēng)之為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱(chēng)之為外環(huán)。</p><p>　　為了獲得良好

15、的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。</p><p>　　圖5

16、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.2.3 檢測(cè)電路</p><p><b>　　圖6 電流檢測(cè)電路</b></p><p>　　電流反饋焊接由霍爾元件及運(yùn)算放大器組成，用以檢測(cè)可控硅直流側(cè)的電流信號(hào)，以獲得與電流成正比的電流電壓信號(hào)和過(guò)流信號(hào)。速度反饋環(huán)節(jié)把測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓變換成適合控制系統(tǒng)的電壓信號(hào)。電流檢測(cè)電路和速度檢測(cè)電路如圖

17、6和圖7所示。</p><p><b>　　圖7 速度檢測(cè)電路</b></p><p><b>　　3 晶閘管參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　已知直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：=3KW，=220V，=17.5A，=1500。可以求得晶閘管通態(tài)電流平均值為：</p><p><b>　　=（1.5~

18、2）K</b></p><p>　　=（1.5~2）×0.367×1.2</p><p>　　=（1.5~2）×0.367×1.2×17.5</p><p>　　=11.4975~15.33 （A）</p><p><b>　　晶閘管額定電壓為：</b><

19、;/p><p><b>　　=（2~3）</b></p><p><b>　　=（2~3）×</b></p><p>　　=（2~3）××220</p><p>　　=1077.8~1616.7 （V）</p><p><b>　　總結(jié)與體

20、會(huì)</b></p><p>　　這次的論文設(shè)計(jì)應(yīng)用了電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)以、電力拖動(dòng)技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)。做完此次論文設(shè)計(jì)后，對(duì)這些學(xué)科都有了進(jìn)一步的熟悉和掌握，并且能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，這是本次論文設(shè)計(jì)的最大收獲。</p><p>　　本次論文設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。為了完成這個(gè)論文設(shè)計(jì)，我通過(guò)大量的查找資料，對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。同

21、時(shí)還對(duì)TCA785芯片更加的熟悉，掌握了該芯片的應(yīng)用方法。為了畫(huà)出該系統(tǒng)的電路原理圖，還用到了Protel軟件，熟悉了該軟件的應(yīng)用。</p><p>　　經(jīng)過(guò)這次的論文設(shè)計(jì)，不僅在書(shū)上學(xué)到的知識(shí)得到了鞏固，而且還在設(shè)計(jì)過(guò)程中拓展了其他沒(méi)有學(xué)過(guò)的知識(shí)。這次的論文設(shè)計(jì)從查找資料，到確定方案，通過(guò)自己查找資料，了解情況，讓我對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了更好的了解，并且讓我知道了所學(xué)的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)之間的聯(lián)系，使得我們對(duì)知識(shí)深刻

22、的了解和鞏固。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.7</p><p>　　[2] 胡壽松.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程.北京：科學(xué)出版社，2002.4</p><p>　　[3] 陳堅(jiān).電力電子學(xué)（第二版）.北京：高等

23、教育出版社，2004.6</p><p>　　[4] 楊蔭福.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006.9 </p><p>　　[5] 王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[6] 黃俊.電力電子變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.8</p><p><b&g

24、t;　　電路原理總圖</b></p><p><b>　　電力電子論文設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題目：晶閘管整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　姓名：宋紅娜</b></p><p><b>　　班級(jí)：電子（2）班</b></p>