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4、10第三章 主电路的设计与分析113.1主电路结构设计113.2 整流电路163.3 励磁回路的选择173.4 晶闸管的触发电路193.5 KJ004的工作原理213.6 脉冲变压器的设计23第四章 PWM控制直流调速系统控制电路设计254.1 PWM信号发生器254.2 SG3525引脚各端子功能27第五章 主电路元部件及参数计算325.1 整流变压器容量计算325.2 IGBT管的参数335.3 三相全控桥整流二极管选择345.4 滤波电容C1的选择34第六章 主电路保护电路设计346.1 IGBT的保护设计346.2 主电路过电流保护电路366.3过电压保护设计366.4过电流保护设计3
5、96.5斩波器的散热设计41第七章 励磁回路元件计算和选择42 7.1 变压器的选择427.2 整流元件晶闸管的选型46 第八章 双闭环调速系统调节器的设计478.1 电流调节器的设计478.2转速调节器的设计51心得体会57参考文献58摘 要直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。本文首先明确了设计的任务和要求，在
6、了解了转速电流双闭环直流调速系统的调速原理后依次对晶闸管相控整流调速系统的主电路，保护电路，检测电路和触发电路进行了设计，并且计算了相关参数。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置，针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供 电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。关键字：双闭环控制 单项全控桥 三相桥式 IGBT第一章 绪 论 许多生产机械要求在一定的范围内进
7、行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态，动态性能。而直流电调速系统调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力系统传动系统。它具有动态响应快，抗干扰能力强等特点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗干扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但如果对系统的动态性能要求较高，例如要起制动，突加负载动态性能速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
8、这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只在超过临界电流值以后强烈的复返快作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流的限制条件下，充分利用电机的允许过载能力。最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳定运行。这是，起动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能的得到的最快起动过程。 随着社会化大生产的不断发
9、展，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和时间上都比较成熟，并且从闭环控制的角度来看，它有是交流拖动系统的基础。所以直流调速系统在生活中有举足轻重的作用。另一方面，需要指出的是电气传动与自动控制有着密切的关系，调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器，它为电动机提供可控的直流电流，并成为弱点控制强电的媒介。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构形式。主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路及各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器，整流元件，保护电路以及电流转速调节器的参数计算。第二章 直流调速系统的方案确定2.1系统的技术数据要求 采用转速、电流负反馈构成双闭
10、环调速系统主回路采用三相全控桥不可逆系统。励磁回路采用三相桥式晶闸管变流装置供电，构成励磁电流闭环系统控制。技术数据：（1） 直流电动机数据：电动机型号：Z2-62, 220V，69.5A，1500rpm，允许过载倍数，电枢回路电阻，系统运动部分的转动惯量。（2） 要求达到的性能指标：，电流超调量，转速无静差，且空载起动到额定转速时的转速超调量。2.2直流调速系统的方案选择 2.2.1直流调速系统简介 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主
11、要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电
12、流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。 2.2.2调速方案选择 随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 2.2.3调速电路方案 本电机调速系统采用脉
13、宽调制方式, 与晶闸管调速相比, 技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 2.2.4控制方案选择 直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。随着电力电子技术的进步, 发展了许多新的电枢电压控制方法。如: 由交流电源供电, 使用晶闸管进行相控调压; 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电, 再由PWM 斩波器进行斩波调压等。PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较, 具有下列优点: 需用的大功率可控器件少, 线路简单; 调速范围宽; 电流波形系数好, 附加损耗小; 功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本系统是基于PWM 控制的直流电机控制系统。 此设计采用双闭环不可逆直流调速系统，其结构框图如图2.2所示。图2.1 转速、双闭环直流调速系统原理框图2.3 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节气的饱和输出Uim，这时
