【原创】晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计_毕业论文设计

目录第一章绪论 (2)第二章主电路结构选择 (3)2.1变压器参数计算 (4)第三章双闭环直流调速系统设计 (5)3.1电流调节器的设计 (7)3.2转速调节器的设计 (10)第四章触发电路的选择与原理图 (14)第五章直流调速系统MATLAB仿真 (16)第六章总结 (18)第七章参考文献 (18)第一章绪论转速负反馈控制直流调速系统（简称单闭环调速系统）PI调节器的单闭环转速系统可以实现转速调节无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。

但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。

对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。

当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。

这类理想启动过程示意下图1所示。

图1 单闭环调速系统理想启动过程启动电流呈矩形波，转速按线性增长。

这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。

下面我们引入了一种双闭环系统来对控制系统进行优化。

第二章 主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（531,,VT VT VT ）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（642,,VT VT VT ）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c 三相电源相接的3个晶体管分别是531,,VT VT VT ,共阳极组中与a,b,c 三相电源相接的3个晶闸管分别是642,,VT VT VT 。

图2-1 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

课程设计任务书一、课题晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计二、设计意义及目的通过课程设计，一方面是学生对本课程所学内容加深理解，另一方面让学生熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养学生工程设计能力。

三、设计技术数据及要求1. 直流电动机额定数据：P N=3KW，U N=220V，I N=17.5A，n N=1500r/min。

2. 主电路中，晶闸管要有过电压、过电流及抑制其正向电压上升率、正向电流上升率的保护电路。

3.选择合适的晶闸管触发电路。

四、设计内容1.系统调速方案的确定。

2.主电路的选择与计算：a.整流变压器次级电压的计算，整流变压器次级电流及变压器容量的计算；b.电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算,以及晶闸管型号的确定。

C.电枢电感M L的计算，整流变压器漏电感B L的计算。

3.主电路中各种保护电路的选用及元件参数计算。

五、设计任务1、设计任务书2、摘要3、目录4、整流装备方案的选择5、系统设备（元件）的选择与效验6、参考文献7、后记（收获和体会）六、主要参考资料《电力电子技术》黄家善机械工业出版社《电力拖动自动控制系统》陈伯时机械工业出版社七、时间：二周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。

最后给出了这次设计的心得体会，参考文献和系统的电气总图。

目录设计任务及要求 (Ⅰ)摘要Ⅲ第一章晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述第一节双闭环直流调速系统的组成 (1)第二节双闭环直流调速系统的静特性 (3)第二章系统主电路原理分析 (4)第一节晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理4第二节总体方案 (5)第三节三相桥式全控整流电路 (7)第三章系统参数计8第一节整流变压器参数计算 8第二节晶闸管参数计算9第三节其他参数计算10第四章保护电路 (11)第一节过电压保护 (11)第二节过电流保护 (14)第五章系统控制电路设计 (16)第一节信号检测电路设计 (16)第二节系统调节器 (16)第三节触发电路 (17)后记 (20)参考文献21附录：电气原理总图22第一章晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述直流调速系统通过调节控制电压U c就可改变电动机的转速。

晶闸管双闭环不可逆直流调速系统摘要：晶闸管双闭环不可逆直流调速系统具有优良的静态和动态特性，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，是应用最广的调速系统之一。

本文所论述的晶闸管双闭环不可逆直流调速系统。

主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机等组成。

通过三相可控整流电流调整直流电机电枢电压,以达到调速的目的,同时拥有电流和转速反馈,通过电流返馈可使电机以最大的电流启动或提速,而转速反馈使转速稳定。

系统采用双闭环控制具有优良的静态和动态特性。

关键字：直流调速双闭环PI调节前言直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。

广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。

在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。

特别是晶闸管一直流电动机拖动系统、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。

本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。

控制电路则采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差。

此外，我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这需要采用电流负反馈来实现。

为了实现转速电流双闭环控制，应采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。

为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。

11、晶闸管双闭环不可逆直流调速系统的构成1.1转速、电流双闭环系统结构TA—交流变换器—速度调节器ACR—电流调节器ASR —速度反馈信号U*n—给定速度信号UnTG —测速发电机—电流反馈信号U*i—给定电流信号Ui 转速、电流双闭环调速系统结构图图1-1另一个是用, PI 调节器, 一个是用于转速调节的转速调节器该系统有两个输出限幅值其输出均有限幅, 两个调节器串级连接, , 于电流调节的电流调节器故把转速负反馈组成Umi。

单相可控晶闸管直流电动机不可逆调速系统主电路设计1. 设计任务设计⼀个单向可控晶闸管直流电动机不可逆调速系统的主电路直流电机：额定功率：P=3KW ，额定电压：U220V ，额定电流：17.5A ，额定转速：1500，励磁电流：1.11V ，电枢回路电阻：1.2Ω，启动电流：30A 负载电流为30A 时电流仍连续 2. 设计内容1) 确定调速系统控制⽅案 2) 主电路选择与计算 3) 调速系统⽅案的选择 4) 绘制电⽓系统原理图 3.调速系统⽅案的选择 3.1直流电动机的选择根据负载功率和额定转速的要求，查产品⽬录，依据(1.1~1.3)NLP P=原则及过载要求，选取：型号：额定功率：3KW额定电压：220V 额定电流：17.5A 额定/弱磁转速：1500r/min 励磁电流：1.11A 电枢回路电阻：1.2Ω 3.2电动机供电⽅案的选择与交流机组（主控制电路主要是通过接触器来控制的）相⽐，晶闸管可控整流装置⽆噪声、⽆磨损、响应快、体积⼩、重量轻、投资省；⽽且⼯作可靠、功耗⼩、效率⾼，因此采⽤晶闸管可控整流装置供电。

本设计选⽤的是中⼩型直流电动机，功率低，故可选⽤单相整流电路。

⼜因本系统设计是不可逆系统，所以可选⽤单相半控桥整流电路，这样不仅使控制电路⼤⼤简化，⽽且若控制电路安排合理可以减少电⼦元件的个数，即应⽤桥式电路中整流⼆极管代替续流⼆极管。

这就要求将整流⼆极管和晶闸管分别放在⼀侧，当电路没有触发的时候整流⼆极管做续流作⽤。

直流电动机的额定电压为440V，直接⽤电⽹供电是很难达到要求，同时为了防⽌电动机启动与制动对电⽹的⼲扰，需要将电压升⾼并且能够和电⽹隔离提⾼功率因数，因此选⽤本设计采⽤整流变压器供电⽅式。

对于⼩功率的直流电动机直流调速系统⼀般采⽤减压调整⽅案，保持磁通不变，因此励磁绕组可采⽤单相不控整流电路供电。

为保证直流电动机正常⼯作采⽤先加励磁电源，后加电枢电压的原则。

为了防⽌电动机在运⾏过程中因励磁过⼩⽽造成转速过⾼或电流过⼤的现象，常在励磁回路中设有弱磁保护环节，即增加⽋电流继电器。

晶闸管直流电动机调速系统的设计摘要：该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。

此外，还有双窄脉冲形成环节。

同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。

关键词：可控整流晶闸管触发电路缓冲电路保护电路1 设计的性质和目的半导体变流技术自六十年代出现以来获得迅速发展，它的应用日益广泛，已深入各工业电气自动化领域，成为机电一体化的重要组成部分. 晶闸管可控整流直流电动机调速系统是半导体技术的一种应用类型，它具有高效率无级调速的优点。

本设计中的调速系统在矿山牵引，运输和包装机械中应用十分广泛，直流电动机具有良好的起动性和调速性能，它的特点是起动转距大，能在宽广的范围内平滑，经济地调速，转速容易控制，调速后的效率仍然很好。

本设计中的电动机参数自动测试系统适用于晶闸管-直流电动机系统，而且也适用于其他运动控制系统，过程控制系统或机电控制系统。

直流电机有三种控制方式，即控制电枢电压改变电动机的转速，控制电动机励磁电流改变电动机的转速以及电枢串电阻调速。

1)单向驱动用晶闸管控制直流电动机时功率较小的电动机采用单相电源，功率较大电动机的主回路采用三相以上电源。

一般都有整流变压器，但有不同相数和接法大部分采用三相桥式连接。

电动机以最低速度连续运行时，电流不容易连续，高精度控制时，如果负载电路不连续，相当于电枢电阻增大，为此可在主电路中接入较大电感，防止电流断续，但控制时间常数会增大。

2)双向驱动如果需要双向驱动直流电动机时，可采用双组反相并联的整流电路。

第一组整流电路使电动机正转，第二组整流电路使电动机反转或正向制动，具有使电动机双向运行的良好功能。

要使电动机正反转，就要求晶闸管控制电路使整流器输出加到电动机的电压可反向，或者加到励磁电路上的电压可反向。

可以采用接触器使电动机电压反向，这种方式不需要环流控制，控制简单，廉价，经常采用。

第一章 晶闸管—直流电动机调速系统概况1.1晶闸管—直流电动机调速方法为了使生产机械以最合理的速度工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多的生产机械（如各种机床，轧钢机、造纸机、纺织机械等）要求在不同的情况下以不同的速度工作。

采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种人为地改变电动机的转速通常称为调速。

调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法。

在用机械方法调速的设备上，速度调节是用改变传动机构的速比来实现，但是改变传动机构较复杂；用电气方法调速，电动机在一定负载情况下可获得多种转速，电动机可与工作机构同轴，或其间只用一套变速机构，机械上较简单，但电气上可能较复杂；在机械电气配合的调速设备上，用电动机获得几种转速，配合用几套（一般用三套左右）机械变速机构来调速。

究竟采用何种方案，如何与机械电气配合，需要全面考虑。

由直流电动机的机械方程式：φe aC U n ≈（1-1）n —电动机的转速；a U —电枢端电压；φ—励磁磁通；e C —电动势常数。

由式（1-1）可得，主要通过改变电枢端电压a U 或改变励磁磁通φ来改变电动机的转速。

提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，根据规定，只允许比额定电压提高30%，因此提高a U 的可能范围不大。

实际上改变a U 常应用在减压时，从额定转速向下调速。

而改变励磁磁通，由于一般电动机的额定磁通的铁心接近饱和，所以改变φ一般在减弱的方向，称为弱磁调速，使转速从额定值向上调节。

在调速的范围要求较宽等情况下，可结合应用上述两种方法，即在额定转速以下减压，而在额定转速以上弱磁。

1.1.1 降低电枢端电压调速1.降低电源电压调速电动机的工作电压不允许超过额定电压，只能在额定电压以下进行调节。

降低电源电压调速的原理及调速过程如图3-1说明，U1＞U2＞U3。

Tn 1n 2nU1U2U3abcn 0U1 ＞U2 ＞U3TzT1图1-1降低电枢电压调速设电动机拖动恒转矩负载z T 在固有特性上a 点运行，其转速为1n 。

目录1 晶闸管—直流电动机调速系统简介 (1)1.1晶闸管整流器输出电流连续 (1)1.2晶闸管整流器输出电流连续 (2)2 V-M系统的动态特性 (5)2.1晶闸管触发和整流装置的传递函数 (5)2.2V-W系统的动态结构 (7)3V-W系统动态特性分析 (9)4总结 (10)参考文献 (11)1 晶闸管—直流电动机调速系统简介采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。

这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。

直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。

如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。

为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器d L ，以使电流d I 尽可能连续。

这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。

如图1所示为由可控整流装置供电的他励直流电动机调速系统一般结构。

如果电源电压能满足可控整流装置提供给电动机额定电枢电压，那么整流器可直接链接与交流电源，否则就必须设置一个合适变比的整流变压器插在电源和整流器之间，滤波电抗用于减小电机电流的纹波改善电动机的运行特性，电机励磁电流通常由变压器和不控制整流器从同一交流电源供电，如果磁场也需要调节，只需要可控整流器给磁场供电。

1.1 晶闸管整流器输出电流连续如果平波电抗器d L 电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图2-所示。

图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。

由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源d U 与内阻的串联，d U 为输出整流电压平均值式中，U 为电源相压有效值，α为移相触发图 1 可控整流装置供电的他励直流电动机调速系统角。

毕业论文双闭环不可逆直流调速系统摘要根据晶闸管的特性，通过调节控制角的大小来调节电压，基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速电流双闭环调速控制电路，在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电，本文先确定主电路的结构形式和各个元部件的设计，同时对其参数进行计算，包括晶闸管、电抗器，直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器,以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流;电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起到及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。

本课题内容重点包括电流、转速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细的设计，概述整个电路的动静态性能，并各部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成。

关键词双闭环；晶闸管；可逆直流调速系统；SR；CR；静差目录摘要 (I)第1章绪论................................................................................................... - 1 -1.1 课题的背景和意义.............................................................................. - 1 -1.2 课题的发展状况.................................................................................. - 2 -1.3 设计要求.............................................................................................. - 2 -1.4 设计内容.............................................................................................. - 2 -1.5 本章小结................................................................. 错误！未定义书签。

晶闸管直流电动机调速系统设计目录1设计概述 (1)1.1 设计意义及要求 (1)1.2 方案分析 (1)1.2.1 可逆调速方案 (1)1.2.2 控制方案的选择 (2)2主电路的设计与分析 (3)2.1 整流电路 (3)2.2 斩波调速电路 (4)3控制电路的设计与分析 (6)3.1 触发电路的设计与分析 (6)3.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析 (6)3.2.1 欠压锁定功能 (7)3.2.2系统的故障关闭功能 (7)3.2.3软起动功能 (7)3.2.4 波形的产生及控制方式分析 (8)3.3 延时、驱动电路的设计 (8)3.4 ASR和ACR调节器设计 (9)3.4.1 ASR（速度调节器） (9)3.4.2 ACR（电流调节器） (10)结束语 (1)参考文献 (2)附录 (3)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。

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统是一种用于电机调速的控制系统，主要由两个闭环控制组成：速度闭环和电流闭环。

以下是该系统的一般设备组成和工作原理的概述：
设备组成：
电源：提供系统所需的电能供应。

整流器：将交流电源转换为直流电源。

晶闸管：用于控制电流的开关器件，通过控制晶闸管的导通和截止来调节电机的电流。

逆变器：将直流电源转换为可调的交流电源。

电机：用于将电能转换为机械能的设备。

速度传感器：用于检测电机转速，并将其反馈给控制系统。

电流传感器：用于检测电机电流，并将其反馈给控制系统。

控制器：根据速度和电流反馈信号，控制晶闸管的导通和截止，调节电机的转速和负载电流。

工作原理：
速度闭环控制：控制器通过速度传感器获取电机的转速反馈信号，并与设定的目标转速进行比较。

根据误差信号，控制器输出相应的控制信号，通过调节逆变器的输出电压来控制电机的转速，使实际转速逐渐接近目标转速。

电流闭环控制：控制器通过电流传感器获取电机的电流反馈信号，并与设定的目标电流进行比较。

根据误差信号，控制器输出相应的控制信号，通过控制晶闸管的开通和截止时间来调节电机的负载电流，使实际电流逐渐接近目标电流。

反馈控制：速度和电流的反馈信号被用来调整控制器的输出信号，以实现对电机转速和负载电流的精确控制。

系统保护：系统还可以包括过电流保护、过温保护等功能，以确保系统的安全运行。

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统可以实现对直流电机的精确调速和负载电流控制，适用于需要高精度和可靠性的工业应用。

该系统在电机调速和负载控制方面具有较好的性能和稳定性。