晶闸管-电动机调速系统的设计

届分类号：单位代码：毕业论文（设计）晶闸管-电动机调速系统的设计姓名学号年级专业系（院）指导教师年 3月 8日摘要双闭环调速系统是现阶段最为常用的调速系统。

该系统具有结构简单、可操作性好、调速精度很高、可靠性与稳定性也很理想等优点。

该系统设置了调节转速的转速调节器和调节电流的电流调节器两个调节器来实现转速调节。

本设计是基于对V-M系统的设计，先完成系统的结构框架，确定主电路的组织形式并完成对其各个元器件的设计、选型与选参。

之后设计了包括保护电路与缓冲电路在内的整个驱动电路。

继而是本文的重点--控制电路的设计，确定其结构和元部件，并完成各元件参数计算。

最后，用MATLAB仿真软件对整个电路进行了仿真，并附上了整个系统的电气总图。

关键词：直流调速系统； PI调节器；仿真分析；AbstractDouble closed-loop speed control system is the ideal performance, wide application of DC speed regulating system。

This system has simple structure, good operability and high precision of speed and reliability with advantages of high stability, wide speed range. Double closed loop speed regulation system setting the speed regulator and current regulator to adjust the speed and current respectively, to achieve the goal of steady speed.This design adopts three-phase fully-controlled bridge circuit of power supply, make sure the structure of the whole system framework, determine the organization form of the main circuit and complete the various components of the design, type selection, choose to participate. After design, including protection and buffer circuit, drive circuit. In the end, is the focus of this article, the design of the control circuit, determine the structure and components, and complete control circuit element parameters calculation, MATLAB simulation software for the whole circuit are simulated, attach the electrical general layout of the whole system.Keywords:DC speed control system；PI regulator；simulation analysis；目录1 绪论 (1)1.1晶闸管电动机直流调速系统的发展及概述 (1)1.2研究课题的目的和意义 (1)1.3设计要求和内容 (1)2系统电路的结构和组成 (2)2.1主电路的选择与确定 (2)2.2双闭环调速系统的组成 (3)3主电路各器件的选择和计算 (4)3.1整流变压器的计算和选择 (4)3.2整流晶闸管的选型 (6)3.3平波电抗器的选型 (6)3.4主电路保护电路的设计 (8)3.5驱动电路的设计 (12)4转速、电流双闭环调速系统的设计 (13)4．1电流调节器的设计 (13)4．2转速调节器的设计 (16)5基于MATLAB的系统仿真 (21)附图 (24)结论 (25)参考文献 (26)谢辞 (27)1 绪论1.1晶闸管电动机直流调速系统的发展及概述调速控制系统自诞生以来就发展异常迅速。

20世纪初期出现了第一支电子管（可在真空中控制电子流），很快便有了用对密封在管内的水银进行蒸馏产生的电弧来控制电流的水银整流器。

其性能与早期晶闸管极为相似。

1947年贝尔发明了晶体管，它应用硅二极管作为半导体，由于其优异的性能而得到广泛应用，到了1964年，晶闸管整流装置系统进一步成熟，逐步取代了早期的整流器，使变流技术发生翻天覆地的变化。

直流电机因为控制精度比较高且易于控制，一直被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。

直流电机起、制动性能非常理想，可以很方便的大范围内平滑调速，在快速正反转的运动控制领域中应用更是广泛。

直流调速技术是电力电子技术中发展较早的技术，在各方面都已趋于成熟，所以应首先弄清直流传动控制系统。

1.2研究课题的目的和意义V-M 系统一般是通过调节触发脉冲的相位来改变电压幅值从而实现平滑调速的。

但对高精度负载来说，正常的开环调速系统一般不能满足对静差率的要求，这时就必须要采用闭环控制系统。

闭环调速系统中，单闭环调速系统的调节作用受各个环节的迟滞，其抗扰动的能力较差。

而双闭环调速系统由于增添了一个内环反馈，扰动需要通过内外两环反馈，往往调速性能更为理想，因此，其在电气传动领域当被广泛采用，它有着优良的动、静态特性。

而且多种复杂的交、直流运动控制系统均是以其为基础，所以掌握双闭环调速系统对人们的生产生活有着至关重要的作用[1]。

1.3 设计要求和内容1.3.1调速系统设计要求1. 该调速系统可连续平滑调速，具有足够宽的调速范围。

2. 该控制系统具有优良的静态性能，无静差。

3. 该调速系统稳态性能：调速范围不小于20，静差率不大于百分之五。

4. 系统技术参数：电动机参数：=220V N U =53.0A N I1500min Nn r=1.2 0.58aRR电枢回路总电阻：=0.291.3.2 系统设计内容本设计基于转速、电流双闭环调速系统，主要包含以下几个方面。

1.根据题目要求，确定主电路与调速电路的构成，并绘出其原理图。

2.确定主电路各个元部件，并完成各个元部件主要参数的计算。

3.驱动电路的设计与完成。

4..绘制出整个系统原理图，并用Matlab仿真软件完成仿真分析作业。

2系统电路的结构和组成2.1 主电路的选择与确定在生产生活中并没有大规模存在的直流电，一般需要将三相电经整流环节整流成直流电后才能向直流电机供电。

当然，在这个过程中间必须有驱动电路与保护电路。

我们需要根据各个元件在电路当中的位置与作用来分别选择与计算各自参数，如图2-1所示为本设计系统电路设计框图。

图2.1 系统电路设计框图在V-M系统中，一般是用改变脉冲的相位的方法来改变输出电压，最终来实现调速。

由于本设计对直流脉动电压的要求比较高，再考虑经济性等方面，主电路选择三相全控桥整电路来供电。

由于该型电路输出电压的脉动较大，其所需要串接的平波电抗器的感抗值可相应减少近一半。

这是其电路的明显优点，且所需整流装置响应速度快、工作效率高，能量损耗小。

综合选晶闸管三相全控桥整电路供电[2]。

直流电机一般是通过改变电枢端电压、改变励磁、改变电枢回路总电阻这三种方法来实现调速的。

而改变电枢总电阻是无法实现平滑调速，减弱磁通的方式又会受到调速范围的制约，一般只是辅助调压方案，调压才是调速控制系统最理性的调速方式，电压调速一般需要有专用的供电电源，可控整流装置一般采用半控器件的代表--晶闸管，利用晶闸管的单向导电性和移相控制原理结合在一起的技术, 来实现平滑调压。

V-M系统主电路原理图如2-2所示：方法前文已叙，通过调节GT来移相，从而改变电压幅值来实现平滑调速[3]。

图2-2 V-M系统原理图主电路原理图如图2-3所示，三相全桥电路由三个晶闸管组成共阴极晶闸管组，另三个晶闸管接成共阳极晶闸管组，当两组晶闸管中承受电压模值最高的两个晶闸管同时也接到门极触发脉冲而导通的时候，整个电路构成一个完整的闭合回路。

晶闸管的触发角是相同的，每个周期内所有晶闸管都要按照编号轮流触发导通一次，每个晶闸管触发脉冲间隔60度。

当然，电路中也要有过电压、过电流等保护装置。

图2-3调速系统主电路原理图2.2双闭环调速系统的组成双闭环系统是在单闭环系统基础之上发展得来的。

单闭环系统虽已满足大部分负载的要求。

但是,在某些场合下单环系统并不能满足生产的需要。

比如，需要反复启停的负载就会对电机承受过载的能力有更高的要求,为满足这些高要求的负载，我们需要在闭环系统中添加电流负反馈环节。

实际当中系统除了要控制转速, 还需要经常快速启停,如车床等,为了有更好的效益,我们要求过渡过程也要尽可能短。

在启动的时候，启动电流会迅速达到峰值,而大部分时间内均小于该峰值, 这就说明电机在启动过程中其过载能力仍有很大潜力。

如果能使电机在大转矩下快速启动, 启动时间就会相应的缩短。

这就是理想的启动状态,电机的启动电流会迅速加大到最大允许值dm I ,且维持到转速增加到合适的大小后，电流再下降回正常值。

这个过程需要ACR 来调节电流，加上之前调节转速的调节器，这形成了双闭环调速系统。

如图2-4所示。

为了使两个负反馈都可以发挥作用，两者位置如图2-4。

，ACR 调节电流，在内环，ASR [4]为了得到更好的动、静态特性，本系统均选PI 型调节器。

采用比例积分型可是其输出稳态值与输入之间保持相对独立性。

调速系统的静态特性在负载电流没达到最大电流时以转速负反馈为主。

而负载电流过大的时候ASR 就会达到，这时ACR 就会发生作用，系统调节电流至新的稳定状态。

这就是两个PI 调节器内、外环两重调节的效果。

3主电路各器件的选择和计算3.1 整流变压器的计算和选择在绝大多数场合下，整流装置需要的电压与电网电压并不匹配；另外，为了实现两者之间的电气隔离，通常需要在两者之间装配整流变压器，在此选△-Y 型连接方式的整流变压器，以下分别计算其参数[5]。

(1) 2U 的计算为了维持系统的正常工作，变压器一次侧电压2U 不宜波动太大，对2U 产生影响的参数一般有：(1)负载电流的最大值。

(2)晶闸管本身导通的管压降。

(3)平波电抗器产生的电压降。

(4)电枢电阻的压降。

忽略这些因素，对本设计而言，2U 采用经验公式：2n =~1.0U （0.95） （3-1）计算得2U =120.6~127.0V ，取2U =125V (2) 2I 和2S 的计算不计励磁电流，根据磁动势平衡原理可知：111222N U K N U （3-2）查表3-1可知三相全桥电路12K =0.81602/d U U 0/d d U U cos2cos cos2cos C0.707 0.7070.5 0.522/I d K I I则三相全桥整大电感负载时二次侧电流：212dI =K I （3-3）解得2I =51.9A变压器二次侧额定容量2S 为：222=m U I S （3-4）解得2S =19.46KV A设计选择KVA 20的整流变压器。