晶闸管整流直流电动机调速系统.doc

晶闸管整流直流电动机调速系统设计
概述：许多机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流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，相当长时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，应用最广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
本此设计主要：就是针对直流调速装置，利用晶闸管相控整流技术，结合集成触发器芯片和调节器，组成晶闸管相控整流直流电动机调速系统，主要应用的芯片是TCA785集成移相触发控制芯片，实现调速系统。同时设计出完整的电气原理图，将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。

关键词：双闭环 直流调速 晶闸管 相控
1 设计意义及要求
1.1 设计意义
电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电半导器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制装置。
通过此次课程设计要求学会电力电子装置的设计，能够利用相控整流装置对直流电动机进行调速系统的设计。
1.2 设计要求
本次课程设计的题目是晶闸管相控整流直流电动机调速系统设计。
已知直流电动机参数：=3KW，=220V，=17.5A，=1500。要求采用集成触发器及调节器构成转速电流闭环的直流调速系统。设计绘制该系统的原理图，并计算晶闸管的额定电压和额定电流。

2 系统电路设计
根据设计的要求，可将设计分为两大部分，一是主电路及系统原理图，二是控制电路，系统原理图部分我们采用的是三相全控整流装置，在这里我们使用三个TCA785芯片以便满足设计的要求，同时要加入转速电流双闭环系统，更好的实现调速的要求，达到稳定的速度效果。电路原理总图见附录。
2.1 系统主电路
晶闸管相控整流电路有单相、三相、全控、半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，如图1所示。在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。
图1 三相桥式全控整流主电路图
系统采用转速、电流双闭环的控制结构，原理框图如图2所示。两个调节器分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反馈的结构上看，电流调节环是内环。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用ＰＩ调节器。这样组成的双闭环系统，在给定突加的过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态中又表现为无静差调速系统，可获得良好的动态及静态性能。
图2 转速电流双闭环的系统原理框图
2.2 控制电路
控制电路主要包括触发器、速度调节器、电流调节器、检测电路等组成。
2.2.1 触发电路设计
设计触发电路，在这里我们采用TCA785芯片（图3）。
TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。
由于TCA785芯片具有更好的特性，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽，在现在要求调速系统特性越来越高的环境下，本次设计采用的就是TCA785芯片。
图3 TCA785芯片
其中5脚为外接同步信号端，用于检测交流电压过零点。10脚为片内产生的同步锯齿波，其斜坡最大及最小值由9、10两脚的外接电阻与电容决定。通过与11脚的控制电压相比较，在15和14脚可输出同步的脉冲信号，因此，改变11脚的控制电压，就可以实现移相控制，脉冲的宽度则由12脚外接电容值决定[1] ，当选择双窄脉冲的驱动方式时，12脚应接150pF电容。实际上，有几十个微秒的脉冲宽度即可使晶闸管正常导通。
利用TCA785芯片实现三相桥式相控整流的一般方法是利用三相同步变压器从电源进线端引入三路同步信号，这样，将同步信号整形后分别输到三片TCA785（编号为A,B.C）的5脚，能控制6只晶闸管，然后通过引脚复用即可实现双窄脉冲方式驱动。双窄脉冲方式由于驱动脉宽窄，因而可以有效地减小驱动用脉冲变压器的体积，防止磁芯饱和[2]。该方法的主电路及同步变压器如图2所示，三片TCA785片的引脚与所控制的晶闸管的对应关系如图4所示。晶闸管通过一个型同步变压器为TCA785提供同步信号，当进线相序为正序A、B、C时，同步变压器的三个输出端所对应的中性点的实际电压向量为AC、BA、CB，将AC接至TCA785（A），BA接至TCA785（B），CB接至TCA785（C）。即可实现正序输入时晶闸管的同步驱动。
TCA785引脚
晶闸管
晶闸管
785（A）15脚
T1
T6
785（C）14脚
T2
T1
785（B）15脚
T3
T2
785（A）14脚
T4
T3
785（C）15脚
T5
T4
785（B）14脚
T6
T5
图4 三片TCA785引脚及其对应的晶闸管
2.2.2 调节器的设计
电流调节器对其输入信号（给定量和反馈量）进行加减、比例、积分、微分、延时等运算。它由以下几部分组成：运算放大器、二极管限幅电路、互补输出的电流调节器、输入阻抗网络和反馈阻抗网络等。速度调节器电路与电流调节器结构形式完全相同。
图5为转速电流双闭环调速系统的原理图，图中两个调节器ASR和ACR分别转速调节器和电流调节器，二者串级联接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置，电流环在内，称之为内环，转速环在外，称之为外环。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。两个调节器输出都带有限幅，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。
图5 双闭环直流调速系统
2.2.3 检测电路
图6 电流检测电路
电流反馈焊接由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的电流电压信号和过流信号。速度反馈环节把测速发电机输出电压变换成适合控制系统的电压信号。电流检测电路和速度检测电路如图6和图7所示。
图7 速度检测电路
3 晶闸管参数计算
已知直流电动机参数：=3KW，=220V，=17.5A，=1500。可以求得晶闸管通态电流平均值为：
=（1.5~2）K
=（1.5~2）×0.367×1.2
=（1.5~2）×0.367×1.2×17.5
=11.4975~15.33 （A）
晶闸管额定电压为：
=（2~3）
=（2~3）×
=（2~3）××220
=1077.8~1616.7 （V）

总结与体会
这次的论文设计应用了电力电子技术、电机拖动技术以、电力拖动技术等学科的知识。做完此次论文设计后，对这些学科都有了进一步的熟悉和掌握，并且能够将所学的知识结合起来应用，这是本次论文设计的最大收获。
本次论文设计是设计晶闸管相控整流直流电动机调速系统。为了完成这个论文设计，我通过大量的查找资料，对电动机的调速有了比较系统的认识。同时还对TCA785芯片更加的熟悉，掌握了该芯片的应用方法。为了画出该系统的电路原理图，还用到了Protel软件，熟悉了该软件的应用。
经过这次的论文设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的论文设计从查找资料，到确定方案，通过自己查找资料，了解情况，让我对所学的知识有了更好的了解，并且让我知道了所学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。
参考文献
[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统(第3版).北京：机械工业出版社,2003.7
[2] 胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，2002.4
[3] 陈坚.电力电子学（第二版）.北京：高等教育出版社，2004.6
[4] 杨荫福.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006.9
[5] 王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用手册.北京: 机械工业出版社,2002
[6] 黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2001.8

电路原理总图

电力电子论文设计

题目：晶闸管整流直流电动机调速系统
姓名：宋红娜
班级：电子（2）班
学号：100102213
辅导老师：郎文飞
日期：2012-10-28