探索晶闸管在直流电动机调速方法
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摘要：近年来，由于晶闸管自身的优点，晶闸管被广泛的应用于各个领域。晶闸管还可以运用于电动机的调速，本文详细介绍了晶闸管的调速原理及其在直流电动机中的应用，总结了调速关键注意事项，为晶闸管更好的应用于直流电动机提供了原理依据和实践指导，以便以后具有借鉴意义。
关键词：晶闸管、直流电动机、调速
中图分类号:TM921.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0015-02
1、引言
晶体闸流管简称晶闸管，又叫做可控硅整流元件（SCR），是一种由三个PN结构成的大功率半导体器件，在七十年代出现，晶闸管的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管具有硅整流器件的特性，能够在高电压、大电流条件下工作，并且工作过程可以被控制，由于这些特点晶闸管被广泛的应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。目前，在实际产品的电路中，晶闸管元件已经被广泛的应用到了调温、调光、自动控制系统等领域。
晶闸管的优点是体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大，正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏。晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只存在导通和关断两种工作状态。(1)晶闸管在导通状态，如果阳极电位高于阴极电位，且阳极电流大于维持电流，即使除去门极、阴极之间电压，仍然维持导通状态；如果阳极电位低于阴极电位或阳极电流小于维持电流，则由导通状态转为关断状态。(2)晶闸管在关断状态，如果阳极电位高于阴极电位，且门极、阴极之间有足够的正向电压，则由关断状态转为导通状态。
晶闸管的缺点是静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而导致误通电。
2、晶闸管的调速原理
2.1 晶闸管调速原理图(图1)
2.2 晶闸管调速原理分析
晶闸管调速是用改变晶闸管导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机端电压的有效值，实现调速的目的。在晶闸管承受正向阳极电压时间内，改变正向控制电压的输出时间，使正向控制电压相位角发生变化，晶闸管的导通角就随之产生相应的变化，负载上也将得到相应的输入电压，实现电动机速度的改变。
当晶闸管导通角α1=180°时，电动机端电压波形为正弦波，如图2所示，即全导通状态；当晶闸管导通角α1
3、晶闸管在直流电动机中的应用
随着新时代的进步和科技的飞速发展，电机的调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中的应用起着越来越重要的作用。因此，对于电机调速的研究对于工农业生产、交通运输以及日常生活均有着重要的意义。长期以来，直流电机已经被广泛应用于调速系统中，并且一直在调速领域占据了主导的地位，这主要是由于直流电机不仅调速方便的优点，而且在磁场一定条件下，它的转速和电枢电压成正比例，转矩很容易被控制；同时还具有良好的启动性能，能够比较平滑和节能地进行调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、造纸机、金属切削机床、高层电梯等领域中，由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，使其得到了广泛的应用。最近年来的交流调速系统发展很快，但是由于直流控制系统毕竟在理论和时间上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来分析，它又是交流系统的基础，由于直流调速系统的性能指标明显优于交流调速的系统。因此，直流调速系统一直在调速领域内占重要位置。
所谓的脉冲宽度调制就是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比值来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度的调制(PWM)。对于直流电机调速系统而言，其使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。其具体的规律如下：在脉冲的作用下，当电机通电时，速度增加；相反电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定的规律，改变电机通、断电时间，即可让电机转速得到控制。假设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为
Vd=Vmax・D （1）
式中，Vd――电机的平均速度；Vmax――电机全通时的速度（最大）；D=t1/T――占空比；平均速度Vd与占空比D的函数曲线，见图3所示。
由图3所示可以看出，平均速度Vd与占空比D之间并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许的时候，可以将其近似地看成是线性的关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，通过改变占空比D的大小，就可以控制电机的速度。
通过上面的分析可知：电机的转速与电机电枢电压成线性的比例关系，而电机电枢电压与控制波形的占空比也成正比，因此电机的速度与占空比成比例。随着占空比的越来越大，电机转得速度越快，当占空比D＝1时，电机转速达到最大值。
4、直流电动机调速注意问题
由于直流电动机具有启动转矩较大、启动和制动性能良好以及易于在比较宽的范围内实现平滑的调速，通过调节晶闸管的触发装置来控制其电压，从而准确地移动触发脉冲的相位，来实现晶闸管运用于直流电动机调速系统。通过大量的实践和研究总结了在调速过程中，应注意的关键点如下：
(1)晶闸管在直流电动机中，主要是通过调压来调节电动机的速度，属于恒转矩调速。对于电动机自己的转动来说，调速大致上是在转矩不变的条件下进行的，这与系统的调速性能大致相符，但是由于电动机主轴转动要求当速度下降时要求转矩随着也增大，以满足电动机在中、低速范围的要求。应该选择合理的电动机转速峰值，通过测试负反馈，提高系统调速精度。
(2)对于整个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、调速、反转和突然加减负载的过渡过程，这样就必须注意电机运行相关的动态指标（如稳定性、快速性和动态误差等）。实际上，这些指标的要求，在同一系统中往往是相互矛盾的，因此需要根据具体对象所提出的要求，首先应满足主要方面的性能指标，适当降低其他方面指标。
(3)对于整个调速系统，当速度值一定，同时对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围会变的越小。
(4)晶闸管整流器也存在缺点。由于具有单向导电性的晶闸管不允许电流反向，导致给系统的可逆运行造成困难。如果实现可逆运行，只能采用正反两组全控整流电路，所用的变流设备要随着增加一倍。
(5)晶闸管对过电压、过电流及其过高的电压、电流变化速度，其中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件，所以必须要有可靠的保护电路和符合要求的散热调节，同时在选择器件时还应留有一个适当的余量。
5、结语
晶闸管是一种大功率半导体器件。由于晶闸管容量大、整流可控、寿命长、能够在高电压大电流下工作等自身的优点，晶闸管被广泛应用。晶闸管还可以运用于电动机的调速，本文详细介绍了晶闸管的调速原理及其在直流电动机中的应用，总结了调速关键注意事项。以便为以后的应用提供借鉴。
参考文献
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