带停电保磁的起重电磁铁电气控制系统设计毕业论文

2020-03-26 14:47:02

摘要

起重电磁铁在大型车间中有着很大的应用，它的原理是利用通电线圈的磁效应将车间中的带有铁磁性的废料给吸起来，因为使用起重电磁铁的都是搬运比较大型的货物，所以起重电磁铁的安全和稳定就显得尤为重要，所以研究具有高工作性能的电磁铁电源就很有价值。

本文主要研究一个电磁铁的磁滞回线，将电磁铁的工作状态分为四个部分，然后使用三相全控整流电路和IGBT电路设计出一个适合电磁铁工作的电源，电源在工作的时候突然断电也是需要保证磁性的，这就需要一个停电保磁的装置来使电磁铁在断电的时候有备用电源，这里我们使用 PLC控制电路进行设计。这里的IGBT电路是进行电流的方向选择的电路，因为在电磁铁的使用过程中有吸料和卸料两种状态。本次设计通过仿真电路证明了本次设计是切实可行的。

在本次仿真中需要是用的是MATLAB中的SINULINK，这是一种可视化的仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境。是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的仿真和建模中，是一款功能很齐全和强大的软件。

关键词：起重电磁铁电源；MATLAB；三相桥式全控整流电路；停电保磁

Abstract

Lifting electromagnets have great application in large workshops. Its principle is to use the magnetic effect of the energizing coils to suck waste materials with ferromagnetic materials in the workshop because the lifting electromagnets are relatively large in handling. The goods, so lifting the safety and stability of the electromagnet is particularly important, so the study of high-performance electromagnet power is very valuable.
This paper mainly studies the hysteresis loop of an electromagnet, divides the working state of the electromagnet into four parts, and then uses a three-phase full-controlled rectifier circuit and IGBT circuit to design a power supply suitable for the electromagnet operation. Sudden power cuts also require magnetism and magnetism. This requires a power-failure device that requires an alternate power source for the electromagnets when they are powered off. Here we use a PLC control circuit to design. The IGBT circuit here is a circuit for selecting the direction of the current because there are two states of suction and discharge during the use of the electromagnet. This design has proved that the design is practical and feasible through simulation circuits.
In this simulation, it is necessary to use simulink in MATLAB. This is a visual simulation tool and is a block diagram design environment based on MATLAB. It is a software package for dynamic system modeling, simulation and analysis. It is used in the simulation and modeling of linear systems, nonlinear systems, digital control and digital signal processing. It is a very complete and powerful software .

Keywords: Lifting electromagnet power supply; MATLAB; three-phase bridge type full-controlled rectifier circuit; power failure protection

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2电磁铁简介 1

1.3电磁铁电源的发展历程 2

1.4选题意义、主要研究内容与方法 3

1.4.1选题意义 3

1.4.2主要研究内容与方法 3

第2章晶闸管和IGBT介绍 4

2.1晶闸管 4

2.1.1晶闸管的的触发开通过程 4

2.1.2晶闸管的静态特性分析 4

2.1.3 晶闸管的动态特性 5

2.2 IGBT 6

2.2.1IGBT的工作原理和结构 6

2.2.2 IGBT的基本特性 7

第3章电磁铁工作过程及主电路原理 9

3.1电磁铁的工作过程 9

3.2起重电磁铁电源主电路原理 9

3.2.1主电路的基本要求 9

3.2.2主电路的结构 10

3.2.3 三相全控桥式整流电路 10

3.3三相全控桥的定量计算 12

3.4停电保磁环节 13

第4章主电路结构分析及仿真 15

4.1主电路的结构 15

4.2主电路定量分析 15

4.2.1强励磁阶段 16

4.2.2恒励磁阶段 17

4.2.3消磁阶段 18

4.2.4反向励磁阶段 18

4.3仿真主电路及仿真结果分析 19

4.3.1仿真主电路 19

4.3.2仿真结果分析 22

4.4仿真主电路及仿真结果分析 22

44.1仿真主电路 22

4.4.2仿真主电路 24

4.4.3仿真主电路 25

第5章总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

致谢 29

附录 30

第1章绪论

1.1课题背景

起重电磁铁广泛应用于车间中重物的提取和牵引，人们一般把内部含有铁芯外面缠绕有通电线圈的带有磁性的设备叫做电磁铁，电磁铁在日常生活中有着极其广泛的应用，与生活紧密相连，类似的工作设备有电磁继电器，磁悬浮列车，电磁起重机等等，电磁铁一般能分为这样的两类，分别为直流电磁铁和交流电磁铁，另外按照用途来分的话可以分为以下五类^[1]：

（1）牵引电磁铁，主要用于牵引机械，开关各种阀门，来实现各种控制。

（2）起重电磁铁，可以用来起重各种钢铁，铁砂等各种铁磁性建筑用料。

（3）制动电磁铁，主要用来对电动机产生阻力来实现制动效果来达到准确停车的目的。

（4）自动化电气的电磁系统，类似于继电器装置的电磁系统。

（5）其他用途的电磁铁，例如磨床的电磁振动器或者电磁吸盘等。

1.2电磁铁简介

电磁铁最早是被斯特金1823年发现的，他偶然在一根不是磁铁的铁棒上缠绕了一些裸铜线，发现铁棒的周围出现了磁场，由此发现了绕有通电线圈的铁棒可以变成磁铁，这就是最早的电磁铁，但是当断电后，铁棒就不再具有磁性，不能吸引起铁块，在1829年后，亨利对斯特金的装置做了一些改进，它使用了带有绝缘皮的导线，这样绕组间就不会短路，因此可以将导线紧密的绕在一起，这样一来，电磁铁的磁性大大增强，因而使得电磁铁的将电能转化为电磁能的能力得到了很大的提高。

电磁铁拥有很多优点，磁性的大小和有无都可以通过电流的大小和开关的通断来控制，同时电磁铁的极性也可以有电源的方向来控制。

电磁铁一般是线圈、铁芯及衔铁组成，其中，衔铁和铁芯都是有软磁物质制作而成。根据电磁铁电源的结构，我们一把将其分为双轭型、单轭型和装甲电磁铁三个类型。

（1）双轭型电磁铁的特点及结构

双轭型电磁铁两个极头相对安装，需要的磁场强度有他们之间的气隙，电磁铁一般可以分为气隙固定和气隙可调两种类型，他是由线包、双磁轭、双极头和双极柱组成。两个极头之间相对安装，所需要的磁场强度由两个极头之间的气隙产生。由于气隙可调的电磁铁因为机械加工的原因使其气隙间的刚性比较差，但是气隙固定的电磁铁刚性则更好。两种磁铁的摆放都可以成角度或者直立。一般来说固定气隙的磁铁对于磁场的气隙更加严格，适用于磁场均匀度比较高的条件，同时，也可以通过改变极头尺寸来改变电磁铁磁场的气隙与强度。

（2）单轭型电磁铁的特点及结构

单轭型电磁铁一般也称U型电磁铁或外斯型电磁铁，它一般由双极头、双极柱和两个励磁线包组成。和双极型的一样，它的所需要的磁场强度也是又两个相对安装的极头间的空隙提供，这种电磁铁一般是都是直立放置，它的磁场一般很强，气隙宽度的调整裕度比较大，在生产生活中的应用比较广泛。它的刚性一般很差，所以主要应用于磁场成型设备。

（3）装甲型电磁铁的特点

装甲型电磁铁的构成和上面两种电磁铁的组成很相似，不过它的磁轭是全封闭的结构，就只是在上面开了一个小孔，便于操作。它的组成决定了他的刚性是最好的，也就是在产生相同的磁场强度的情况下，这种电磁铁所消耗的功率是最小的，但是现在使用的比较少，因为其相对来说没有什么操作空间。

1.3电磁铁电源的发展历程

电磁铁电源与一个配套的电磁铁可以形成大小和方向都可以调整的磁场，这是非常具有使用价值的。在出现晶体管电源以前，绝大部分电磁铁电源都是由变压器，整流器和滤波器组成，这种电磁铁电源的构成相对来说是比较简单的，但是他的功能比较差，输出的电压的精度和稳定性都不够。一般电磁铁的尺寸和功率都很大，所以在等效处理中我们可以把他当做一个很大的电感，由此可以知道在电源设计中，电源的输出精度和稳定都比较高，同时还应该能够方便的实现电磁铁方向和大小切换的要求，一个电磁铁需要有一个与之配套的功能强大的电磁铁电源才能充分的发挥电磁铁的优势。随着电力电子技术的发展，可以把电磁铁电源分为调压整流电源、晶体管线性电源、可控整流开关电源、晶体管整流电源和双极型混合电源这样几个阶段。下面来分别介绍^[2]：

调压整流电源：这种电源就是上面提到的构造最简单的电源，但是输出和稳定性较差。

可控整流开关电源晶体管线性电源：这种电源也是由变压器、滤波电路、整流电路、稳压电路和晶体管组成。这种电源的的输出精度和稳定性都比调压整流电源高，同时它的极性的调整是手动切换开关来实现的，但是由于其体积较大，功率很高，抗外界干扰的能力比较差，这种电源在现在的生产中是不能实现生活需要的，所以现在也被淘汰了。

这种电源是首先用变压器变压，然后通过二极管整流，滤波电路消除各种谐波，在使用功率开关器件和反馈装置对电源的极性和输出电流电压的大小进行控制。这种电磁铁电源的功率和效率都是很高的，可以满足我们生产生活中的部分要求，但是这种电源对周围附近的电子设备有比较大的影响，所一般从这一点来看是不建议将其与电磁铁一起使用的。

晶闸管整流电源：这种电源的结构更加简单，同时抗干扰能力强，工作稳定，精度高，被广泛的应用于电磁铁的配套使用。

双极性混合调节电源：这种电源一般是有自耦调压器、可控硅和晶体管线性调压电路组成。它的抗干扰能力、效率和调节精度都比较高，同时还有着非常稳定的输出，但是他的成本和体积都限制了他的广泛使用。

1.4选题意义、主要研究内容与方法

1.4.1选题意义

在时代的变迁中，电磁铁^[3]发展一直都是十分的快速与迅猛，起重电磁铁一直都是搬运铁制品最有效的工具，它的操作是的简洁与快速，被广泛应用于冶炼、机械、交通等领域，电磁铁配套使用的是电磁铁电源，电磁铁电源既是电磁铁的整流控制元件，同时也是电磁铁安全工作的保障系统，当电磁铁工作时突然停电，这时应能够自动切换电源，使得电磁铁有备用蓄电池给电磁铁工作，从而保证的电磁铁吸住物品不掉落，使得现场工作人员的安全能够有效得到保证，在本次设计中，应用到的有晶闸管整流模块和PLC控制技术，使得停电保磁的功能更加的有效与快速，进一步提高工作人员的安全。

1.4.2主要研究内容与方法

本设计在了解带停电保磁的起重电磁铁电气控制系统的工作需要基础上，进行系统总体设计及硬件单元模块的电路设计，利用智能晶闸管整流模块和PLC控制技术，采用两组反并联晶闸管全控桥方式实现电磁铁取放料操作的励磁和消磁；停电时备用电池的投入仍使用接触器。

第2章晶闸管和IGBT介绍

2.1晶闸管

2.1.1晶闸管的的触发开通过程

晶闸管一般在工程设计中又被称为晶体闸流管，晶闸管一般有阳极A、阴极K和门极G三个连接端组成。晶闸管的内部是PNPN四层半导体结构，当对晶闸管施加正向阻断电压时，同时对阴极和门极施加一个正的脉冲信号，这时晶闸管就相当于是开通状态，通常我们可以把晶闸管看成是PNP和NPN两个晶体管的组成，他们两个的并联在原理上与晶闸管相类似。晶体管的结构和等效电路如图2-1所示，流过电路的总电流可以看成

其中可以看到和是两个三极管的集电极电流，和是电流传输系数，当 =1时，我们从分母上面来看，分母为0，电流增加的速度会非常快，这是元件就相当于是开通状态，电流的最终值是由外部电路决定的。

图2.1晶闸管的结构及等效电路

2.1.2晶闸管的静态特性分析

晶闸管一般正常工作的时候的特性有：

（1）晶闸管只要导通了，它的门极就会立刻失去作用，同时，它的触发电流不管是不是还存在，晶闸管都会一直保持导通。

（2）当对晶闸管施加反向的电压的时候，不论晶闸管的门极是不是有触发电流，晶闸管都是不可能导通的。

（3）当对晶闸管施加正向的电压的时候，只有在晶闸管有触发电流的时候，晶闸管才会保持接导通。

（4）当晶闸管导通之后，只有在是外部对晶闸管施加一定的电压使得晶闸管电流降到零以下的时候，我们才能使晶闸管恢复到截止状态。

晶闸管的的伏安特性如图2.2所示：

图2.2晶闸管的伏安特性

当门极电流等于0时，我们如果对晶闸管施加正方向的电压，在这个时候晶闸管是处在正向导通状态，但是流过晶闸管的电流非常小，同时，如果正向电压超过了临界电压，这是电流会急剧增加，这是的电压被称为正方向的折点电压，晶闸管属于开通状态，从图中我们可以看出，随着门极电流的增加，正向转折电压的幅值是在不断地减小的，此时导通的晶闸管的伏安特性是与二极管是相类似的。导通的晶闸管即使通过很大的电流，在他上面的压降也是很小的，当电压较小时，这时晶闸管属于反向导通状态，电流很小，当电压超过某一限定值时，晶闸管的电流会急剧上升，这时晶闸管是被击穿了，这种状态对晶闸管的损伤是非常大的，晶闸管会因为发热而导致损坏^[4]。

2.1.3 晶闸管的动态特性

我们一般都认为晶闸管的工作是十分精密和细致的，在这里我们一般只是对其中大致过程做一个很浅的了解，在图3.1中我们可以看到晶闸管开通和关断的大致波形，一般来说他的开通是表达了门极在过零的时候受到的一定数量脉冲时的工作状态，它的关断就是说的当晶闸管在受到外界反向电压的时候由导通变为截止的工作过程。

开通过程：一般来说，晶闸管的工作受到影响是需要一定的时间的，由于外面存在一个很大的电感，阳极电流的增加是需要时间的，一开始不可能那么迅速，晶闸管的开通时间包括延迟时间、上升时间，开通时间为这两者之和。其中延迟电流受门极电流的影响较大，随着门极电流的增加而减小，上升时间一般可以反映外部电感得影响，但是最主要的还是反映晶闸管的内部特性。

关断过程：外部电路都是存在电感的，电路的电感是不能突变的，其中必然存在一个过渡过程，阳极电流衰减到零是，在这个时候晶闸管的内部会存在一个方向的电流，我们一般将之称为恢复电流，在达到一个巅峰之后这个电流就会逐渐的降低，当晶闸管的内部电流减到零的时候，如果存在一个反向的电压，这个时候，晶闸管就会恢复到最开始的截止状态，一般来说晶闸管的关断过程中会存在两个时间，这个时间包括正向阻断时间和反向阻断时间，这两个时间之和我们把它称之为关断时间。

图2.3晶闸管的开通和关断过程

2.2 IGBT

2.2.1 IGBT的工作原理和结构

IGBT是一种有3个端子的器件，它拥有集电极、发射极和栅极，如图2.4是一种双极型晶体管和N沟道MOSFET管组成的一种IGBT，从图中我们可以看出IGBT比VDMOSFET多了一层所以出现了一个很大的PN结，这样可以实现向区域发射少子，这样就调制漂移区域的电子，这样就使得IGBT拥有很强的通电能力，IGBT和MOSFET拥有相同的驱动原理，他们都是一种场控型电路，同时他们的开通和关断都是由发射极和栅极中的电压决定的，当这个电压大于开启电压时，MOSFET的内部形成导电通道^[5]，同时可以为IGBT提供所需要的基极电流，当栅极和发射极之间没有电压或者反向电压时，MOSFET中的导电通道消失，这样就没有基极电流了，就使得了IGBT关断。