摘 要

在各种工业生产过程中，大多都要用到起重电磁铁这一设备。在许多大型工业车间里，起重电磁铁都在搬运钢板、生铁等含有铁磁物质的材料中扮演着非常重要的角色。其工作的原理是电流的磁效应。通过在电磁铁中通入一定大小的电流，使电磁铁产生相应的磁力，从而能够将含有铁磁物质的原材料(如废钢、铁块等)吸附起来，以便于进行搬运，完成生产、铸造等环节的前期准备工作。为了避免发生危险，保证起重电磁铁能够安全、可靠地进行工作，这就要求我们对起重电磁铁的电磁力控制系统进行合理的设计和优化，切实保障生产过程的安全、有序进行。因此，良好的起重电磁铁电磁力控制系统的研究和设计对起重电磁铁的稳定、可靠工作以及社会工业生产活动的顺利进行有着非常重要的意义。

本篇论文经过详细研究了电磁铁的磁滞回线的原理以及在实际生产工作中对起重电磁铁电磁力随实际情况而不断变化的需求，把起重电磁铁的完整运行过程划分成四个不同的阶段，包括强励磁阶段、恒励磁阶段、消磁阶段和反向消磁阶段，从电磁铁的原理和应用要求出发，设计了一种特殊的三相桥式整流电路以及能够对负载电流大小和方向进行调控的电路，由这两者共同组成起重电磁铁电磁力控制系统主电路。其中三相桥式整流电路的整流桥全部采用二极管，相当于控制角α为0°的三相桥式全控整流电路，能够把交流电压转换为直流电压，并保持直流电压的数值不变；通过调节IGBT 的导通顺序和导通时间控制电流的大小和方向。经过详细的理论上分析以及在Simulink仿真平台上的仿真验证后，所设计的控制系统的主电路可以满足对起重电磁铁工作性能的要求。

最后，为了提高起重电磁铁电磁力控制系统的稳态特性、动态特性，改善输出精度，使起重电磁铁能够根据实际应用要求进行控制调节，本文研究并采用了PI控制方法对起重电磁铁的电磁力变化进行调节和控制，在Simulink仿真平台上进行验证后，可以看到该起重电磁铁电磁力控制系统能够满足要求。

关键词：三相桥式整流电路；起重电磁铁；IGBT；磁滞回线；PI控制

Abstract

In various industrial production processes, equipment for lifting electromagnets is mostly used.In many large industrial workshops, lifting electromagnets play a very important role in the handling of materials containing ferromagnetic materials such as steel sheets and pig iron.The principle of its work is the magnetic effect of the current. By passing a certain amount of current into the electromagnet, the electromagnet generates a corresponding magnetic force, so that the raw material containing the ferromagnetic substance can be adsorbed to facilitate the transportation, and the preparatory work for production, casting, and the like is completed.In order to avoid danger, the lifting electromagnet can be safely and reliably operated. This requires us to rationally design and optimize the electromagnetic force control system of the lifting electromagnet to ensure the safe and orderly production process. Therefore, the research and design of a good lifting electromagnet electromagnetic force control system is of great significance for the stable and reliable operation of the lifting electromagnet and the smooth progress of social industrial production activities.

This paper has studied in detail the principle of the hysteresis loop of the electromagnet and the need to continuously change the electromagnetic force of the lifting electromagnet according to the actual situation in the actual production work. The complete operation process of the lifting electromagnet is divided into four. In a different stage, including the strong excitation phase, the constant excitation phase, the degaussing phase and the reverse degaussing phase, a special three-phase bridge rectifier circuit and the ability to load current are designed based on the principle and application requirements of the electromagnet. And the circuit for regulating the direction, which together constitute the main circuit of the electromagnetic force control system of the lifting electromagnet. The rectifier bridge of the three-phase bridge rectifier circuit adopts a diode, which is equivalent to a three-phase bridge type full-controlled rectifier circuit with a control angle α of 0°, which can convert the AC voltage into a DC voltage and keep the value of the DC voltage unchanged; The magnitude and direction of the current are controlled by adjusting the turn-on sequence and on-time of the IGBT. After detailed theoretical analysis and simulation verification on the simulink simulation platform, the main circuit of the designed control system can meet the requirements for the working performance of the lifting electromagnet.

Finally, in order to improve the steady-state characteristics and dynamic characteristics of the electromagnetic force control system of the lifting electromagnet, and improve the output accuracy, the lifting electromagnet can be controlled and adjusted according to the actual application requirements. This paper studies and adopts the PI control method for lifting electromagnetic The electromagnetic force change of iron is adjusted and controlled. After verification on the simulink simulation platform, it can be seen that the electromagnetic force control system of the lifting electromagnet can meet the requirements.

Key words: three-phase bridge rectifier circuit; lifting electromagnet; IGBT; hysteresis loop; PI control

目录

学位论文原创性声明 I

摘要 II

Abstract III

1.绪论 1

1.1研究背景 1

1.2实用意义 2

1.3电力电子技术的发展及应用 2

1.4论文主要研究内容 3

2.电磁力控制系统主电路及其工作原理 5

2.1起重电磁铁工作原理分析 5

2.2起重电磁铁电磁力控制系统主电路要求 6

2.3主电路所用器件及整流电路介绍 7

3.电磁力控制系统主电路分析及仿真 9

3.1搭建主电路图 9

3.2主电路四种工作状态分析 10

3.3主电路仿真 11

4.控制电路设计与仿真 14

4.1 PI控制方法 14

4.2控制电路仿真 15

结论 19

参考文献 20

致谢 22

1.绪论

1.1研究背景

一般来讲，人们对电磁铁的定义为：其内部带有铁心，能够通过利用通有一定电流的线圈来使其具有磁铁的磁性的装置。电磁铁的种类有很多，对电磁铁的分类方式有如下几种：按供给电流的性质分，电磁铁可以分为交流电磁铁和直流电磁铁两大类别;按照电磁铁的应用方式来分，主要可以分为制动电磁铁、牵引电磁铁、起重电磁铁等。起重电磁铁是否产生磁性可以通过用电流的导通和关断来控制；所产生的磁极的方向可以通过改变电流的方向来调节；产生的电磁力的大小则可通过改变电流数值或者线圈匝数来进行调控。在各种工业生产中，起重电磁铁经常扮演着起吊、运输钢铁等磁性材料的起重装置的角色，是工业生产中不可或缺的重要工具。

从推进技术革新和驱动工业发展等方面来看对起重电磁铁进行不断地改进、完善和创新是我们义不容辞的责任。基于起重电磁铁的设备如电磁起重机等，它们的最初工作方式比较单一，只有简单的励磁阶段和退磁阶段。励磁阶段就是通过让电流流过电磁铁上的线圈对电磁铁进行充磁，使电磁铁具有吸力，可以吸起钢板等铁磁材料和设备;退磁就是将电磁铁所形成的电磁场消除，使电磁铁不再具有吸力，实现将提起的钢板等重物放下。一次励磁阶段和一次退磁阶段相结合，这样就完成了一次吸料和放料的过程。伴随着科学技术的不断发展和实际工业生产需求的不断变化，在钢材等铁磁材料的吸料和放料的过程中，由于材料的厚度、重量以及均匀度等属性的不同，导致有些材料处于半吊起的状态或者悬挂等状态，这样仅仅只是单纯的励磁和退磁这两种工作状态已经不能够满足实际的生产运输的需求，这时候新的调磁这一工作状态的优势便得以展现出来。调磁就是通过调节输入电磁铁上的线圈的电流的大小来调节起重电磁铁产生的吸力，以适应不同的材料，保证能够将需要提起的材料牢牢吸附在起重电磁铁上。

在目前情况下，随着信息技术、电子技术的不断发展和网路的广泛应用，人们对于基于起重电磁铁的电磁起重机等设备提出了更高更严格的要求。比如要求同时提起多块板材以及分张放板等等。并且，在提出对于电磁起重机的功能的多样化的要求之后，又对各种模式的控制方法，以及各种策略的参数的设置等提出了更为复杂的要求和标准。通过提出应用于起重电磁铁磁力控制系统的各种模式下的控制方式，以及对于不同工作模式参数的设置，通过各种控制方法的结合以及调节各种工作模式的参数，这一切都使得基于起重电磁铁的各种电磁起重设备的功能更加多样化、控制更加合理化。

1.2实用意义

起重电磁铁是人类科技发展与生产活动紧密结合的产物，它能够产生十分巨大的磁场力，能够吸附搬运大到几十吨重的钢板、生铁，小到铁片、铁丝、铁钉、废铁等各种小体积铁磁材料，可以跳过打包、装箱等繁琐的准备工作，快速完成收集、运输工作，节省了大量的人力物力，也减轻了劳动者的负担。

对于那些安放在木箱中的钢铁材料和机器，起重电磁铁同样可以将他们吸附起来，完成搬运任务。当起重电磁铁处于工作状态时，我们只需要保证电磁铁线圈里电流持续流通不间断，就可以使得被吸起的重物一直保持吸附状态不会落下，相较于那些看似坚固，但仍有可能发生断裂的链条而言，看不见的电磁力具有更高的可信度。

当然，基于起重电磁铁的那些电磁起重机也有一定的不足和缺陷。比较关键的一个就是起重电磁铁不能搬运处于高温状态下的钢铁，因为高温状态下的钢铁不能够被磁化，因而无法被起重电磁铁吸附。基于起重电磁铁的较为大型的电磁起重机，能够一次性将数百吨的重物提起，效率远高于传统方式的起重机，因此基于起重电磁铁的电磁起重机被广泛应用于冶金、铸造、机械、物流等众多行业，用来吊运钢板、生铁等导磁金属散料或铁质仪器设备。

例如，基于起重电磁铁的电磁起重机等起重设备在大型的铁磁材料生产、铸造车间里得到了广泛的应用。这些车间在进行生产时，采用电磁起重设备将生铁、废钢等各种原材料运输到熔炼炉或者将出炉的产品搬运到指定地点。如果采用之前的人工搬运的方法，既会给工人带来安全隐患，又增加了人力成本，既不安全也不经济；同时也可以避免人为疏忽懈怠所造成的产品损伤，有利于提高产品的质量；起重设备能够以恒定的效率持续进行工作，不要休息，也提高了企业的生产率。这些优点从整体上提高了企业的经济效益，同时也大幅提升了相关行业的工作速度和运行效率。

1.3电力电子技术的发展及应用

对起重电磁铁的电磁力控制系统进行设计、优化，就必然要应用电力电子技术方面的知识、原理和器件，电力电子技术是整个电磁力控制系统的技术基石。也正是随着电力电子技术的不断更新和发展，为诸如起重电磁铁电磁力控制系统等能够提高社会生产力、推动社会发展的技术革新提供坚实的基础。

顾名思义，所谓的电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，它通过采用电力电子器件来实现对电能的变换和控制任务。电力电子技术与信息电子技术同属于电子技术，但前者倾向于处理电能，后者则倾向于处理信息，二者具有本质上的区别。

美国的通用电气公司于1957年成功研制出世界上第一个晶闸管，标志着电力电子技术这门学科的正式诞生。电力电子技术是由电子学、电力学以及控制理论组成的一门交叉学科。工作在开关状态的电力半导体器件是电力电子技术的核心，每一次在元器件特性上取得的新进展都会使得变换电路技术的相应方面取得新的突破。伴随着现代电力电子器件的不断发展和完善，电力电子技术在理论上的发展和在实际生产生活中的应用进入了一个崭新的天地。

伴随着电力电子技术以及控制技术的不断完善和发展，电力电子技术的应用领域变得越来越广泛，不同种类和性能的电力半导体器件根据各自的容量和性能在日益繁多的实际应用领域中各自扮演着自己的角色，发挥着自己的作用。例如：可关断晶闸管被主要用于机车牵引、大容量的不间断电源等；普通的晶闸管主要应用于直流输电以及大功率电源领域;IGBT（绝缘栅双极晶体管）和MOSFET（电力场效应管）则主要适用于那些频率较高、容量中等及以下的开关电源、电机控制、汽车电子等领域。对于不同的电力电子器件，所采用的控制方式也各不相同，其中比较常用的控制方式有斩控方式和相控方式。一般来说，对于半控器件则采用相控方式，而全控器件则采用斩控方式。除此之外，计算机技术和微电子技术的发展，使得用数字控制替代模拟控制得到了有效实现；采用计算机进行仿真的方式对电路的可行性进行验证，并在仿真中对电路的参数进行不断地优化和改进。这些技术的发展和应用也在很大程度上提高了电力电子电路的工作效率和运行性能。

现如今，电力电子技术已经在人们的社会生活、工业生产和国防建设等各种领域得到了十分广泛的应用。其中较为典型的应用领域有电力传动、电化学、电镀及电加工、中频感应加热、电机励磁、直流输电以及无功补偿等等。除此之外，电力电子技术在太阳能、核能、风能以及水力发电等备受关注的新的能源利用方式中的应用也越来越不可或缺。风能以及太阳能发电所需要的储能缓冲装置、核能发电的核聚变反应堆所需要的大容量脉冲电源以及水力发电中用于启动和调速的大型电动机，这一切与电力电子技术密不可分。

电力电子技术的不断发展与电力电子器件研制的不断突破密切相关。电力电子器件在未来的发展方向主要是易驱动、大容量、高频化、功率集成化以及模块化等。其中，功率集成电路能够实现将功率器件与驱动电路、控制电路、保护电路等集成起来，从而实现强电与弱电的相结合以及实现信息与动力的相统一,进而推动电力电子技术进入智能化时代。

1.4论文主要研究内容

本文认真分析、研究了起重电磁铁的工作原理和运行特性，详细分析了起重电磁铁的磁滞回线的特点以及实际工业生产运输对起重电磁铁的性能要求，把握起重电磁铁电磁力控制系统的设计要点和核心理论。起重电磁铁磁力控制系统的主电路主要是由三相桥式全控整流电路和负载电流控制电路所构成。其中，三相桥式全控整流电路的任务是实现电力变换，将交流电整流为直流电，获得起重电磁铁完成吸料、放料工作所需要的稳定直流输出；负载电流流向选择电路的作用是通过控制IGBT的导通时间和顺序来改变负载电流的大小和方向，从而满足起重电磁铁的励磁、去磁、反向消磁四个阶段对电流状态的需要。控制系统的主要任务是根据实际工作需要和起重电磁铁磁力的变化，对主电路进行相应的调节、控制来使起重电磁铁产生的电磁力能够稳定在符合运行要求的范围内。为此，本文研究了P、I、D三种基本控制方法，并将P、I两种方法应用于对起重电磁铁电磁力的控制当中，以PI控制策略为主体设计系统的控制电路。本文研究内容包括以下几点。

第1章主要介绍了起重电磁铁的研究背景、发展历程以及基于起重电磁铁的电磁起重机等起重设备在工业生产和运输活动中的重要作用，阐述了电力电子技术和电力电子器件的不断发展是起重电磁铁得到不断改进和完善的必要条件，最后简要概括叙述了本文主要完成的各项工作。

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