中南大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)

1、前言：電力電子課程設(shè)計(jì)的意義：電力電子課程設(shè)計(jì)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中一項(xiàng) 綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)， 復(fù)習(xí)鞏固本課程及其他課程的有關(guān)內(nèi)容， 對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的 培養(yǎng)和實(shí)踐技能的訓(xùn)練具有相當(dāng)重要的意義。 通過(guò)設(shè)計(jì)獲得電力電子技術(shù)必要的 基本理論、 基本分析方法以及基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練， 為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事 與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)有關(guān)的技術(shù)工作和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)， 也便于 學(xué)生加深理解和靈活運(yùn)用所學(xué)的理論， 提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、 解決問(wèn)題的能力， 為畢業(yè)后的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介：自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后， 就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)

2、關(guān) 控制方式， 形成了脈寬調(diào)制變換器 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， 簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系 統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu) 越性：1. 主電路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；2. 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較?。?. 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 左右；4. 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾 能力強(qiáng)；5. 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適中時(shí)，開(kāi)關(guān) 損耗也不大，因而裝置效率高；6. 直流電流采用不控整流，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于以上優(yōu)點(diǎn)直流 PWM 系統(tǒng)應(yīng)用日益廣

3、泛， 特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性 能系統(tǒng)中，已完全取代了 VM 系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電 動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行， 且經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù) 反饋。目錄：一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 3二、主電路 42.1 主電路的設(shè)計(jì) 42.2 主電路器件選擇與參數(shù)計(jì)算 72.2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算 72.2.2 整流電路變壓器的選擇 82.2.3 電力二極管參數(shù) 92.2.4 濾波電容選擇 9225 MOSFET 的選擇92.2.6 續(xù)流二極管的選擇 102.2.7 主電路電感的選擇 10三、緩沖電路與保護(hù)電路 113.1 緩沖電路 113.11 緩沖電路設(shè)計(jì) 113.1

4、.2 緩沖電路元件選擇 133.2 保護(hù)電路 14四、驅(qū)動(dòng)電路 16五、控制策略的選擇 205.1 系統(tǒng)的控制方式 205.2 H型變換器的控制方式選擇 225.3 控制電路設(shè)計(jì) 245.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 245.3.2 電流調(diào)節(jié)器 255.3.3PWM 波發(fā)生器 26六、系統(tǒng)工作原理分析 27七、波形分析與 MATLAB 仿真 28八、總結(jié) 33九、參考文獻(xiàn) 34十、附圖 35、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求題目：直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)： P=1.5KW, U=220V, I=8.7A, N=1500; 他逆，勵(lì)磁電壓U=200V, 電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)電流倍數(shù) 1.52. 設(shè)計(jì)

5、內(nèi)容 主回路設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算，開(kāi)關(guān)器件選擇； 緩沖電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)和元件的選擇； 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)； 控制策略選擇； 系統(tǒng)工作原理分析及波形分析。3. 設(shè)計(jì)基本要求根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，認(rèn)真復(fù)習(xí)教材，閱讀有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)手冊(cè)及資料，獨(dú)立 按時(shí)完成任務(wù)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求簡(jiǎn)潔，通順，計(jì)算正確，圖表、圖紙規(guī)范， 符合工程設(shè)計(jì)要求。4. 編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)： 1.前言 2.目錄 3.正文 4.結(jié)論 5.參考文獻(xiàn)二、主電路2.1主電路的設(shè)計(jì)直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)首先要得到直流電源，因此在主電路中，要有將電網(wǎng) 的交流電變換為直流電的整流電路。整流電路的選擇：整流電路有單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波、三相橋式

6、等多種整 流電路。其中單相半波整流電路簡(jiǎn)單，但變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，造 成變壓器鐵心直流磁化，因而不采用；單相全波、單相橋式整流電路也有電路簡(jiǎn) 單的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出脈動(dòng)大。三相半波整流電路的主要缺點(diǎn)也是其變壓器二次側(cè) 電流中含有直流分量，為此很少應(yīng)用。選擇電容濾波的三相橋式不可控整流電路，其電路圖如下：圖2-1三相橋式不可控整流電路可逆PWM變換器主電路選擇:可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有 H型、T型等，T型電路由兩個(gè)可控 電力電子器件和兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于 引出反饋，適用于作為電壓低于 50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是 T型電路需要 正負(fù)對(duì)稱的

7、雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓， 在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為 H型電路的一半。T型電路圖如下：圖2-2 T型電路H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆 PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電 子器件和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電 力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。H型電路圖如下:圖2-3 H型電路因此總體主電路由電容濾波三相不可控整流電路和H型可逆PWM變換器電路組成?？傮w主電路圖如下：HVD1JVD3： VD5VT1VT3udTCUb1VT2|_|Ub2VD27；VD3VDUb3VT4Ub4圖2

8、-3主電路圖2.2主電路器件選擇與參數(shù)計(jì)算221電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算玲=1.5KW 厶:一匚8.7A;；二“:kn 他勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電壓!,：200V最大起動(dòng)電流倍數(shù)為則有:(1)估算電樞電阻Ra :Ra 231 UnIn Pn 10220 8.7 1.5 103iN8.722.73(2)計(jì)算Ce NC UnCe N1 N RanN220匹 0.1315008.7(3)計(jì)算Ct nCt N9.55Ce N 1.24(4)計(jì)算空載轉(zhuǎn)速n0UnCe N2200.131692rpm(5)計(jì)算啟動(dòng)電流l0l0 In 1.5 8.7A13.05A222整流電路變壓器的選擇 變壓器變比-考慮占空比為90%則嗎

9、=/0.8=275V取1 丄=2.34、1；= ：/2.34=117.5V考慮到10%的裕量Vj,=1.1*117.5=129.3V一、 二次線圈電流1=0.816 ??；於=5.68A變比K=g磯 g =220/129.3=1.7 ii= J ? =3.34A考慮空載電流取'_=1.05*3.34=3.51A 變壓器容量計(jì)算.=3*匸 iii-i=3*220*3.51=2316.6VA曲=3* 2)4=3*129.3*5.68=2203.3VAS=® 卜逼)/2=2060VA取變壓器容量為1 =2000VA 變壓器連接方式變壓器一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流入電網(wǎng)，變壓

10、器二次側(cè)接成 星形，即選用D/Y接法223電力二極管參數(shù) 電力二極管的反向重復(fù)峰值電壓 二.由以上計(jì)算_ =129.3V，電力二極管承受的反向重復(fù)峰值電壓為 2.45倍,同時(shí)考慮23倍的安全裕量，貝® "3*2.45*129.3=950V.取廠 =1000V。 電力二極管的正向平均電流:t),f該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算， 仍可按電感計(jì)算，只是電流裕量要適當(dāng)取大些。-=0.577 二=0.577*8.7*0.8=4.02A1時(shí),叨=2*),/1.57=2*4.02/1.57=5.12A濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，

11、要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故?。阂籣為2500。電容的額定工作電壓，-.取1.5倍電壓峰值。即：叫=1.5*C U ° J =1.5*1.414*129.3*1.732=453.8V .取-=500V .2.2.5 MOSFET 的選擇MOSFET所承受的最大正反電壓：、討一一二 一*129.3=302.6V考慮到3倍余量有，MOSFET勺電壓定額為:i 3一 =3*302.6=908V經(jīng)過(guò)MOSFE的平均電流為-二=fh*.=8.25A,因此流過(guò)MOSFE的電流有效值為8.25A，考慮到2倍的電流余量，則MOSFE的電流定額為：-=2/

12、1.57=10.51A所以，選擇MOSFE的參數(shù)為，其電壓定額為大于等于 846V,電流定額大于等于10.51A 的 MOSFET即可。續(xù)流二極管的選擇MOSFET承受的最大正反電壓：計(jì)犖 *= _*129.3=302.6V考慮到3倍余量有，MOSFET的電壓定額為：一3 =3*302.6=908V考慮2倍余量有，續(xù)流二極管額定電流為：曲訕=2* * /i£7=7.84A7.84A,額定電壓大于等于因此，續(xù)流二極管可以選擇其額定電壓大于等于846V。主電路電感的選擇為保證直流電機(jī)在可逆調(diào)速過(guò)程中電流連續(xù)范圍比較大， 可以選擇電感值較 大的電感，這里我們選擇30mH的大電感。三、緩沖電

13、路與保護(hù)電路3.1緩沖電路3.11緩沖電路設(shè)計(jì)MOSFET的常用緩沖電路有以下兩種形式川MOSFET .VD2CT孑圖3-3圖3-2開(kāi)通緩沖電路的選擇器件開(kāi)通時(shí)，串聯(lián)電感可以抑制電流的上升率 di/dt，減少開(kāi)關(guān)損耗，但是由 于電感元器件體積龐大，一般情況下MOSFET開(kāi)關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感， 其開(kāi)通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以改善。關(guān)斷緩沖電路結(jié)構(gòu)的選擇一般而言，在橋式功率電路中，應(yīng)該選擇橋式緩沖電路，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，改善緩沖效果。對(duì)于不同功率等級(jí)的應(yīng)用，應(yīng)考慮選擇不同的緩沖電路結(jié)構(gòu)，盡 可能使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在中小功率容量的應(yīng)用中，往往可并聯(lián)一個(gè)吸收電容。若 線路電感較小，也可

14、以只在直流側(cè)加 du/dt抑制電路。設(shè)計(jì)如下圖所示的緩沖電路Rs圖3-4 MOSFET橋型接法緩沖電路緩沖電路元件選擇為了防止因電路存在雜散電感：而產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓，應(yīng)在漏極和源極兩端 采用RC緩沖電路進(jìn)行過(guò)電壓的保護(hù)。如下圖所示，用于MOSFET漏源過(guò)電壓保護(hù)的緩沖電路的電路圖。該電路中利用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，來(lái)起到緩 沖作用。其中所串的電阻 甌丈用于限制緩沖電路所允許的最大電流。1. 緩沖二極管的選擇：緩沖二極管是RCD緩沖電路中的關(guān)鍵器件。緩沖二極管的選擇錯(cuò)誤，可能產(chǎn) 生較高的尖峰電壓并在緩沖二極管反向恢復(fù)時(shí)，電壓產(chǎn)生震蕩。緩沖二極管必須選擇快恢復(fù)二極管，要選擇過(guò)渡正向電壓低、逆

15、向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較 軟的快恢復(fù)二極管。對(duì)于額定電流，至少不小于主電路期間的1/10。所以選擇額定電流為2A的快恢復(fù)二極管。2. 緩沖電容的選擇：緩沖電容及緩沖電阻的取值可實(shí)驗(yàn)確定也可以參考工程手冊(cè)。緩沖電容要選 用高頻特性優(yōu)良的電容如薄膜電容器。 一般而言，除需要滿足必須的電壓等級(jí)之 外，緩沖電容所必須的容量值可按下式估算口口公式中：L是主電路的分布電感；一一是MOSFET斷時(shí)的集電極電流；叫”是緩沖 電容電壓的最終值；U是直流母線電壓。3. 緩沖電阻的選擇：對(duì)于緩沖電阻性能的要求是：在 MOSFET行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，能將緩沖電容上 積聚的電荷及時(shí)放電。如果將緩沖電阻值設(shè)定得過(guò)低，緩沖電

16、路中可能產(chǎn)生振蕩。MOSFET關(guān)斷時(shí)，以放電90%的積聚電荷為條件，可以用以下公式估算出緩沖電阻值' -疼企強(qiáng)公式中：f是功率期間的開(kāi)關(guān)頻率。3.2保護(hù)電路保護(hù)電路過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)。主電路中過(guò)電壓主要是泵升電壓?jiǎn)栴}， 在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由于減 速等原因而處于再生制動(dòng)狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能會(huì)經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成 電能，并通過(guò)功率器件回饋到直流母線側(cè)。 這些能量一般儲(chǔ)存在功率主電路的儲(chǔ) 能元件中，如不存在能量釋放電路，將會(huì)導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓升高，升高的這部 分電壓稱為泵升電壓。除此之外，還存在由于功率器件開(kāi)關(guān)所導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電壓。 瞬時(shí)過(guò)電壓主要是關(guān)斷過(guò)電壓以及換

17、相過(guò)電壓。 關(guān)斷過(guò)電壓是在主功率器件關(guān)斷 時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓；換相過(guò)電壓是與主功率器件反方向并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立即恢復(fù)阻斷，有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件 兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)電路英具有抑制以上各種過(guò)電壓的能力。過(guò)電流保護(hù)電路過(guò)電流保護(hù)可以分為過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)兩種情況。功率主電路中串聯(lián)快速熔斷器，快速熔斷器作為第一保護(hù)措施，一般僅在短 路電流較大的區(qū)域起到保護(hù)作用。有電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較器、交流接觸器及其線圈控制電路等構(gòu)成過(guò)電流保護(hù) 電路，一般的方式是，當(dāng)檢測(cè)電流為非正常過(guò)載電流使比較器翻

18、轉(zhuǎn)，進(jìn)而切斷交 流接觸器的控制線圈通電回路，使交流接觸器斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)主電路與電源的完 全分?jǐn)?。在這樣的過(guò)電流保護(hù)電路中，一般需要通過(guò)光電耦合電路將交流接觸器 控制線圈的驅(qū)動(dòng)電路和其保護(hù)電路隔離。保護(hù)電路圖如下圖所示:圖3-5保護(hù)電路接線圖四、驅(qū)動(dòng)電路鑒于對(duì) mosfet 的驅(qū)動(dòng)，由于其開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，且為電壓驅(qū)動(dòng)， 選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 最重要的是選擇其驅(qū)動(dòng)頻率能夠滿足要求， 正常的驅(qū)動(dòng) mosfet 管。因此在這里我們選用光耦合器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于TLP521工作頻率低，工作速度慢，轉(zhuǎn)換電流大等原因，而高速耦合器 6N137 可以克服以上的缺點(diǎn)，因此我 們選擇了 6N 1 37作為本系統(tǒng)的

19、驅(qū)動(dòng)芯片。光耦合器的優(yōu)點(diǎn)： 信號(hào)單向傳輸， 輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離， 輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳 輸效率高。光耦合器現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、 開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀 表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 （SSR、） 儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī) 接口中。在單片開(kāi)關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié) 控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。光耦合器的性能： 用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、 光接 收器為光敏三極管。 當(dāng)有電流通過(guò)

20、發(fā)光二極管時(shí)， 便形成一個(gè)光源， 該光源照射 到光敏三極管表面上， 使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流， 該電流的大小與光照的強(qiáng) 弱，亦即流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比。 由于光耦合器的輸入端和輸出端 之間通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸， 因而兩部分之間在電氣上完全隔離， 沒(méi)有電信號(hào)的反饋 和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?2pf 左右）、耐壓高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Q）,對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的 電氣性能。6N137驅(qū)動(dòng)芯片介

21、紹：6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AIGaAs LE環(huán)口一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè) 光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開(kāi)路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TT兼容，高速（典型為10MBd）, 5mA的極小輸入電流。特性：轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10MBit/s;擺率高達(dá)10kV/us;扇出系數(shù)為8;邏輯電平 輸出;集電極開(kāi)路輸出；6N137的工作原理及用法:6N137圖4-16N137內(nèi)部結(jié)構(gòu)6N137的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管，經(jīng)片內(nèi) 光通道傳到光敏二極管，反向偏置

22、的光敏二極管光照后導(dǎo)通， 經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后 送到與門(mén)的一個(gè)輸入端，與門(mén)的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能為高時(shí)與門(mén)輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。 當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閾 值或使能為低時(shí)，輸出高電平，腳 6是集電極開(kāi)路輸出端，通常加上拉電阻 RL 雖然輸出地點(diǎn)平時(shí)可吸收電路達(dá)13mA,但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級(jí)輸入電路的需要選擇 阻值。因?yàn)殡娮杼?huì)使 6N137耗電增大，加大對(duì)電源的沖擊，使旁路電容無(wú) 法吸收，而干擾整個(gè)模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選4.7k歐姆，若后級(jí)是TTL輸入電路，且只有1到2個(gè)負(fù)載，則用47k歐姆或15k歐姆 也行。使用中6N137有兩種邏輯輸出

23、，簡(jiǎn)單原理如下圖所示，若以腳2為輸入，腳3接地，則相當(dāng)于非門(mén)的傳輸，若希望在傳輸過(guò)程中不改變邏輯狀態(tài)，則從腳3輸入，腳2接高電平。其中RF為限流電阻，一般可取500歐姆左右。需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管教旁應(yīng)有一個(gè)0.1uF的去耦電容。 在選擇電容類型時(shí)，應(yīng)盡量選擇高頻特性好的額電容器，如陶瓷電容或鉭電容， 并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片內(nèi)部已 有上拉電阻，無(wú)需再接上拉電阻。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選擇邏輯傳輸狀態(tài)不變的接法，級(jí)3腳接輸入，2腳接高電平，用RF進(jìn)行限流，選擇470歐姆的限流電阻。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選擇邏輯傳輸狀態(tài)不變的接法，級(jí)3腳接輸

24、入，2腳接高電平，用RF進(jìn)行限流，選擇470歐姆的限流電阻。接法如下圖所示:圖4-2 6N137接線圖五、控制策略的選擇5.1系統(tǒng)的控制方式直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)的控制方式有開(kāi)環(huán)控制、速度反饋單閉環(huán)控制、速度電流雙閉環(huán)控制等，一下比較各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最佳控制方案。開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的原理框圖如下：速度給定 速度控制器 PWM發(fā)生器 驅(qū)動(dòng)器 H橋 電機(jī)圖5-1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖開(kāi)環(huán)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不反送到輸入端參與控制，即輸出速度與輸入速度給定之間沒(méi)有任何直接的聯(lián)系。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輸入量與輸出量之間 的關(guān)系是固定的。在內(nèi)部參數(shù)和外部負(fù)載等干擾因素不大的情況下，可

25、以采用開(kāi) 環(huán)控制系統(tǒng)。但是，當(dāng)各種無(wú)法預(yù)計(jì)的擾動(dòng)因素，是被調(diào)量產(chǎn)生的偏差超過(guò)允許 的限度時(shí)，則不能采用開(kāi)環(huán)控制而要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖如下：速度給定速度輸出圖5-2速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖速度反饋單閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性較軟，滿足不了較高的調(diào)速要求，根據(jù)生產(chǎn)工藝要 求，通常對(duì)某些生產(chǎn)機(jī)械的電力拖動(dòng)裝置提出更高的要求，速度反饋單閉環(huán)系統(tǒng) 提高了系統(tǒng)靜態(tài)特性的硬度。但是由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性大，因此速度反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)反應(yīng)速度慢， 存在 調(diào)節(jié)滯后、延時(shí)的問(wèn)題。速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖如下:速度、電流輸

26、出圖5-3速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖速度給定速度、電流反饋雙閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)速度、電流反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)很好的滿足了動(dòng)、 靜態(tài)性能，因此一般動(dòng)、靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。5.2 H型變換器的控制方式選擇一下分析各種H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式,方式的特點(diǎn)，并選擇一種合適的控制方式。（1）雙極式可逆PWM變換器VT3Ub3VT4Ub4圖5-4 PWM變換器四個(gè)電力晶體管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓波形相同，即 匚也令，VT1和VT4同時(shí) 導(dǎo)通和關(guān)斷;S , VT2和VT3同時(shí)

27、導(dǎo)通和關(guān)斷。而且州竹，一-和_ 相位相反，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi) VT1 , VT4和VT2 , VT3兩組晶體管交替地導(dǎo)通 和關(guān)斷，變換器輸出電壓叫滬在一個(gè)周期內(nèi)有正負(fù)極性變化，這是雙極式 PWM 變換器的特征，也是 雙極性”名稱的由來(lái)。雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)是：電流一定連續(xù)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象 限動(dòng)行；電動(dòng)機(jī)停止時(shí)的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時(shí)由于每個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬而有利于折可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，可達(dá)到很寬的調(diào)速范圍。雙極式可逆PWM變換器存在如下缺點(diǎn)；在工作過(guò)程中，四個(gè)電力 電子器件都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件 直通的事故，降

28、低了設(shè)備的可靠性。（2）單極式可逆PWM變換器單極式可逆PWM變換器和雙極式變換器在電路構(gòu)成上完全一樣，不同之處在于 驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一樣。左邊兩個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比工-卄：，具有和雙極式 一樣的正、負(fù)交替的脈沖波形，使 VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個(gè)器件 VT3、 VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則按電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號(hào)：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使矗恒為負(fù)，：嘔,恒為正，VT3截止VT4常通；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則使1辰、恒為正，一恒 為負(fù)，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化顯然會(huì)使不同階段各電力電子 器件的開(kāi)關(guān)情況和電流流通的回路與雙極式變換器相比有不同。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)電流方向連續(xù)不變；負(fù)載較輕時(shí)，

29、電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)也會(huì)變向。（3）受限單極式可逆PWM變換器單極式變換器在減少開(kāi)關(guān)損耗和提高可靠性方面比雙極式比雙極式變換器好，但是還是有一對(duì)晶體管 -和妁譽(yù)交替導(dǎo)通和關(guān)斷，仍有電源直通的危險(xiǎn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在0琲期間，一:是一直截止的。同樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),讓恒為負(fù)，一一一直截止，這樣，就不會(huì)產(chǎn)生 家一.號(hào)直通的故障了。受限單極式可逆變換器在負(fù)載較重時(shí)，電流i:在一個(gè)方向內(nèi)連續(xù)變化，所 有電壓、電流波形都和一般單極式變換器一樣。但是在負(fù)載較輕時(shí)，由于有兩個(gè) 晶體管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不肯能導(dǎo)通，因而不會(huì)出現(xiàn)電流變向的情況，在連續(xù) 期間電流衰減到零時(shí)，波形便中斷了，這是電樞兩端電壓跳變到_“=

30、E這種輕載電流斷續(xù)的現(xiàn)象將使變換器的外特性變軟。它使PWM調(diào)速系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能變差。經(jīng)過(guò)綜合比較，雙極式可逆PWM變換器的控制方式簡(jiǎn)單，利集成芯片SG3525 SG3524等可以方便實(shí)現(xiàn)，且可以保證上下 MOSFET不同時(shí)導(dǎo)通，即保 證了可靠性。5.3控制電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速反饋電路圖如下，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波圖5-5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器532電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示。電流調(diào)節(jié)器如下圖所示：圖5-6電流調(diào)節(jié)器波發(fā)生器設(shè)計(jì)PWM波發(fā)生器由專用的PWM控制芯片

31、SG3525為核心構(gòu)成，控制電路 輸出占空比可調(diào)的矩形波，其占空比受"控制。其具體接線圖如下：其中口是給定與速度反饋比較后經(jīng)ACR其輸出與電流反饋比較經(jīng)過(guò)ASR 其輸出即為：VCC圖5-7 PWM波發(fā)生電路六、系統(tǒng)工作原理分析EiFl一止圖6-1 主電路圖圖6-2 控制電路圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如上圖所示。 在該雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路 采用H橋式電路，控制電路中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào) 節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制直流斬波器的觸發(fā)裝置， 從而對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆調(diào)速。電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣 就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系

32、統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流 兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出 限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最 大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值， 起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。七、波形分析與 MATLAB仿真整流電路 電網(wǎng)380三相電壓經(jīng)過(guò)整流變壓器，由三相不可控整流電路實(shí)現(xiàn)整流,其MATLAB仿真電路如下:一&#

33、174;一 一feC -J lta£j= S=urs2£i遠(yuǎn) 7 iEAiQ： HiunteZ=二：Fl整流后波形如下:經(jīng)過(guò)電容濾波后波形如下:橋式直流PWM變流器（雙極性調(diào)制）的MATLAB仿真模型如下圖所示：j/Olt-riQS Sc-J-Ct1Curler: hleesiunerr-ent；E-eriei «l£rn=e哺0l<IIP&-V :hage Pflensusc .''aba e&de耳橋式直流PWM變流器中VT1、VT4驅(qū)動(dòng)脈沖如下:BJgg El 二BE3»®S 0:I lit