電力電子技術課程設計--直流雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc8958 1 任務分析 PAGEREF _Toc8958 1 HYPERLINK l _Toc18680 概述 PAGEREF _Toc18680 1 HYPERLINK l _Toc18152 1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構圖 PAGEREF _Toc18152 2 HYPERLINK l _Toc1326 1.3 橋式可逆PWM變換器的工作原理 PAGEREF _Toc1326 2 HYPERLINK l _Toc19211 1.4 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 PAGEREF _Toc19211 4 HYPERLINK l _To

2、c15511 2 電路設計 PAGEREF _Toc15511 5 HYPERLINK l _Toc3837 PAGEREF _Toc3837 5 HYPERLINK l _Toc4439 2.2 雙環(huán)調(diào)節(jié)器電路 PAGEREF _Toc4439 6 HYPERLINK l _Toc4501 2.2.1 電流調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc4501 6 HYPERLINK l _Toc24362 2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc24362 6 HYPERLINK l _Toc7920 2.3 信號產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc7920 7 HYPERLINK l _Toc2

3、7581 2.4 驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc27581 9 HYPERLINK l _Toc4074 PAGEREF _Toc4074 10 HYPERLINK l _Toc14041 3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc14041 11 HYPERLINK l _Toc11800 3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 PAGEREF _Toc11800 11 HYPERLINK l _Toc20713 3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 PAGEREF _Toc20713 12 HYPERLINK l _Toc10429 3.3 參數(shù)的校驗 PAGEREF _Toc10429 13 HY

4、PERLINK l _Toc4764 3.3.1 電流參數(shù)的校驗 PAGEREF _Toc4764 13 HYPERLINK l _Toc10843 3.3.2 轉(zhuǎn)速參數(shù)的校驗 PAGEREF _Toc10843 14 HYPERLINK l _Toc9911 3.3.3 校驗退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)量 PAGEREF _Toc9911 15 HYPERLINK l _Toc23497 4 心得體會 PAGEREF _Toc23497 16 HYPERLINK l _Toc8017 參考文獻 PAGEREF _Toc8017 17附錄 HYPERLINK l _Toc8017 HYPERLINK l _

5、Toc8017 PAGEREF _Toc8017 18直流雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)設計1 任務分析1.1 概述采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進行調(diào)制的一種直流斬波器，脈寬調(diào)制，是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期到達變壓的目的。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1主電路線路簡單，需用的功率器件少。2開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達1：100

6、00左右。4假設是與快速響應的電機配合，那么系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強。5功率開關器件工作在開關狀態(tài)，道通損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高。6直流電流采用不控整流時，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于有以上優(yōu)點直流PWM系統(tǒng)應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為到達更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負反應和電流截止負反應。1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出

7、去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，到達設計要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構簡化圖1.3 橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2所示。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖2 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如

8、圖3所示。圖3 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉(zhuǎn)表達在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，那么的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，那么反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，那么電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)那么在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當時，電

9、動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1電流一定連續(xù)。2可使電動機在四象限運行。3電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比擬簡單，電壓平衡方程如下

10、. 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成那么機械特性方程式2 電路設計橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖4所示。PWM變換器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時開關將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能

11、，電動機制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓到達允許值時接通。圖4 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路此電路用于產(chǎn)生15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準電壓，如圖5所示：圖5 給定及偏移電源電路2.2 雙環(huán)調(diào)節(jié)器電路為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比擬，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反應的關鍵是對被控量進行采樣與測量。2.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測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，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡

12、反應信號的延遲，在給定通道上參加同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。圖6 轉(zhuǎn)速反應電路 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反應電路如圖7所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反應電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也參加相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖7 轉(zhuǎn)速反應電路2.3 信號產(chǎn)生電路PWM生成電路如圖8所示，SG3524生成的PWM信號經(jīng)過一個非門轉(zhuǎn)為兩路相反的PWM信號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間參加電容、進行邏輯延時，后面再加上非門和與門構成的電路。圖8 PWM生成電路本設計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。

13、根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)?、值即可確定振蕩頻率。由初始條件知開關頻率為10kHz，可以選擇，。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS(固定頻率開關電源)提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構成的PWM型開關電源的工作頻率可達100kHz,適宜構成100-500W中功率推挽輸出式開關電源。SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構成的根本電路如圖9所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精

14、度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。圖9 SG4532管腳構成的電路圖SG3524的基準源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源,它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM比擬器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準電壓,振蕩器先產(chǎn)生0.6V-3.5V的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524的6腳、70.1F,其最高振蕩頻率為300kHz。 開關電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差

15、放大器的反相輸入端,與同相端的基準電壓進行比擬后,產(chǎn)生誤差電壓Vr,送至PWM比擬器的一個輸入端,另一個那么接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比擬器輸出的脈寬調(diào)制信號。2.4 驅(qū)動電路IGBT驅(qū)動采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列如圖10所示。 圖10 IR2110管腳圖它的各引腳功能如下： 腳1LO是低端通道輸出；腳2COM是公共端；腳3Vss是低端固定電源電壓；腳5Us是高端浮置電源偏移電壓；腳6(UB)是高端浮置電源電壓；腳7HO是高端輸出；腳9VDD是邏輯電路電源電壓；腳10HIN、腳11SD、腳12LIN均是邏輯輸入；腳13Vss是邏輯電路地電位端外

16、加電源電壓，其值可以為0V；腳4、腳8、腳14均為空端。IGBT驅(qū)動電路如圖11所示。IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為1020V，邏輯電源電壓范圍為515V，邏輯電源地電壓偏移范圍為5V5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流2A，負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關斷延時為94ns

17、。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。 圖11 IGBT驅(qū)動電路轉(zhuǎn)速檢測電路如圖12。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反應電壓，與給定電壓相比擬后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖12所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反應系數(shù)。圖12 轉(zhuǎn)速檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖13所示。3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路結構如圖13所示，由單刀雙擲開關控制電機轉(zhuǎn)向，滑動變阻器RP1、RP2分別調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速，RP3可以改變電流的限幅值，下面分別按設計要求

18、計算電路中的各個參數(shù)。轉(zhuǎn)速反應系數(shù)電流反應系數(shù)圖13 電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路計算調(diào)節(jié)器參數(shù)之前，先根據(jù)電動機的額定參數(shù)計算電動勢系數(shù)，額定狀態(tài)運行時于是可得3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算電流調(diào)節(jié)器按典型型系統(tǒng)設計，根據(jù)無凈差要求，選用PI調(diào)節(jié)器。先確定電流環(huán)時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)PWM調(diào)壓系統(tǒng)的滯后時間電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù)電流開環(huán)增益:因要求，故應取，因此于是ACR的比例系數(shù)為計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運算放大器，取各電阻和電容值計算如下：3.2

19、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算首先確定轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)測速發(fā)電機的紋波情況??；轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)盡速處理取根據(jù)設計要求，轉(zhuǎn)速環(huán)應該設計為典型型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器也采用PI型，其傳遞函數(shù)為根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原那么取那么ASR超前時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是ASR的比例系數(shù)為調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示，按所用運算放大器，取各電阻和電容值計算如下：3.3 參數(shù)的校驗 電流參數(shù)的校驗校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率校驗PWM調(diào)壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因為，所以滿足近似條件。校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。校驗小時間常

20、數(shù)近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件。 轉(zhuǎn)速參數(shù)的校驗校驗近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足簡化條件。校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。 校驗退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，查表得，n=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，直流電機參數(shù)：PN10 KW，UN220 V，IN100 A，nN1000 r/min，Ra0.4，直流它勵勵磁電

21、壓220V，電流1.6A；PWM裝置放大系數(shù)Ks=40；時間常數(shù)Tm=0.1s，Tl=0.03s；永磁式測速發(fā)電機參數(shù)為：23W，110V，0.21A，1900 r/min， 當時，；而，因此均滿足設計要求。系統(tǒng)的整體電路結構見附錄。4 心得體會這次課程設計歷時一周，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以穩(wěn)固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。經(jīng)過這次課程設計我感受頗多。在正式進行設計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。課程設計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦，理論與實際的相互結合，