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文檔簡介
1、<p><b> 摘 要</b></p><p> 本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究,并設(shè)計出應(yīng)用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程,提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢,指出了未來PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景,點出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機的調(diào)速方式很多,其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛,而PWM變頻器中,H型PWM變頻器性能尤為突
2、出,作為本次設(shè)計的基礎(chǔ)理論,本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此基礎(chǔ)上,本文將做出SG3525單片機控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計,然后對各個部分分別進行論證,力圖在每個組成單元上都達到最好的系統(tǒng)性能。 </p><p> 關(guān)鍵詞:直流調(diào)速; PWM ;SG3525 ;調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p><b> 目錄</b></p><
3、p><b> 1 緒論1</b></p><p><b> 1.1 背景1</b></p><p> 1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計2</p><p> 1.2.1 設(shè)計已知參數(shù)2</p><p> 1.2.2 設(shè)計指標2</p><p>
4、 1.2.3 現(xiàn)行方案的討論與比較2</p><p> 1.2.4 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由3</p><p> 1.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由3</p><p> 1.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由4</p><p> 2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計4</p><p> 2
5、.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計4</p><p> 2.1.1 PWM變換器介紹4</p><p> 2.1.2 泵升電路8</p><p> 2.2 參數(shù)設(shè)計8</p><p> 2.2.1 IGBT管的參數(shù)8</p><p> 2.2.2 緩沖電路參數(shù)9</p><p&g
6、t; 2.2.3 泵升電路參數(shù)10</p><p> 3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)壓電源設(shè)計10</p><p> 3.1直流脈寬原理10</p><p> 3.1.1單相半波整流電路10</p><p> 3.1.2單相全波整流電路11</p><p> 3.1.3單相橋式整流電路11</p
7、><p> 3.2 方案的優(yōu)缺點11</p><p> 3.2.1單元電路設(shè)計與參數(shù)計算11</p><p> 4 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計12</p><p> 4.1 PWM信號發(fā)生器12</p><p> 4.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計13</p><p> 4.2
8、.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計13</p><p> 4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計13</p><p><b> 5 系統(tǒng)調(diào)試14</b></p><p> 5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖14</p><p> 5.2 系統(tǒng)單元調(diào)試15</p><p> 5.2.1 基本調(diào)速15<
9、/p><p> 5.2.2 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定15</p><p> 5.3 實驗結(jié)果16</p><p> 5.3.1 開環(huán)機械特性測試16</p><p> 5.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定17</p><p><b> 6 總結(jié)18</b>&
10、lt;/p><p><b> 7 參考文獻19</b></p><p><b> 附錄A20</b></p><p> A.1 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定20</p><p> A.2 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)性能測試24</p><p><
11、;b> 1 緒論</b></p><p><b> 1.1 背景</b></p><p> 在現(xiàn)代科學技術(shù)革命過程中,電氣自動化在20世紀的后四十年曾進行了兩次重大的技術(shù)更新。一次是元器件的更新,即以大功率半導體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機組,以線形組件運算放大器取代電磁放大器件。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計算機技術(shù)用于電氣工程,控制
12、器由模擬式進入了數(shù)字式。在前一次技術(shù)更新中,電氣系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計思想和理論概念上的一個飛躍和質(zhì)變,電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統(tǒng)中,電力拖動及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分。</p><p> 現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理,整個系統(tǒng)一般都可以用低階近似。而以運
13、算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(luò)(調(diào)節(jié)器),和由 R、C等元件構(gòu)成的無源校正網(wǎng)絡(luò)相比,又可以實現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p> 目前,隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展,交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟并日漸成為實際應(yīng)用的主流,但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實際應(yīng)用的舞臺。相反,近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇
14、到了瓶頸,于是直流調(diào)速的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。直流調(diào)速仍然是目前最可靠,精度最高的調(diào)速方法。譬如在對控制精度有較高要求的造紙,轉(zhuǎn)臺,輪機定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置,因此加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。</p><p> 1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計</p><p> 1.2.1 設(shè)計已知參數(shù)</p><p> 1、拖動設(shè)備:直流電動機:
15、 ,過載倍數(shù)。</p><p> 2、負載:直流發(fā)電機: </p><p><b> 3、機組:轉(zhuǎn)動慣量</b></p><p> 1.2.2 設(shè)計指標</p><p> 1、D=4,穩(wěn)態(tài)時無靜差?! ?lt;/p><p> 2、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n=1500r/min, 負載電流0.8A
16、。</p><p> 3、電流超調(diào)量,空載起動到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。</p><p> 1.2.3 現(xiàn)行方案的討論與比較</p><p> 直流電動機的調(diào)速方法有三種:調(diào)節(jié)電樞供電電壓U、改變電動機主磁通、改變電樞回路電阻R。</p><p> 改變電阻調(diào)速缺點很多,目前很少采用,僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或
17、低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大,往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用,在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。</p><p> 改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法,調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源,常用的可控直流電源有三種:旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。</p><p&g
18、t; 由于旋轉(zhuǎn)變流機組缺點太多,采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組,形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點,而且縮短了響應(yīng)時間。目前,采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p> 由于以上種種原因,所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p> 1.2.4 選擇P
19、WM控制系統(tǒng)的理由</p><p> SG3525是一種性能優(yōu)良,功能全,通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活,大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試,故獲得廣泛使用。</p><p> PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 :</p><p> 1) PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單,需用的功率器件少。</p><p>
20、; 2) 開關(guān)頻率高,電流容易連續(xù),諧波少,電機損耗及發(fā)熱都較小。</p><p> 3) 低速性能好,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍廣,可達到1:10000左右。</p><p> 4) 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合,則系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)快。</p><p> 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受,成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法,在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是
21、已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見,變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中,PWM調(diào)速方式尤為大家所重視,這是我們選取它作為研究對象的重要原因。</p><p> 1.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由</p><p><b> IGBT的優(yōu)點:</b></p><p> 1)IGBT的開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小。
22、</p><p> 2)在相同電壓和電流定額的情況下,IGBT的安全工作區(qū)比GTR大,而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。</p><p> 3)IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低,特別是在電流較大的區(qū)域。</p><p> 4)IGBT的輸入阻抗高,其輸入特性與電力MOSFET類似。</p><p> 5)與電力MOSFET和GTR相
23、比,IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高,同時可保持開關(guān)頻率高的特點。</p><p> 在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中,又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。本次設(shè)計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。</p><p> 1.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由</p><p> 同開環(huán)控制系
24、統(tǒng)相比,它具有抑制干擾的能力,對元件特性變化不敏感,并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p> 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng),采用PI控制器時,可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高,如果要求快速起制動,突加負載動態(tài)速降小等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。</p><p> 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中,一般有兩個基本要求:一是能夠快速啟
25、動制動;二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn),如果要求快速起動,必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩,即最大的恒定允許電樞電流,當電樞電流保持最大允許值時,電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速,然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾,必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。</p><p> 以上兩點都涉及電樞電流的控制,所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量,組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系
26、統(tǒng)。</p><p> 2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計</p><p> 2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p> 2.1.1 PWM變換器介紹</p><p> 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器,簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類,下面對本課設(shè)用到的可逆做一下簡單的介紹和分析。</p>&l
27、t;p> 可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種,其基本電路如圖2.1所示,圖中(a)為T型PWM變換器電路,(b)為H型PWM變換器電路。</p><p> T型 (b)H型</p><p> 圖2.1 可逆PWM變換器電路</p><p> T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成,所用元件少,線路簡單,構(gòu)成系統(tǒng)時便于引
28、出反饋,適用于作為電壓低于50V的電動機的可控電壓源;但是T型電路需要正負對稱的雙極性直流電源,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。H型電路是實際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路,它由四個可控電力電子器件和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。</p><p> 雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖2.1(b)所示。四個電力晶體管分為兩組,VT1和VT4為
29、一組,VT2和VT3為一組。同一組中兩個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓波形相同,即Ub1=Ub4,VT1和VT4同時導通和關(guān)斷;Ub2=Ub3,VT2和VT3同時導通和關(guān)斷。而且Ub1,Ub4和Ub2,Ub3相位相反,在一個開關(guān)周期內(nèi)VT1,VT4和VT2,VT3兩組晶體管交替地導通和關(guān)斷,變換器輸出電壓UAB在一個周期內(nèi)有正負極性變化。</p><p> 由于電壓極性的變化,使得電樞回路電流的變化存在兩種情況,其電
30、壓、電流波形如圖2.2所示。</p><p> 電動機負載較重時 (b)電動機負載較輕時</p><p> 圖2.2 雙極式PWM變換器電壓和電流波形</p><p> 如果電動機的負載較重,平均負載電流較大, VT1和VT4飽和導通;而和為負,VT2和VT3截止。這時,加在電樞AB兩端,,電樞電流沿回路1流通(見圖2.2(b)),電動機處于電動狀態(tài)。在時,和
31、為負,VT1和VT4截止;和為正,在電樞電感釋放儲能的作用下,電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流,在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導通,,電樞電流沿回路2流通,電動機仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2.2(a)。</p><p> 如果電動機負載較輕,平均電流小,在續(xù)流階段電流很快衰減到零。于是在時,VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓,并在負的電源電壓()和電動機反電動
32、勢E的共同作用下導通,電樞電流反向,沿回路3流通,電動機處于反接制動狀態(tài)。在()時,和變負,VT2和VT3截止,因電樞電感的作用,電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流,使VT1和VT4的c-e極承受反壓,雖然和為正,VT1和VT4也不能導通,電流沿回路4流通,電動機工作在制動狀態(tài)。有關(guān)參量的波形示于圖2.2</p><p> 雙極式可逆PWM變換器與具有制動作用的不可逆PWM變換器的電流波形差不多,主要區(qū)別在于電壓波形;前
33、者,無論負載是輕還是重,加在電動機電樞兩端的電壓都在和之間變換;后者的電壓只在和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實現(xiàn)電動機制可逆運行,由正、負驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。如果正、負脈沖寬度相等,,平均電壓為零,電動機停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆PWM變換器電動機電樞兩端的平均電壓為 </p><p> 若仍以來定義PWM電壓的占空比,則雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調(diào)速,的變化范圍為。為正值,電動
34、機正轉(zhuǎn);為負值,電動機反轉(zhuǎn);,電動機停止運轉(zhuǎn)。在時,電動機雖然不動,但電樞兩端的瞬時電壓和流過電樞的瞬時電流都不為零,而是交變的。這個交變電流的平均值為零,不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩,徒然增加了電動機的損耗,當然是不利的。</p><p> 由于本次設(shè)計要求電機能實現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn),并且能進行無極調(diào)速等。又根據(jù)雙極式H型可逆PWM變換器具有的優(yōu)點:電流一定連續(xù),可以使電動機實現(xiàn)四象限動行;電動機停止時的微振交變電流可以
35、消除靜摩擦死區(qū);低速時由于每個電力電子器件的驅(qū)動脈沖仍較寬而有利于折可靠導通;低速平穩(wěn)性好,可達到很寬的調(diào)速范圍。</p><p> 所以,本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2.3所示。</p><p> 圖2.3 H橋主電路</p><p> 2.1.2 泵升電路</p><p> 當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速由
36、高變低時(減速或者停車),儲存在電動機和負載轉(zhuǎn)動部分的動能將變成電能,并通過PWM變換器回饋給直流電源。當直流電源功率二極管整流器供電時,不能將這部分能量回饋給電網(wǎng),只能對整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高,稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件,因此必須采取預防措施,防止過高的泵升電壓出現(xiàn)??梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件(電力電子器件)VT組成的泵升電壓限制電路,如圖2.4所示。 </p><p&g
37、t; 圖2.4 泵升電壓限制電路</p><p> 當濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時,VT導通,將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡單實用,但能量有損失,且會使分流電阻R發(fā)熱。</p><p><b> 2.2 參數(shù)設(shè)計</b></p><p> 2.2.1 IGBT管的參數(shù)</p>&
38、lt;p> IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點。其開關(guān)速度可達1mS,額定電流密度100A/cm2,電壓驅(qū)動,自身損耗小。其符號和波形圖如圖2.5所示。設(shè)計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下:</p><p> 管子類型:NMOS場效應(yīng)管&l
39、t;/p><p> 極限電壓Vm:600V極限電流Im:27 A耗散功率P:200 W </p><p> 額定電壓U:220V</p><p> 額定電流I:1.2A</p><p> 圖2.5 IGBT信號及波形圖</p><p> 2.2.2 緩沖電路參數(shù)</p><p>
40、如圖2.1(b)所示,H橋電路中采用了緩沖電路,由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制,這是由于IGBT的工作頻率可以高達30-50kHz;因此很小的電路電感就可能引起頗大的,從而產(chǎn)生過電壓,危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流,其原因是由于在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復電流,所以在此二極管恢復阻斷前,剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬
41、時貫穿短路,使出現(xiàn)尖峰,為此需要串入抑流電感,即串聯(lián)緩沖電路,或放大IGBT的容量。</p><p> 緩沖電路參數(shù):經(jīng)實驗得出緩沖電路電阻R=10K;電容。</p><p> 2.2.3 泵升電路參數(shù)</p><p> 如圖2.4所示,泵升電路由一個電容量大的電解電容、一個電阻和一個VT組成。</p><p> 泵升電路中電解電容
42、選取C=2000;電壓U=450V;VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管;電阻選取R=20。</p><p> 3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)壓電源設(shè)計</p><p><b> 3.1直流脈寬原理</b></p><p> 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成,如圖1所示</p><p>
43、 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成,如圖3.1所示。</p><p> + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 +</p><p> u1 u2 u3 uI
44、 U0</p><p> _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _</p><p> (a)穩(wěn)壓電源的組成框圖</p><p> u1 u2 u3
45、 uI U0 </p><p> 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t </p><p> (b)整流與穩(wěn)壓過程</p><p> 圖3.1穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程<
46、/p><p> 3.1.1單相半波整流電路</p><p> 單相半波整流簡單,使用器件少,它只對交流電的一半波形整流,只要橫軸上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流電的一半波形,所以整流效率不高,而且整流電壓的脈動較大,無濾波電路時,整流電壓的直流分量較小,Vo=0.45Vi,變壓器的利用率低。</p><p> 3.1.2單相全波整流電路</p
47、><p> 使用的整流器件較半波整流時多一倍,整流電壓脈動較小,比半波整流小一半。無濾波電路時的輸出電壓Vo=0.9Vi,變壓器的利用率比半波整流時高。變壓器二次繞組需中心抽頭。整流器件所承受的反向電壓較高。</p><p> 3.1.3單相橋式整流電路</p><p> 使用的整流器件較全波整流時多一倍,整流電壓脈動與全波整流相同,每個器件所承受的反向電壓為電源
48、電壓峰值,變壓器利用率較全波整流電路高。</p><p> 3.2 方案的優(yōu)缺點</p><p> 3.2.1單元電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p> 整流電路采用橋式整流電路,電路如圖2所示。在u2的正半周內(nèi),二極管D1、D2導通,D3、D4截止;u2的負半周內(nèi),D3、D4導通,D1、D2截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻RL,且方向是一致的。電路的輸
49、出波形如圖3.2所示。</p><p> 圖3.2電路的輸出波形</p><p> 在橋式整流電路中,每個二極管都只在半個周期內(nèi)導電,所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半,即 。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為(U2是變壓器副邊電壓有效值)。</p><p> 在設(shè)計中,常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突
50、變的特點,將電容器和負載電容并聯(lián)或電容器與負載電阻串聯(lián),以達到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后,直流輸出電壓:Uo1=(1.1~1.2)U2,直流輸出的接口輸出</p><p> 電流: (I2是變壓器副邊電流的有效值。),穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。</p><p> 總體原理電路見圖3.3。</p><p> 4 直流脈寬調(diào)速
51、系統(tǒng)控制電路設(shè)計</p><p> 4.1 PWM信號發(fā)生器</p><p> PWM信號發(fā)生器以集成可調(diào)脈寬調(diào)制器SG3525為核心構(gòu)成,他把產(chǎn)生的電壓信號送給H橋中的四個IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比,而達到調(diào)速的目的。其控制電路如圖4.1所示.</p><p> 圖4.1 PWM控制電路</p><p> 4
52、.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計</p><p> 4.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p> 本設(shè)計因為 δi% ≥5%且TL/T∑I =23.98/6.7<10。所以 按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:</p><p> 如圖4.2所示,為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。</p><p> 圖4.2電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</
53、p><p> 4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p> 在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時,可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此,需求出它的等效傳遞函數(shù):</p><p><b> 近似條件:</b></p><p> 如圖4.3所示,為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。</p><p> 圖4
54、.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</p><p><b> 5 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p> 5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p> 圖5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p> 5.2 系統(tǒng)單元調(diào)試</p><p> 5.2.1 基本調(diào)速</p><p> ?、偎?/p>
55、度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零</p><p> 把調(diào)節(jié)器的輸入端1、2、3全部接地,4、5之間接50K電阻,調(diào)節(jié)電位器RP3,使7端輸出絕對值小于1mv。</p><p> ?、谒俣日{(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸出限幅值的整定</p><p> 在調(diào)節(jié)器的3個輸入中的其中任一個輸入接給定,在4.、5之間接50K電阻、1uF電容,調(diào)節(jié)
56、給定電位器,使調(diào)節(jié)器的輸入為-1V,調(diào)節(jié)電位器RP1,使調(diào)節(jié)器的輸出7為+4V(輸出正限幅值);同樣把給定調(diào)節(jié)為+1V,調(diào)節(jié)RP2,把負限幅值調(diào)節(jié)為-4V。</p><p> ③零速度封鎖器(DZS)觀測</p><p> 首先把零速封鎖器的輸入懸空,開關(guān)S1撥至“封鎖”狀態(tài),輸出接速度或者電流調(diào)節(jié)器的零速封鎖端6,無論調(diào)節(jié)器的輸入如何調(diào)節(jié),輸出7始終為零。把面板上的給定輸出接至零速封
57、鎖單元其中一路,另一路懸空,增大給定,測量零速封鎖單元輸出端3:給定的絕對值大于0.26V左右時,封鎖端3輸出-15V;減小給定,給定的絕對值小于0.17V左右時,封鎖端3輸出+15V。把給定加到另一路進行同樣的操作。</p><p> 5.2.2 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定</p><p> 把電機、220V直流電源接入系統(tǒng),系統(tǒng)接成開環(huán)。把正給定接入脈寬發(fā)生單元,調(diào)節(jié)給
58、定,使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600rpm,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的RP1,使3端輸出的電壓為-4V。加大負載,使電機的電樞電流穩(wěn)定在1.3A,調(diào)節(jié)電流反饋調(diào)節(jié)器,使電流反饋調(diào)節(jié)器3端輸出的電壓為+4V。</p><p><b> 5.3 實驗結(jié)果</b></p><p> 5.3.1 開環(huán)機械特性測試</p><p> 把電機、直流電源,接入系統(tǒng)
59、,電動機、發(fā)電機加額定勵磁。緩慢增加給定電壓Ug,使電機升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速達到1200rpm。</p><p> 在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值(即減小負載)就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f(I2),將其記入下面的表格:</p><p><b> 表5.1</b></p><
60、;p> 然后將電機反轉(zhuǎn),增加給定Ug(負給定)使電機反向升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速分別達到-1200rpm。</p><p> 在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值(即減小負載)就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f(I2),將其記入下面的表格:</p><p><b> 表5.2</b></p&g
61、t;<p> 圖5.1 開環(huán)機械特性曲線</p><p> 5.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定</p><p> 直流電壓輸入為300V的情況下,發(fā)電機輸出首先空載,從零開始逐漸調(diào)大給定電壓Ug,使電動機轉(zhuǎn)速接近1200rpm,然后在發(fā)電機的電樞繞組接入負載電阻Rg,逐漸增大電動機負載(即減小負載的電阻值),直至電動機的電樞電流Id=1.1A,即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特
62、性,測定n=f(Id)并記錄于下表中:</p><p><b> 表5.3</b></p><p> 改變電機的轉(zhuǎn)向,重復上述的步驟:</p><p><b> 表5.4</b></p><p> 再降低給定電壓Ug,再測試800rpm的靜態(tài)特性曲線,記錄于下表中:</p>&
63、lt;p><b> 表5.5</b></p><p> 圖5.2 閉環(huán)系統(tǒng)特性曲線</p><p><b> 六 總結(jié)</b></p><p> 通過這次設(shè)計,我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。具體的說,第一,了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時,進一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿?,掌握了這一方面未來的發(fā)展動
64、態(tài);第二,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性;第三,ASR、ACR(速度、電流調(diào)節(jié)器)為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結(jié)構(gòu)上的選取,包括其參數(shù)的計算;第四,直流電動機數(shù)學模型的建立,參數(shù)的計算;第六,PWM脈寬調(diào)制系統(tǒng)的基本原理,組成,并分析了橋式可逆PWM的工作狀態(tài)及電壓、電流的波形;第七,運用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真,與此同時,進一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能,掌握了其使用方法。<
65、;/p><p> 總之,在設(shè)計過程中,我不僅學到了以前從未接觸過的新知識,而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn),面對,分析,解決新問題的能力,不僅學到了知識,又鍛煉了自己的能力,使我受益非淺。</p><p><b> 7 參考文獻</b></p><p> [1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2004.</p>
66、<p> [2] 王兆安.電力電子技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2000.</p><p> [3] 黃俊.半導體變流技術(shù)[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,2002</p><p> [4] 付文.電力拖動自動控制系統(tǒng)實驗指導書,</p><p> [5] 楊松才.電力拖動自動控制系統(tǒng)圖集.</p><p><
67、;b> 附錄A</b></p><p> A.1 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定</p><p> A.1.1 實驗內(nèi)容</p><p> 1、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電阻R;</p><p> 2、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電磁時間常數(shù)Td;</p><p> 3、測定
68、直流電動機電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM;</p><p> 4、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)機電時間常數(shù)TM;</p><p> 5、測定晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性Ud=f (Uct);</p><p> 6、測定測速發(fā)電機特性UTG=f (n)。</p><p> A.1.2 實驗系統(tǒng)組成和工作原理</p><p>
69、 本實驗中,整流裝置的主電路為三相橋式電路,控制回路可直接由給定電壓Ug作為觸發(fā)器的移相控制電壓,改變Ug的大小即可改變控制角,從而獲得可調(diào)的直流電壓和轉(zhuǎn)速,以滿足實驗要求。</p><p> A.1.3 實驗方法</p><p> 1、電樞回路電阻R的測定</p><p> 電樞回路總電阻R=(U2-U1)/(I1-I2) </p><
70、;p> 如把電機電樞兩端短接,可得RL+Rn=(U’2-U’1)/(I’1-I’2)</p><p> 則電機的電樞電阻為Ra=R(RL+Rn) </p><p> 同樣,短接電抗器兩端,也可測得電抗器直流電阻RL。</p><p><b> 測試結(jié)果如下表:</b></p>&
71、lt;p><b> 表A1</b></p><p><b> 表A2</b></p><p><b> 表A3</b></p><p> 代入以上公式計算得:</p><p><b> R=40Ω;</b></p><p
72、><b> Ra=17.5Ω;</b></p><p><b> RL=12.5Ω;</b></p><p> 主電路電磁時間常數(shù)的測定</p><p> 采用電流波形法測定電樞回路電磁時間常數(shù)Td,電樞回路突加給定電壓時,電流id按指數(shù)規(guī)律上升</p><p> 其電流變化曲線如圖
73、2.5所示。當t =Td時,有</p><p> MCL-31的給定電位器RP1逆時針調(diào)到底,使Uct=0。</p><p><b> 電機不加勵磁。</b></p><p> 調(diào)節(jié)Uct,監(jiān)視電流表的讀數(shù),使電機電樞電流為(50~90)Inom。然后保持Uct不變,突然合上主電路開關(guān),用示波器拍攝id=f(t)的波形,由波形圖上測量出當
74、電流上升至63.2穩(wěn)定值時的時間,即為電樞回路的電磁時間常數(shù)Td。</p><p><b> 實驗測試曲線下圖:</b></p><p><b> 圖A1</b></p><p> 3、電動機電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM的測定</p><p> 將電動機加額定勵磁,使之空載運行,改變電樞電壓U
75、d,測得相應(yīng)的n,即可由下式算出Ce=Ke=(Ud2-Ud1)/(n2-n1)</p><p> 轉(zhuǎn)矩常數(shù)(額定磁通時)CM的單位為N.m/A,可由Ce求出CM=9.55Ce</p><p> 實驗測試結(jié)果如下表:</p><p><b> 表A4</b></p><p> 將實驗結(jié)果代入公式計算得:</p
76、><p> Ce=0.15;CM=9.55Ce=1.43;</p><p> 4、系統(tǒng)機電時間常數(shù)TM的測定</p><p> 系統(tǒng)的機電時間常數(shù)可由下式計算</p><p> 由于Tm>>Td,也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié),即</p><p> 當電樞突加給定電壓時,轉(zhuǎn)速n將按指數(shù)規(guī)律上升,
77、當n到達63.2穩(wěn)態(tài)值時,所經(jīng)過的時間即為拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。</p><p> 測試時電樞回路中附加電阻應(yīng)全部切除。</p><p> MCL—31的給定電位器RP1逆時針調(diào)到底,使Uct=0。</p><p> 合上主電路電源開關(guān)。</p><p> 電動機M加額定勵磁。</p><p> 調(diào)節(jié)Uct
78、,將電機空載起動至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1000r/min。然后保持Uct不變,斷開主電路開關(guān),待電機完全停止后,突然合上主電路開關(guān),給電樞加電壓,用示波器拍攝過渡過程曲線,如下圖:</p><p><b> 圖A2</b></p><p> 5.測速發(fā)電機特性UTG=f(n)的測定</p><p> 實驗線路如圖A1所示。</p>&l
79、t;p> 電動機加額定勵磁,逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓Uct,分別讀取對應(yīng)的UTG,n的數(shù)值若干組,即可描繪出特性曲線UTG=f(n)。</p><p><b> 表A5</b></p><p> A.2 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)性能測試</p><p> A.2.1 實驗內(nèi)容</p><p> 1
80、、PWM控制器SG3525性能測試;</p><p><b> 2、控制單元調(diào)試;</b></p><p><b> 3、系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試;</b></p><p><b> 4、系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試;</b></p><p> 5、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性測試;</p>
81、<p> 6、H型PWM變換器不同控制方式時的性能測試。</p><p> A.2.2 實驗系統(tǒng)的組成和工作原理</p><p> 在中小容量的直流傳動系統(tǒng)中,采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)速系統(tǒng)比相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性,因而日益得到廣泛應(yīng)用。</p><p> 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖2.11所示。圖中可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET
82、所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式,UPW為脈寬調(diào)制器,DLD為邏輯延時環(huán)節(jié),GD為MOS管的柵極驅(qū)動電路,F(xiàn)A為瞬時動作的過流保護。</p><p> 脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司(Silicon General)的第二代產(chǎn)品SG3525,這是一種性能優(yōu)良,功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活,大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試,故獲得廣泛使用。</p><p&g
83、t; A.2.3 實驗方法</p><p><b> 1、開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p> 斷開主電源,并逆時針調(diào)節(jié)調(diào)壓器旋鈕到底,斷開“9”、“10”所接的電阻,接入直流電動機M03,電機加上勵磁。</p><p> S4開關(guān)扳向上,合上主電源。調(diào)節(jié)RP3電位器使電機轉(zhuǎn)速逐漸升高,并達到1400r/min,調(diào)節(jié)FBS的反饋電位
84、器RP,使速度反饋電壓為2V。</p><p><b> a.正給定時;</b></p><p> 參照速度反饋系數(shù)調(diào)試的方法,使電機轉(zhuǎn)速達1400r/min,改變直流發(fā)電機負載電阻Rd,在空載至額定負載范圍內(nèi)測取7—8個點,記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩M(或直流發(fā)電機電流id)</p><p> n=1400r/min</p>
85、<p><b> 表A6</b></p><p> 調(diào)節(jié)RP3,使n=1000/min和n=500r/min,作同樣的記錄,可得到電機在中速和低速時的機械特性。</p><p> n=1000r/min</p><p><b> 表A7</b></p><p> n=500r/m
86、in</p><p><b> 表A8</b></p><p><b> b.負給定時測試;</b></p><p> 斷開主電源,S4開關(guān)撥向“負給定”,然后按照以上方法,測出系統(tǒng)的反向機械特性。</p><p> n=1400r/min</p><p><b
87、> 表A9</b></p><p> 調(diào)節(jié)RP3,使n=1000/min和n=500r/min,作同樣的記錄,可得到電機在中速和低速時的機械特性。</p><p> n=1000r/min</p><p><b> 表10</b></p><p> n=500r/min</p>
88、<p><b> 表11</b></p><p><b> 2、閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p> ?。?)機械特性n=f(Id)的測定</p><p> S5開關(guān)打向“給定”,S4開關(guān)扳向上,調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器,使電機空載轉(zhuǎn)速至1400 r/min,再調(diào)節(jié)發(fā)電機負載電阻Rd,在空載至額定負
89、載范圍內(nèi)分別記錄7~8點,可測出系統(tǒng)正轉(zhuǎn)時的靜特性曲線n=f(Id)</p><p><b> 表12</b></p><p> S5開關(guān)打向“給定”,S4開關(guān)打向下至“負給定”,調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器,使電機空載轉(zhuǎn)速至1400 r/min,再調(diào)節(jié)發(fā)電機負載電阻Rd,在空載至額定負載范圍內(nèi)分別記錄7~8點,可測出系統(tǒng)反轉(zhuǎn)時的靜特性曲線n=f(Id)<
90、/p><p><b> 表A13</b></p><p> ?。?)閉環(huán)控制特性n=f(Ug)的測定</p><p> S5開關(guān)打向“給定”,S4開關(guān)扳向上,調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器,記錄Ug和n,即可測出閉環(huán)控制特性n=f(Ug)</p><p><b> 表A14</b></p&g
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