電力拖動課程設(shè)計

課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：自動化學(xué)院題目：脈寬調(diào)制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計初始條件：uN=48V，Ia=3.7A，Nn=2000r/min，電樞電阻Ra=6.5Q，電樞回路總電阻R=8Q，電磁時間常數(shù)TL=5ms，電源電壓為60V。穩(wěn)態(tài)無靜差。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）系統(tǒng)原理圖設(shè)計；調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計；過程分析，參數(shù)設(shè)計計算與校驗；根據(jù)開通時間和開關(guān)頻率計算調(diào)速范圍。按規(guī)范格式撰寫設(shè)計報告（參考文獻(xiàn)不少于5篇）打印時間安排:（10天）6時間安排:（10天）6月2日-6月3日6月4日-6月7日6月8日-6月10日6月11日指導(dǎo)教師簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名:查閱資料萬案設(shè)計饌寫程設(shè)計報告提交報告，答辯2014年6月1日年月日摘要變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方法，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)至少包含了兩個部分：能夠調(diào)節(jié)直流電動機電樞電壓的直流電源盒產(chǎn)生被調(diào)轉(zhuǎn)速的直流電動機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可控直流電源主要有兩大類，第一類是相控整流，它把交流電源直接轉(zhuǎn)換成可控的直流電源；第二類是直流脈寬變換器，它先用不可控整流把交流電變換成直流，然后用PWM脈寬調(diào)制方式輸出的直流電壓。當(dāng)用可控直流電源盒直流電動機組成一個直流調(diào)速系統(tǒng)時，它們所表現(xiàn)出來的性能指標(biāo)和人們的期望值總是存在差距的，解決此問題的方法是設(shè)計具有轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。由于只帶有轉(zhuǎn)速反饋的控制系統(tǒng)的控制對象是轉(zhuǎn)速，沒有控制電流，該系統(tǒng)需要實施限流保護(hù)。此外增加電流反饋能提高系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。關(guān)鍵字：變壓調(diào)速轉(zhuǎn)速反饋電流反饋目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要2\o"CurrentDocument"1直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源1\o"CurrentDocument"1.1晶閘管整流器一電動機系統(tǒng)1\o"CurrentDocument"1.2直流PWM變換器一電動機系統(tǒng)1\o"CurrentDocument"2轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3\o"CurrentDocument"2.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)優(yōu)點3\o"CurrentDocument"2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成3\o"CurrentDocument"2.3調(diào)節(jié)器的作用52.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用52.3.1電流調(diào)節(jié)器的作用5\o"CurrentDocument"3直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)6\o"CurrentDocument"3.1直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6\o"CurrentDocument"H橋雙極式逆變器的工作原理6\o"CurrentDocument"PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性9\o"CurrentDocument"4主電路方案和控制系統(tǒng)10\o"CurrentDocument"4.1PWM變換器的選用11\o"CurrentDocument"4.2傳感器以及測速發(fā)電機的選用12\o"CurrentDocument"4.3驅(qū)動電路選用12\o"CurrentDocument"4.4調(diào)節(jié)器的選擇12\o"CurrentDocument"4.5脈寬調(diào)制器選用13\o"CurrentDocument"5雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計14\o"CurrentDocument"5.1電流環(huán)的設(shè)計14\o"CurrentDocument"5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計15\o"CurrentDocument"5.3轉(zhuǎn)速超調(diào)量校驗17\o"CurrentDocument"6電路圖與仿真結(jié)果18\o"CurrentDocument"6.1電路圖18\o"CurrentDocument"6.2仿真圖18\o"CurrentDocument"心得體會23\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)241直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源1.1晶閘管整流一電動機系統(tǒng)晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓〃廣從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；這些優(yōu)點使V-M系統(tǒng)后的了優(yōu)越的性能。但晶閘管整流器運行中存在一些問題，主要表現(xiàn)在：1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，不允許電流反向，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難；2）對過電壓。過電流等十分敏感，只要一超過允許值都可能在很短的時間內(nèi)損壞元件；3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，它對交流電源是一個感性負(fù)載，吸取滯后無功功率，因此功率因素很低，如果它在電網(wǎng)中容量大，將造成“電力公害”；4）晶閘管整流裝置的輸出電壓時脈動的，而且脈動數(shù)總是有限的。1.2直流PWM變換一電動機系統(tǒng)自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(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)。與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少；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??；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)1：10000左右；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，動態(tài)抗擾能力強；5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因為裝置效率高；6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了該系統(tǒng)。2轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)優(yōu)點同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，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)。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(fù)載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負(fù)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(dāng)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(fù)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(jìn)行調(diào)節(jié)。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)速系統(tǒng)。2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)用pi調(diào)節(jié)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如龍門刨床、可逆軋鋼機等，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)效率的因素。為此，在啟動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩是平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這類理想的啟動（制動）過程示與圖2-1，啟動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)矩按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的啟動（制動）過程。（a）帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程（b）理想快速起動過程圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值/加的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器應(yīng)該能行，問題是在系統(tǒng)中如何連接。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，如圖2-2所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上，電流環(huán)在里面，稱為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱為外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。圖2-2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.3調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)速器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可歸納如下：2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）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〃很快地跟隨給定電壓U*變化，穩(wěn)態(tài)時可減少轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。2）對負(fù)載變化器抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2.3.1電流調(diào)節(jié)器的作用1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨器給定電壓氣的變化。2）對電網(wǎng)電壓的波動期及時抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。4）當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，器快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。3直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)3.1直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1-1所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管基極的驅(qū)動器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器。圖3-1直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2H橋雙極式逆變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?？赡鍼WM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路如圖3-2所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。

+4——1-UJ+nO妃dE7qfc--TTTa.+4——1-UJ+nO妃dE7qfc--TTTa.正向電動運行6波行tttA7圖3-3H形雙極式逆變器的驅(qū)動電壓電流波形

它們的關(guān)系是：在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通而截止，這時在一個周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖3-3所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（3-1）tT-1鏟-Ton（3-1）如果定義占空比P=，電壓系數(shù)LU則在雙極式可逆變換器中y=2p-1（3-2）調(diào)速時，p的可調(diào)范圍為0?1相應(yīng)的y=-1?+1。當(dāng)p>1時，y為正，電動機正2轉(zhuǎn)；當(dāng)PV1時，y為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)p=1時，y=0，電動機停止。但電動機停22止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)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。正向運行時見（圖3-3a）：第1階段，在0WtWton期間，Ub1、Ub4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在tonWtWT期間，Ub1、Ub4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=-Us;反向運行時見（圖3-3b）：第1階段，在0WtWton期間，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并使VT1、VT4截止，電流-id沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us;第2階段，在tonWtWT期間，Ub2、Ub3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ub1、Ub4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流-id沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=-Us。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器的優(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(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，四個開關(guān)管器件可能處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故。為防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間設(shè)置邏輯延時。3.3PWM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，平衡方程如下diU=R+L-d+Edi因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓(0<t<t)(t<t<T)按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式，電樞兩端在一U=凡+L-d-+E個周期內(nèi)的電壓都是Ud=yU,平均電流用Id表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/C,而電樞電感壓降L%的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓(0<t<t)(t<t<T)按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式，電樞兩端在一CCd0Cd4主電路方案和控制系統(tǒng)主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。主電路采用25JPF40電力二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分主要是UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅(qū)動器GD和PWM變換器。系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動時，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負(fù)載電流。H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖4-1所示。PWM逆變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C0濾波，以獲得恒定的直流電壓"s由于電容量較大，突加電源時相當(dāng)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串入限流電阻R0（或電抗），合上電源以后，延時用開關(guān)將R0短路，以免在運行中造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇是PWM裝置設(shè)計中的重要問題。但對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rb消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時接通VT5。圖4-1：橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖4.1PWM變換器的選用PWM變換器有可逆和不可逆兩類?？赡孀儞Q器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種。由于題目要求須事先電動機可逆運行，故本設(shè)計選用帶續(xù)流的絕緣柵雙極晶體管IGBT構(gòu)成H型雙極性控制PWM變換器。其中，電源電壓Us選用不可控電力二極管25JPF40整流提供，并采用大電容C進(jìn)行濾波。功率管開關(guān)管應(yīng)承受2Us的電壓，為此選用FGA25N120AN絕緣柵雙極晶體管IGBT并接在功率開關(guān)管兩端二級管用在IGBT關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流。FGA25N的參數(shù)：Vce=200V，Ic=15A。選用10CTF30型電力二極管，If=10A，Urm=300V。采用單相交流220V供電，變壓器二次電壓為67V，橋式整流二極管最大反向電壓大于電源的幅值的2倍，最大整流電流按2倍額定電流考慮。選25JPF40，If=25A，Urm=400V。整流橋輸出端所并接的電容作用濾除整流后的電壓紋波，并在負(fù)載變化時保持電壓平穩(wěn)。另外，當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，貯存在電動機和負(fù)載轉(zhuǎn)動部分的動能將由電容器吸收，所以所用的電容較大，這里選用4000uf，電壓按大于2倍電壓選擇。武漢理工大學(xué)《電力拖動》課程設(shè)計4.2傳感器以及測速發(fā)電機的選用由于題目要求需要對電流進(jìn)行采樣，故此這里我們選用霍爾電流傳感器HNC-025A,HNC-025A傳感器所能測量的額定電流為5A、6A、8A、12A、25A，當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流IP會產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓，通過后續(xù)電子電路可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流IS，并存在以下關(guān)系式：IS*NS=IP*NP。在外環(huán)中，我們需要有速度的反饋，這里我們選用永磁式ZYS231/110型作為測速機，實驗數(shù)據(jù)：Ptn=23.1W，Utn=110V，Itn=0.21A，Ntn=1900r/min。4.3驅(qū)動電路選用驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的PWM信號放大至足以保證IGBT可靠導(dǎo)通或關(guān)斷的程度。同時具有實現(xiàn)主電路與控制電路相隔離、故障后自動保護(hù)及延時等功能。這里我們選用上海馬克電氣公司的AST96X系列的MAST5-2C-U12型IGBT驅(qū)動板，AST96X為單路光電耦合隔離帶短路、欠壓和過壓保護(hù)功能的IGBT驅(qū)動模塊；MAST系列為1—7路、帶隔離電源的IGBT驅(qū)動板，易于使用，對供電電源要求低，適用600V—1700V的各種不同類型IGBT驅(qū)動；兩者均提供電流源或電壓源一電阻兩種驅(qū)動方式，具有單電源供電、輸入電壓范圍寬、內(nèi)置正負(fù)電壓發(fā)生器以及電壓濾波器、內(nèi)置短路保護(hù)電路、內(nèi)置驅(qū)動欠壓和過壓保護(hù)電路、內(nèi)置VCE檢測的快恢復(fù)高壓二極管、內(nèi)置光電耦合器以傳輸驅(qū)動保護(hù)/故障信號、內(nèi)置柵極過壓箝位元件等特點。MAST5-2C-U12是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該產(chǎn)品為大規(guī)模集成基極驅(qū)動電路，可對IGBT實現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動和自身保護(hù)。4.4調(diào)節(jié)器的選擇根據(jù)題目要求我們嘗試用P調(diào)節(jié)器進(jìn)行動態(tài)校正，但是存在靜差，pi調(diào)節(jié)器可以進(jìn)一步提高穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)速差的地步。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，并且這里我們采用PI調(diào)節(jié)器。4.5脈寬調(diào)制器選用脈寬調(diào)制器用于產(chǎn)生控制PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號。常用種類有：模擬式、數(shù)字式和專用集成電路。這里選用美國德克薩斯儀器公司TL494專用集成電路作為雙端輸出型脈寬調(diào)制器，其載波為鋸齒波信號，振蕩頻率，=LL?！贺埃?，其中和取值范圍：Rt=5~100g，*°°1~頑F。雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計5.1電流環(huán)的設(shè)計（1）確定常數(shù)時間常數(shù)1）整流裝置滯后時間常數(shù)常數(shù)T=0.0004s2）電流濾波時間常數(shù)T=0.0005soi3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T=T+T=0.0009s（2）選著電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)1）根據(jù)設(shè)計要求七＜5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為w=K.(.s+DACR(s)Ts(5-1)檢查對電源電壓的抗擾性能：土-四05-5.56，滿足典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，T0.0009各項指標(biāo)都是可以接受的。（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):電流環(huán)開環(huán)增益：要求。＜5%時，應(yīng)取K叫=0.5，因此『0.50.5___於K=——==555.6s-1IT.0.009于是，ACR的比例系數(shù)為(5-2)K=KTR=55%6x0.005x8=3.48.%P4.8x1.33(5-3)（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：①.=K廣555.6s-11）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13t3x00004牝833.3s-1*.滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件V020005w94.9s-1<w.滿足近似條件3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1—=1：13\：TT31：00.0004x0.0095w745.4s-1>W.滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運算放大器取R0=40kQ則各電阻和電容值計算如R=KR=3.48x40kQ=139.2kQR=140kQC=二=0.005x106rF=0.0357rFiR140x103iC=0.04rFC=1—=1：13\：TT31：00.0004x0.0095w745.4s-1>W.滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運算放大器取R0=40kQ則各電阻和電容值計算如R=KR=3.48x40kQ=139.2kQR=140kQC=二=0.005x106rF=0.0357rFiR140x103iC=0.04rFC==4x0.0005x106rF=0.05rFoiR40x1030C=0.05pF（6）按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為c%=4.3%<5%，故滿足設(shè)計要求。i5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)1）1電流環(huán)等效時間常數(shù)為——KI1—=2勺=2x0.0009=0.0018s。I2）3）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)T=0.005s。on轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T。按小時間常數(shù)近似處理，取ZnJ=2T+T=0.0018+0.005=0.0068s。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為wASR(s)K(cs+1)TS(5-4)（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為=hT=5x0.0068s=0.034s由轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益s-2=2595s-22h2T22x25x0.00682Xn于是，可求得ASR的比例系數(shù)為K=(h+1)PCT=6x1.33x0.18x0.2?]056

n一2haRTem—2x5x0.05x8x0.0068~.Xn(5-5)(5-6)（4）校驗近似條件由轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為3cnKn=K仲=2595x0.034s-1=88.23s-11(5-7)1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1E=-竺6R261.9s-1>33J3"0.0009cn滿足簡化條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1K1：555^—,—「=—.3YT3\0.005R111.12s-1>3cn滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R0=40kQ，則=KR0=10.56x40