直流脈寬調(diào)至系統(tǒng)主電路和穩(wěn)壓電源課程設(shè)計

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(biāo)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(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動化在20世紀(jì)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(dǎo)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(biāo)</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(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(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2=Ub3，VT2和VT3同時導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(yù)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)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>　?。╝）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>　?。╞）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(dǎo)通，D3、D4截止；u2的負半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)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(dǎo)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>　　①速

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>　　②速度調(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>　?、哿闼俣确怄i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(fù)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(biāo)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(xué)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(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)

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(dāng)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(dāng)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