單相斬控式交流調(diào)壓電路課程設(shè)計(共26頁)

1、PAGE 2編號 河南(h nn)機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計單相(dn xin)斬控式交流調(diào)壓電路 系 部: 自動控制(z dn kn zh)系 專 業(yè): 生產(chǎn)過程自動化 班 級: 過131 姓 名: 閆正和 學(xué) 號: 131416140 指導(dǎo)老師: 侯志堅 成 績: 二零一五年七月(q yu)摘 要調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)(shngchn)機械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。早在20世紀(jì)(shj)40年代采用的是發(fā)電機電動機系統(tǒng)，又稱放大機控制的發(fā)電機電動機組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點是占地大，效率低，運行

2、費用昂貴，維護不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機容量相同的電機。為了克服這些缺點，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。 近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機

3、，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。 關(guān)鍵字：調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速器 晶閘管 晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)ABSTRACTThis paper proposes the use of a chopper-type MOSFET AC voltage regulator. So that the regulator can regulate convenient, fast dynamic response, the harmonic less pollution, highe

4、r unit power factor and so on. For regulating and controlling the AC voltage, better performance and prospects. AC Voltage AC refers to one kind into another with the same frequency, different voltage AC conversion. Chopper control regulator - the switch in a power-off cycle times, cut into several

5、small pieces of the input voltage, change the width or switch off the cycle segment to regulate the output voltage. That is to regulate the quality and impact of the output voltage through the power supply voltage regulator circuit cut control. Chopping frequency, the higher the output voltage of th

6、e voltage harmonic frequency, the filter easier. When the chopper frequency is not an integer multiple of the frequency of the input power, the output voltage will produce harmonics. When low chopper frequency, harmonic content of more adverse impact on the load. AC chopper technology as a high-perf

7、ormance AC voltage regulator technology, in line with the high frequency power electronics technology, efficient and low-pollution trends, will gradually replace the phase control thyristor AC voltage regulator, the development of new devices will accelerate this process.Keywords: Chopping AC; regul

8、ator; chopping frequency;目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc213724233 第1章 緒論(xln)1 HYPERLINK l _Toc213724237 1.1直流電動機(dngj)的調(diào)速方法2 HYPERLINK l _Toc213724237 1.2直流調(diào)速系統(tǒng)控制電源(dinyun)方式2 HYPERLINK l _Toc213724237 1.2.1 PWM變換器介紹2 HYPERLINK l _Toc213724241 1.3選擇PWM控制系統(tǒng)的理由4 HYPERLINK l _Toc213724245 1.4雙閉環(huán)調(diào)

9、速系統(tǒng)及靜特性5 HYPERLINK l _Toc213724245 1.4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖5 HYPERLINK l _Toc213724245 1.4.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性5 HYPERLINK l _Toc213724245 1.4.3控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析7 HYPERLINK l _Toc213724245 1.5.系統(tǒng)的動態(tài)校正9 HYPERLINK l _Toc213724248 第二章 相關(guān)參數(shù)計算10 HYPERLINK l _Toc213724245 2.1設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)備10 HYPERLINK l _Toc213724245 2.2 ASR設(shè)計11 HYPERLIN

10、K l _Toc213724248 第三章 硬件設(shè)計12 HYPERLINK l _Toc213724245 3.1雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計13 HYPERLINK l _Toc213724245 3.1.1PWM變換器13 HYPERLINK l _Toc213724245 3.1.2選擇IGBT的H橋型主電路的理由14 HYPERLINK l _Toc213724245 3.1.3整流電路設(shè)計14 HYPERLINK l _Toc213724248 第四章 總結(jié)與心得體會18第五章 參考文獻(xiàn)19致 謝20河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計 河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計 第一章 緒論(x

11、ln)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命(gmng)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。 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

12、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)。 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)(y jing)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，

13、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。電動機作為最主要的動力源和運動源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。電動機的調(diào)速控制方法過去多用模擬法，隨著單片機的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化1。直流電動機控制技術(shù)是一項以直流電動機作為機械本體，融入了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學(xué)科交叉機電一體化技術(shù)。單片機在電動機控制中的應(yīng)用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運算、邏輯判斷及信息處理的功能。1.1 直流電動機的調(diào)速方法(fngf)介紹直流電動機的調(diào)速方法(fngf)有三種：（1）改變電樞(d

14、in sh)電阻（R）調(diào)速。（2）改變電樞電壓（U）調(diào)速。（3）改變主磁通調(diào)速。前兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負(fù)載。串電阻調(diào)速為有級調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速范圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級調(diào)速，機械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大2。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。1.2直流調(diào)速系統(tǒng)控制電源方式比較常用的可以控制直

15、流電源有以下三個：靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機組。由交流電機和直流發(fā)電機組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機組需要的設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了響應(yīng)時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環(huán)境，危害身體健康3。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)

16、速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。同時，其對過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。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)。1.2.1 PWM變換器介紹 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用(ciyng)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。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(fù)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(xin tn)的直流電

17、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。如圖1-11-1 H型電路(dinl)四個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)VT1VT4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(fù)極性變化。由于電壓Uab極性的變化，使得電樞回路電流

18、的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖1-2所示。圖1-2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(dá)到(d do)很寬的調(diào)速范圍。 1.3 選擇(xunz)PWM控制系統(tǒng)的理由 自從全控型電力(dinl)電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4

19、。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。（2）開關(guān)頻率比較高，電機損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。（4）低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5）若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)比較快，動態(tài)抗干擾能力強。（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(yuy)有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中已經(jīng)(y jing)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。

20、1.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)及其靜態(tài)特性1.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖圖1-3是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，這是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實行嵌套聯(lián)接，或稱串級聯(lián)接。圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-4。圖1-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)

21、特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到(d do)限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和5。當(dāng)輸出(shch)為恒值，輸入量的變化不會再影響輸出時，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是等于零時，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。如圖1-5。圖1-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的靜特性1.4.3控制系統(tǒng)動態(tài)性能(xngnng)分析由于在起動過程(guchng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的、三個階段

22、：第一階段是電流上升階段，第二階段是恒流升速階段，第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。如圖1-6。圖 1-6啟動過程電流轉(zhuǎn)速(zhun s)波形動態(tài)抗干擾性分析:一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(rodng)和抗電網(wǎng)電壓擾動。1.抗負(fù)載擾動由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)(dngti)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2.抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。在雙閉環(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

23、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。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中由電網(wǎng)電波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會小得多.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性(txng)在負(fù)載電流小于1dm時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和(boh)輸出時，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差6。這就是采用(ciyng)了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.5 系統(tǒng)的動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-7所示：1-7 雙閉環(huán)直流調(diào)

24、速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜7。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差

25、一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先設(shè)計內(nèi)環(huán)，后設(shè)計外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。第二章 相關(guān)(xinggun)參數(shù)計算2.1設(shè)計參數(shù)(cnsh)準(zhǔn)備本次(bn c)課程設(shè)計給出的初始條件：直流電機參數(shù)：240V,37.5Kw,1750r/min,點數(shù)電阻Ra=0.1113，電機過載倍數(shù)=1.5，lT=0.025S, T=0.15S。主電路采用三相全控橋，進線交流電源：三相380V。表2-1 典型(dinxng)I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0

26、阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間Ty6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間Tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度Y76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T2.2 ASR設(shè)計(shj)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分(jfn)環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有(hn yu)積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器。選擇IGBT的H橋型主電路的理由

27、 IGBT的優(yōu)點： IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 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。 IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，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。 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。 IGBT管的參數(shù) IGBT（Insulat

28、ed 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(dá)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： 管子類型：NMOS場效應(yīng)管 極限電壓Vm：600V 第三章 硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用一個8位單片機C8051F005做主控制器。以H型雙極性可逆PWM變換器為主回路核心，采用典型的雙閉環(huán)調(diào)速原理組成PWM調(diào)速系統(tǒng)。C8051F005的PCA提供PWM脈沖，給定的速度值、速度反饋值和電

29、流反饋值可以控制PWM脈沖。改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓，以此來改變直流電動機的速度。由于C8051F005單片機內(nèi)部有模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，所以直流測速機將速度值轉(zhuǎn)化為電壓值，然后直接由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測。電流檢測是通過霍爾效應(yīng)電流傳感器由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機。整流電路采用三相橋式全控整流電路。當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機和負(fù)載(fzi)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

30、器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓(diny)”。過高的泵升電壓會損壞元器件，因此必須(bx)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3-1所示。圖3-1 泵升電壓限制電路當(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)。如圖3-1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。 泵升電路中電解電容選取C=2000F；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=203

31、.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計3.1.1 PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱(jinchng)PWM變換器。直流電動機PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。對于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動兩種方式。單極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計采用雙極性驅(qū)動可逆PWM變換器。圖3-2是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含(bohn)有4個IGBT 管和4個續(xù)流二極管。

32、4個IGBT管分成(fn chn)兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相同的。圖3-2 H型雙極性可逆PWM變換器原理圖在每一個PWM周期里，當(dāng)P3.0的控制信號為高電平時，開關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，此時P3.1的控制信號為低電平，因此VT2、VT3截止；當(dāng)P3.0的控制信號為低電平時，開關(guān)管VT1、VT4截止，此時P3.1的控制信號為高電平，因此VT2、VT3導(dǎo)通。當(dāng)直流電動機正轉(zhuǎn)工作時，在每一個PWM周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止。在每一個PWM周期的負(fù)脈沖區(qū)間，VT2、VT3導(dǎo)通

33、，VT1、VT4截止，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動較大。H型雙極式可逆PWM 變換器的優(yōu)點如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限(xingxin)運行；（3）電動機停止時有微振電流(dinli)，從而可以消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個開關(guān)(kigun)器件的驅(qū)動脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件的可靠導(dǎo)通；（5）低速時，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000 左右。3.1.2 選擇IGBT的H橋型主電路的理由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件。它也是三端器件，具有柵極G、集電極

34、C和發(fā)射極E。選用IGBT的理由：（1）IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。（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。本設(shè)計中選用的IGBT管的型號是IRGPC50U，它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應(yīng)管極限電壓Vm：600V 極限電流Im：27 A 耗散功率P：200 W 額定電壓U：220V 額定電流I：1.2A 3.1.3 整流電路設(shè)計整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設(shè)計采用三相橋全控整流電路，其原理圖如圖3-3所示，陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的

35、3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。圖3-3 三相橋式全控整流(zhngli)電路原理圖這種整流電路的輸出(shch)電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形(b xn)完全相同，故該電路為6脈動整流電路。雙極型PWM的實現(xiàn)基于C8051F005單片機的PWM 軟件實現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機內(nèi)部的16位可編程定時器/計數(shù)器陣列（PCA）。在C8051F005內(nèi)實現(xiàn)PWM 的基本過程：首先，由控制信號的變化范圍和設(shè)定的脈沖頻率T，求出t時刻通過控制信號V（t）的對應(yīng)正、負(fù)脈沖的持續(xù)時間。通過給定時器賦與相應(yīng)的初值從而得到正、負(fù)脈沖在單片機里的時間長度，在機器周期的同步下，定時器會從這個

36、初值的基礎(chǔ)上加1計數(shù)，如果產(chǎn)生了溢出中斷就代表定時器已滿，單片機上某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時間就是由這個中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序所控制的。只要上述過程是持續(xù)進行的，就可以在這個引腳上獲得寬度隨控制信號V（t）大小變化的PWM方波信號。通常單片機是單極型的，實際電平0V對應(yīng)單片機的邏輯0，實際電平+5 V對應(yīng)單片機的邏輯1。一般來說，只能夠?qū)螛O型的PWM 脈沖信號從這種單片機上輸出。采用C8051F005結(jié)合軟件編程實現(xiàn)雙極型PWM 控制的設(shè)計思想是這樣的：從C8051F005的一個引腳（P3.0）得到正的單極型PWM 信號輸出，對另一個引腳（P3.1）做相應(yīng)的設(shè)計和定義，讓它承擔(dān)對應(yīng)的

37、負(fù)的單極型PWM 信號的輸出。即當(dāng)調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號（這個信號是由電傳感器及測速發(fā)電機采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號）為正時，對應(yīng)的PWM 信號就從C8051F005單片機的一個引腳（P3.0）輸出；當(dāng)誤差信號為負(fù)時，對應(yīng)的PWM 信號就從C8051F005單片機的另外一個引腳（P3.1）輸出，雖然這個輸出信號的模擬電平也是正的，但是它反映的是負(fù)值的誤差信號所產(chǎn)生的PWM輸出；當(dāng)這兩個引腳都沒有輸出時，表示誤差信號是零。通過對誤差信號正負(fù)的定義和判別，再利用C8051F005單片機的兩個引腳就實現(xiàn)了雙極型的PWM。直流測速發(fā)電機的輸出(shch)是一個模擬量，當(dāng)它與單片機接口時，必

38、須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換(zhunhun)。由于C8051F005單片機內(nèi)部(nib)集成了A/D轉(zhuǎn)換器，它具有812位的轉(zhuǎn)換精度，因此，A/D轉(zhuǎn)換可以全部在片內(nèi)完成，沒有必要再外接A/D轉(zhuǎn)換器。直流測速發(fā)電機安裝在被測電動機軸上，以與被測電動機相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。測速發(fā)電機的輸出電壓通過R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測速發(fā)電機輸出的紋波，使之電位器Rw兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)整Rw的位置，使測速發(fā)電機在最大轉(zhuǎn)速時，抽頭所獲得的電壓為2.4V，R1用于限流。如圖3-4.圖3-4在直流電源的正極引線上安裝有霍爾電流傳感器CHB-50P，它由15V電源供電，二次電流通過測量電阻形成電流反饋信號，霍爾電

39、流傳感器的另一端連接單片機的AIN1引腳?；魻栯娏鱾鞲衅鰿HB-50P是磁平衡式電流傳感器，即原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，其補償電流精確的反映原邊電流，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試 速度(sd)調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零 把調(diào)節(jié)器的輸入(shr)端1、2、3全部(qunb)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。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)給定電位器，使調(diào)節(jié)器

40、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(fù)限幅值調(diào)節(jié)為-4V。零速度封鎖器（DZS）觀測 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。 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定 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(fù)載，使電機的電樞