中南大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)

1、前言：電力電子課程設(shè)計(jì)的意義： 電力電子課程設(shè)計(jì)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中一項(xiàng)綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，復(fù)習(xí)鞏固本課程及其他課程的有關(guān)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)和實(shí)踐技能的訓(xùn)練具有相當(dāng)重要的意義。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得電力電子技術(shù)必要的基本理論、基本分析方法以及基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)有關(guān)的技術(shù)工作和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)，也便于學(xué)生加深理解和靈活運(yùn)用所學(xué)的理論，提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為畢業(yè)后的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。 直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介：自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制

2、變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1. 主電路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；2. 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較??；3. 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；4. 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；5. 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適中時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高；6. 直流電流采用不控整流，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已完全取

3、代了VM系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行，且經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋。目錄：一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求4二、主電路52.1 主電路的設(shè)計(jì)52.2主電路器件選擇與參數(shù)計(jì)算8電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算8整流電路變壓器的選擇9電力二極管參數(shù)10濾波電容選擇102.2.5 MOSFET的選擇10續(xù)流二極管的選擇11主電路電感的選擇11三、緩沖電路與保護(hù)電路123.1 緩沖電路123.11緩沖電路設(shè)計(jì)12緩沖電路元件選擇143.2保護(hù)電路15四、驅(qū)動(dòng)電路17五、控制策略的選擇215.1系統(tǒng)的控制方式215.2 H型變換器的控制方式選擇235.3控制電路設(shè)計(jì)25轉(zhuǎn)速

4、調(diào)節(jié)器，25電流調(diào)節(jié)器26波發(fā)生器26六、系統(tǒng)工作原理分析28七、波形分析與MATLAB 仿真29八、總結(jié)34九、參考文獻(xiàn)35十、附圖36一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求題目：直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：P=1.5KW, U=220V, I=8.7A, N=1500; 他逆，勵(lì)磁電壓U=200V, 電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)電流倍數(shù)1.52. 設(shè)計(jì)內(nèi)容 主回路設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算，開(kāi)關(guān)器件選擇； 緩沖電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)和元件的選擇； 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)； 控制策略選擇； 系統(tǒng)工作原理分析及波形分析。3. 設(shè)計(jì)基本要求根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，認(rèn)真復(fù)習(xí)教材，閱讀有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)手冊(cè)及資料，獨(dú)立按時(shí)完成任務(wù)，設(shè)計(jì)說(shuō)

5、明書(shū)要求簡(jiǎn)潔，通順，計(jì)算正確，圖表、圖紙規(guī)范，符合工程設(shè)計(jì)要求。4. 編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：1.前言 2.目錄 3.正文 4.結(jié)論 5.參考文獻(xiàn)。二、主電路2.1 主電路的設(shè)計(jì)直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)首先要得到直流電源，因此在主電路中，要有將電網(wǎng)的交流電變換為直流電的整流電路。整流電路的選擇：整流電路有單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波、三相橋式等多種整流電路。其中單相半波整流電路簡(jiǎn)單，但變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，造成變壓器鐵心直流磁化，因而不采用；單相全波、單相橋式整流電路也有電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出脈動(dòng)大。三相半波整流電路的主要缺點(diǎn)也是其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此很少應(yīng)用。選

6、擇電容濾波的三相橋式不可控整流電路，其電路圖如下： 圖2-1三相橋式不可控整流電路可逆PWM變換器主電路選擇：可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等，T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)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。T型電路圖如下：圖2-2 T型電路H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單

7、極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。H型電路圖如下： 圖2-3 H型電路因此總體主電路由電容濾波三相不可控整流電路和H型可逆PWM變換器電路組成?？傮w主電路圖如下： 圖2-3主電路圖2.2主電路器件選擇與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算=1.5KW；8.7A;他勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電壓200V;最大起動(dòng)電流倍數(shù)為。則有：（1） 估算電樞電阻：（2） 計(jì)算（3） 計(jì)算（4） 計(jì)算空載轉(zhuǎn)速（5） 計(jì)算啟動(dòng)電流2.2.2整流電路變壓器的選擇變壓器變比 考慮占空比為90則 =/0.8=275V取 =2.34 =/2.34=117.5V考慮到10的裕量 =1.1*117.5

8、=129.3V一、 二次線圈電流 =0.816=5.68A變比 K=220/129.3=1.7 =3.34A考慮空載電流 取=1.05*3.34=3.51A變壓器容量計(jì)算 =3*=3*220*3.51=2316.6VA =3*=3*129.3*5.68=2203.3VA S=()/2=2060VA取變壓器容量為=2000VA變壓器連接方式變壓器一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流入電網(wǎng)，變壓器二次側(cè)接成星形，即選用D/Y接法。2.2.3電力二極管參數(shù)電力二極管的反向重復(fù)峰值電壓由以上計(jì)算=129.3V，電力二極管承受的反向重復(fù)峰值電壓為2.45倍，同時(shí)考慮23倍的安全裕量，則3*2.45*12

9、9.3=950V.取=1000V 。電力二極管的正向平均電流該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，仍可按電感計(jì)算，只是電流裕量要適當(dāng)取大些。 =0.577=0.577*8.7*0.8=4.02A =2*/1.57=2*4.02/1.57=5.12A2.2.4濾波電容選擇 一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取 為2500 。電容的額定工作電壓，取1.5倍電壓峰值。 即： =1.5*=1.5*1.414*129.3*1.732=453.8V .取=500V . MOSFET的選擇MOSFET

10、所承受的最大正反電壓： *=*129.3=302.6V考慮到3倍余量有，MOSFET的電壓定額為： 3=3*302.6=908V經(jīng)過(guò)MOSFET的平均電流為=*=8.25A，因此流過(guò)MOSFET的電流有效值為8.25A，考慮到2倍的電流余量，則MOSFET的電流定額為：=2*/1.57=10.51A所以，選擇MOSFET的參數(shù)為，其電壓定額為大于等于846V，電流定額大于等于10.51A的MOSFET 即可。續(xù)流二極管的選擇MOSFET所承受的最大正反電壓： *=*129.3=302.6V考慮到3倍余量有，MOSFET的電壓定額為： 3=3*302.6=908V考慮2倍余量有，續(xù)流二極管額定電

11、流為：=2*/1.57=7.84A因此，續(xù)流二極管可以選擇其額定電壓大于等于7.84A,額定電壓大于等于846V。主電路電感的選擇為保證直流電機(jī)在可逆調(diào)速過(guò)程中電流連續(xù)范圍比較大，可以選擇電感值較大的電感，這里我們選擇30mH的大電感。三、緩沖電路與保護(hù)電路3.1 緩沖電路3.11緩沖電路設(shè)計(jì)加入緩沖電路前后，MOSFET 開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)輸出特性如下圖所示：圖3-1 加入緩沖電路后波形MOSFET 的常用緩沖電路有以下兩種形式 圖3-2 圖3-3開(kāi)通緩沖電路的選擇器件開(kāi)通時(shí)，串聯(lián)電感可以抑制電流的上升率di/dt，減少開(kāi)關(guān)損耗，但是由于電感元器件體積龐大，一般情況下MOSFET開(kāi)關(guān)電路的集電極不

12、需要串聯(lián)電感，其開(kāi)通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以改善。關(guān)斷緩沖電路結(jié)構(gòu)的選擇一般而言，在橋式功率電路中，應(yīng)該選擇橋式緩沖電路，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，改善緩沖效果。對(duì)于不同功率等級(jí)的應(yīng)用，應(yīng)考慮選擇不同的緩沖電路結(jié)構(gòu)，盡可能使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在中小功率容量的應(yīng)用中，往往可并聯(lián)一個(gè)吸收電容。若線路電感較小，也可以只在直流側(cè)加du/dt抑制電路。設(shè)計(jì)如下圖所示的緩沖電路 圖3-4 MOSFET橋型接法緩沖電路3.1.2緩沖電路元件選擇為了防止因電路存在雜散電感而產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓，應(yīng)在漏極和源極兩端采用RC緩沖電路進(jìn)行過(guò)電壓的保護(hù)。如下圖所示，用于MOSFET漏源過(guò)電壓保護(hù)的緩沖電路的電路圖。該電路中利

13、用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，來(lái)起到緩沖作用。其中所串的電阻用于限制緩沖電路所允許的最大電流。1. 緩沖二極管的選擇：緩沖二極管是RCD緩沖電路中的關(guān)鍵器件。緩沖二極管的選擇錯(cuò)誤，可能產(chǎn)生較高的尖峰電壓并在緩沖二極管反向恢復(fù)時(shí)，電壓產(chǎn)生震蕩。緩沖二極管必須選擇快恢復(fù)二極管，要選擇過(guò)渡正向電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較軟的快恢復(fù)二極管。對(duì)于額定電流，至少不小于主電路期間的1/10。所以選擇額定電流為2A的快恢復(fù)二極管。2. 緩沖電容的選擇：緩沖電容及緩沖電阻的取值可實(shí)驗(yàn)確定也可以參考工程手冊(cè)。緩沖電容要選用高頻特性優(yōu)良的電容如薄膜電容器。一般而言，除需要滿足必須的電壓等級(jí)之外，緩沖電容所

14、必須的容量值可按下式估算=公式中：L是主電路的分布電感；是MOSFET關(guān)斷時(shí)的集電極電流；是緩沖電容電壓的最終值；U 是直流母線電壓。3. 緩沖電阻的選擇：對(duì)于緩沖電阻性能的要求是：在MOSFET進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，能將緩沖電容上積聚的電荷及時(shí)放電。如果將緩沖電阻值設(shè)定得過(guò)低，緩沖電路中可能產(chǎn)生振蕩。MOSFET關(guān)斷時(shí)，以放電90的積聚電荷為條件，可以用以下公式估算出緩沖電阻值 公式中：f是功率期間的開(kāi)關(guān)頻率。3.2保護(hù)電路保護(hù)電路過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)。主電路中過(guò)電壓主要是泵升電壓?jiǎn)栴}，在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由于減速等原因而處于再生制動(dòng)狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能會(huì)經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換

15、成電能，并通過(guò)功率器件回饋到直流母線側(cè)。這些能量一般儲(chǔ)存在功率主電路的儲(chǔ)能元件中，如不存在能量釋放電路，將會(huì)導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓升高，升高的這部分電壓稱為泵升電壓。除此之外，還存在由于功率器件開(kāi)關(guān)所導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電壓。瞬時(shí)過(guò)電壓主要是關(guān)斷過(guò)電壓以及換相過(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)電壓是在主功率器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓；換相過(guò)電壓是與主功率器件反方向并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立即恢復(fù)阻斷，有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)電路英具有抑制以上各種過(guò)電壓的能力。過(guò)電流保護(hù)電路過(guò)電流保護(hù)可以分為過(guò)載保護(hù)和

16、短路保護(hù)兩種情況。功率主電路中串聯(lián)快速熔斷器，快速熔斷器作為第一保護(hù)措施，一般僅在短路電流較大的區(qū)域起到保護(hù)作用。有電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較器、交流接觸器及其線圈控制電路等構(gòu)成過(guò)電流保護(hù)電路，一般的方式是，當(dāng)檢測(cè)電流為非正常過(guò)載電流使比較器翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而切斷交流接觸器的控制線圈通電回路，使交流接觸器斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)主電路與電源的完全分?jǐn)?。在這樣的過(guò)電流保護(hù)電路中，一般需要通過(guò)光電耦合電路將交流接觸器控制線圈的驅(qū)動(dòng)電路和其保護(hù)電路隔離。保護(hù)電路圖如下圖所示： 圖3-5 保護(hù)電路接線圖四、驅(qū)動(dòng)電路鑒于對(duì)mosfet的驅(qū)動(dòng)，由于其開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，且為電壓驅(qū)動(dòng)，選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，最重要的是選擇其驅(qū)動(dòng)頻率能夠

17、滿足要求，正常的驅(qū)動(dòng)mosfet管。因此在這里我們選用光耦合器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于TLP521工作頻率低，工作速度慢，轉(zhuǎn)換電流大等原因，而高速耦合器6N137可以克服以上的缺點(diǎn)，因此我們選擇了6N137作為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片。 光耦合器的優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開(kāi)關(guān)電源中，

18、利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。光耦合器的性能：用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過(guò)發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf左右）、耐壓高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間

19、的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10），對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。6N137驅(qū)動(dòng)芯片介紹： 6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開(kāi)路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA的極小輸入電流。特性：轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10MBit/s;擺率高達(dá)10kV/us;扇出系數(shù)為8;邏輯電平輸出;集電極開(kāi)路輸出;6N137的工作

20、原理及用法：圖4-1 6N137內(nèi)部結(jié)構(gòu)6N137的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏二極管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能為高時(shí)與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閾值或使能為低時(shí)，輸出高電平，腳6是集電極開(kāi)路輸出端，通常加上拉電阻RL。雖然輸出地點(diǎn)平時(shí)可吸收電路達(dá)13mA，但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級(jí)輸入電路的需要選擇阻值。因?yàn)殡娮杼?huì)使6N137耗電增大，加大對(duì)電源的沖擊，使旁路電容無(wú)法吸收，而干擾整個(gè)模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選

21、4.7k歐姆，若后級(jí)是TTL輸入電路，且只有1到2個(gè)負(fù)載，則用47k歐姆或15k歐姆也行。使用中6N137有兩種邏輯輸出，簡(jiǎn)單原理如下圖所示，若以腳2為輸入，腳3接地，則相當(dāng)于非門的傳輸，若希望在傳輸過(guò)程中不改變邏輯狀態(tài)，則從腳3輸入，腳2接高電平。其中RF為限流電阻，一般可取500歐姆左右。需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管教旁應(yīng)有一個(gè)0.1uF的去耦電容。在選擇電容類型時(shí)，應(yīng)盡量選擇高頻特性好的額電容器，如陶瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片內(nèi)部已有上拉電阻，無(wú)需再接上拉電阻。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選擇邏輯傳輸狀態(tài)不變的接法，級(jí)3腳接輸入

22、，2腳接高電平，用RF進(jìn)行限流，選擇470歐姆的限流電阻。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選擇邏輯傳輸狀態(tài)不變的接法，級(jí)3腳接輸入，2腳接高電平，用RF進(jìn)行限流，選擇470歐姆的限流電阻。接法如下圖所示： 圖4-2 6N137接線圖五、控制策略的選擇5.1系統(tǒng)的控制方式直流斬波可逆調(diào)速系統(tǒng)的控制方式有開(kāi)環(huán)控制、速度反饋單閉環(huán)控制、速度電流雙閉環(huán)控制等，一下比較各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最佳控制方案。開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的原理框圖如下：速度給定電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)器PWM發(fā)生器速度控制器 圖5-1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖開(kāi)環(huán)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不反送到輸入端參與控制，即輸出速度與輸入速度給定之間沒(méi)有任何直接的聯(lián)系。

23、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輸入量與輸出量之間的關(guān)系是固定的。在內(nèi)部參數(shù)和外部負(fù)載等干擾因素不大的情況下，可以采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。但是，當(dāng)各種無(wú)法預(yù)計(jì)的擾動(dòng)因素，是被調(diào)量產(chǎn)生的偏差超過(guò)允許的限度時(shí)，則不能采用開(kāi)環(huán)控制而要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖如下：速度給定 速度輸出速度反饋速度控制器PWM發(fā)生器H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖5-2速度反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖速度反饋單閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性較軟，滿足不了較高的調(diào)速要求，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，通常對(duì)某些生產(chǎn)機(jī)械的電力拖動(dòng)裝置提出更高的要求，速度反饋單閉環(huán)系統(tǒng)提高了系統(tǒng)靜態(tài)特性的硬度。但是由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性

24、大，因此速度反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，存在調(diào)節(jié)滯后、延時(shí)的問(wèn)題。速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖如下：電流反饋ACRASRH橋驅(qū)動(dòng)器PWM發(fā)生器電機(jī)速度反饋速度給定 速度、電流輸出 圖5-3速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖速度、電流反饋雙閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)速度、電流反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)很好的滿足了動(dòng)、靜態(tài)性能，因此一般動(dòng)、靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。5.2 H型變換器的控制方式選擇H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式，一下分析各種方式的特點(diǎn)，并選擇一種合適的控制方式。（1）雙極式可逆PWM變換器  圖 5-4 PWM變

25、換器四個(gè)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(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓波形相同，即，VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷；，VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。而且，和，相位相反，在一個(gè)開(kāi)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，變換器輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)有正負(fù)極性變化，這是雙極式PWM變換器的特征，也是“雙極性”名稱的由來(lái)。雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)是：電流一定連續(xù)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限動(dòng)行；電動(dòng)機(jī)停止時(shí)的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時(shí)由于每個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)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)到很寬的調(diào)速范圍。雙極式

26、可逆PWM變換器存在如下缺點(diǎn)；在工作過(guò)程中，四個(gè)電力電子器件都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件直通的事故，降低了設(shè)備的可靠性。（2）單極式可逆PWM變換器單極式可逆PWM變換器和雙極式變換器在電路構(gòu)成上完全一樣，不同之處在于驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一樣。左邊兩個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有和雙極式一樣的正、負(fù)交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個(gè)器件VT3、VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則按電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號(hào)：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使恒為負(fù)，恒為正，VT3截止VT4常通；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則使恒為正，恒為負(fù)，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化顯然會(huì)使不同階段各電力電子器件的開(kāi)

27、關(guān)情況和電流流通的回路與雙極式變換器相比有不同。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)電流方向連續(xù)不變；負(fù)載較輕時(shí)，電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)也會(huì)變向。（3）受限單極式可逆PWM 變換器單極式變換器在減少開(kāi)關(guān)損耗和提高可靠性方面比雙極式比雙極式變換器好，但是還是有一對(duì)晶體管和交替導(dǎo)通和關(guān)斷，仍有電源直通的危險(xiǎn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在0t 期間，是一直截止的。同樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，讓恒為負(fù)，一直截止，這樣，就不會(huì)產(chǎn)生直通的故障了。 受限單極式可逆變換器在負(fù)載較重時(shí)，電流在一個(gè)方向內(nèi)連續(xù)變化，所有電壓、電流波形都和一般單極式變換器一樣。但是在負(fù)載較輕時(shí)，由于有兩個(gè)晶體管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不肯能導(dǎo)通，因而不會(huì)出現(xiàn)電流變向的情況，在

28、連續(xù)期間電流衰減到零時(shí)，波形便中斷了，這是電樞兩端電壓跳變到=E,這種輕載電流斷續(xù)的現(xiàn)象將使變換器的外特性變軟。它使PWM調(diào)速系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能變差。經(jīng)過(guò)綜合比較，雙極式可逆PWM變換器的控制方式簡(jiǎn)單，利集成芯片SG3525、SG3524等可以方便實(shí)現(xiàn)，且可以保證上下MOSFET 不同時(shí)導(dǎo)通，即保證了可靠性。5.3控制電路設(shè)計(jì)5.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速反饋電路圖如下，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。 圖 5-5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)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。電流調(diào)節(jié)器如下

29、圖所示： 圖 5-6 電流調(diào)節(jié)器PWM波發(fā)生器設(shè)計(jì)PWM波發(fā)生器由專用的PWM控制芯片SG3525為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比可調(diào)的矩形波，其占空比受控制。其具體接線圖如下：其中是給定與速度反饋比較后經(jīng)ACR，其輸出與電流反饋比較經(jīng)過(guò)ASR，其輸出即為 圖5-7 PWM 波發(fā)生電路六、系統(tǒng)工作原理分析 圖6-1 主電路圖 圖 6-2 控制電路圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如上圖所示。在該雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路采用H橋式電路，控制電路中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制直流斬波器的觸發(fā)裝置，從而對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆調(diào)速。電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)

30、節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。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)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。七、波形分析與MATLAB 仿真整流電路電網(wǎng)380三相電壓經(jīng)過(guò)整流變壓器，由三相不可控整流電路實(shí)現(xiàn)整流，其MATLAB仿真電路如下：整流后波形如下：經(jīng)過(guò)電容濾波后波形如下：橋式直流PWM變流器（雙極性調(diào)制）的MATLAB仿真模型如下圖所示：橋式直流PW