可逆直流PWM调速系统设计.docx

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可逆直流PWM调速系统设计

新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计说明书

可逆直流PWM调速系统设计

专业班级：

电气自动化09—40

（1）班

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完成日期：

2011-6-2

新疆工业高等专科学校

电气与信息工程系课程设计任务书

2011/12学年学期2011年6月2日

专业

电气自动化

班级

09-40

（1）班

课程名称

电力电子技术

课程设计

设计题目

可逆直流PWM调速系统

指导教师

何颖

起止时间

2011年5月30-6月2

周数

1周

设计地点

电力电子实验室

设计目的：

1.了解并掌握电力电子装置的一般设计方法；

2.初步掌握电力电子装置的组装和调试的基本技能；

3.提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；

4.进一步掌握电子仪器的使用方法。

设计任务或主要技术指标：

1.了解直流电机工作的原理；

2.学会Protel99se仿真

3.掌握PWM控制及调试过程

技术指标：

直流电动机220V10A；二极管1N91；三极管EF152

设计进度与要求：

第一天：

查找相关资料

第二、三、四天：

进行仿真、调试PWM控制系统

第五天:

整理实训报告

要求：

了解电机工作原理

熟练掌握PWM调速系统及分析各部分功能

主要参考书及参考资料：

《电力电子技术辅助教材》内部教材

《电力电子应用技术（第三版）》莫正康主编机械工业出版社2000年

《电力电子技术课程设计指导书》李久胜等编哈尔滨工业大学2006年

教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日

新疆工业高等专科学校电气与信息工程系

课程设计评定意见

设计题目：

可逆直流PWM调速系统

学生姓名：

钱杰专业电气自动化班级09—40

（1）班

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：

年月日

评定意见参考提纲：

1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2.学生的勤勉态度。

3.设计或说明书的优缺点，包括：

学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

摘要

本文介绍了一种基于PWM信号，采用H桥对直流电机进行调压调速的驱动电路，利用PWM调节导通时间来改变输出波形的宽度，从而达到调压调速的目的。

在这次的电力电子设计中我们小组经过商量讨论后，采用的是二极管的桥式连接和绝缘栅型三极管构成的桥式连接，来调节直流电机可逆，控制宽度调节输出波形的时间，来实现调速，方案制定后我们开始用仿真。

我们组经过调式后，满足了可逆和调速。

关键词：

脉宽调制；H桥驱动电桥；PROTEL仿真；电机原理

1基本原理

1.1直流电机工作原理及基本结构

1.1.1直流电机基本工作原理

在电工课程中，我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用--电磁力定律。

电动机就是应用这个定律工作的。

图1.1是直流电动机的原理图。

图1.1直流电机原理图

电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。

电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。

电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。

这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。

如上图a所示。

当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。

电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。

电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定）的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。

它与发电机的电动势E的作用不同。

发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。

而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。

发电机和电动机两者的电磁转矩T的作用是不同的。

发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。

电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。

电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即T＝T2十T0。

当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。

可见，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。

1.1.2直流电机结构

我们讨论电机及其它电器的结构，目的在于了解它们各主要部件的名称、作用、相互组装及动作关系。

以利正确选用和使用。

电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。

首先是电磁方面的要求:

使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一定的绝缘强度。

其次是机械方面的要求：

电机能传递一定的转矩，保持机械上的坚固稳定。

此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。

从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。

下面介绍直流电机的结构。

图1.2是直流电机结构图。

图1.2直流电机结构图

1—风扇2—机座3—电枢4—主磁极5—刷架

6—换向器7—接线板8—出线盒9换向磁极10—端盖

主磁极：

主磁极的作用是产生主磁通φ，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。

极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。

直流电机的磁极如图所示。

极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。

改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。

换向磁极：

在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。

它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。

换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏。

主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。

于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。

用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。

电刷装置：

电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。

固定在机座上（小容量电机装在端盖上）不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。

电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。

机座：

机座用铸钢或铸铁制成。

用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。

机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。

端盖：

端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。

转子又称电枢，是电机的旋转部分。

它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。

电枢铁心：

电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。

铁心也作为电机磁路的一部分。

绕组：

绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。

它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。

绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。

换向器：

换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。

为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。

按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。

电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标e表示。

这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前，应熟悉铭牌。

使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。

2.PWM基本介绍

自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：

主电路线路简单，需用的功率器件少；

开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：

10000左右；

若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；

功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。

由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛。

2.1PWM控制调速原理

直流电机PWM调速的基本原理图如图2.1。

可控开关S以固定的周期重复地接通和断开，当开关S接通时，直流供电电源U通过开关S施加到直流电机两端，电机在电源作用下转动，同时电机电枢电感储存能量；当开关S断开时，供电电源停止向电动机提供能量，但此时电枢电感所储存的能量将通过续流二极管VD使电机电枢电流继续维持，电枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转。

开关S重复动作时，在电机电枢两端就形成了一系列的电压脉冲波形，如图2.2所示。

电枢电压平均值Uav的理论计算式为:

（1）其中α为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。

由式

（1）可知，平均电压由占空比及电源电压决定，保持开关频率恒定，改变占空比能够相应地改变平均电压，从而实现了直流电动机的调压调速。

图2.1简单直流PWM控制电路图2.2电压及电流波形

2.2脉宽调制变换器

在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。

过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。

为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。

采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。

直流斩波器-电动机系统的原理如图2.3（a）所示，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。

当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。

如此反复，得到电枢端电压波形u=f（t）,如图2.3（b）所示，好象是电源电压Us在ton时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波”。

这样，电动机得到的平均电压为：

Ud=（ton/T）*Us=ρ*Us

式中T---功率开关器件的开关周期

ton---开通时间

ρ---占空比，ρ=ton/T=ton*f，其中f为开关频率。

a）原理图b）电压波形图

图2.3脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图

如图2.4所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1—VT2共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSEWIDTHMODULATION，简称PWM）变换器。

VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+Us或-Us。

改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图2.4（b）所示

a）基本原理图b）电压波形

图2.4桥式可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形

如果用ton表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比ρ的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为：

Ud=（ton/T）*Us-[（T-ton）/T]*Us=（2*ton/T-1）*Us=（2ρ-1）*Us

脉宽调制变换器的作用是：

用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

2.3桥式可逆PWM变换器

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图2.5所示。

图2.5桥式可逆PWM变换器

双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图2.6所示。

图2.6双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们之间的关系是：

Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。

在一个开关周期内，当0≤t

因此，Uab在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

图2.6也绘出了双极式控制时的电压和电流波形，相当于一般负载情况，脉动电流的方向为正；相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。

电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。

当正脉冲较宽时，ton>T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。

图3—6所示的波形是电动机正转时的情况。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：

若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：

γ=2ρ-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。

调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，γ=（-1）~（+1）。

当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。

但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。

这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。

但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

1）电流一定连续；

2）可使电动机在四象限运行；

3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：

20000左右；

5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

双极式控制方式的不足之处是：

在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低。

2.4．调试过程

直流PWM的主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，只需将控制板安放在主电路上方，并将主电路板上J3和J6、J7与控制板上对应的J3和J6、J7用排线相连，就可进行调试，主电路和控制电路中所有可接触部分的电压均在30V以下，不会出现电击现象。

为了方便调试及保证电路安全，增设调试盒一个。

整个系统的连接关系如图2.7所示。

图2.7调试系统的组成

调试盒上面安放2个开关、2个指示灯和1个电流表，其面板如图？

所示。

在主电路中的作用如图2.8所示。

S1用于开关总电源，L1为其上电指示。

S2用于接通或断开H桥的直流电源（可用于电机的启停控制），L2为其上电指示。

电流表M1用于检测负载电流。

主电路中H桥（即IPM模块）前串入的电阻R1和R2，阻值各为5欧姆，用于限制短路电流，保护IPM。

Ra为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为1欧姆），用于观测电枢电流的波形。

图2.8调试盒的面板

图2.9主电路原理示意图

控制板的调试步骤如下：

1）先调试控制板上的稳压电路。

步骤是：

只将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7均不连接。

再将LM2575T插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，控制板将通过J3接口获得直流母线电压。

然后调节稳压电路中的电位器，直到在稳压电路的输出部分获得所需15V直流电压。

2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。

首先将SG3525插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

然后调节相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在0～1之间调节的脉宽调制信号。

3）调试两路驱动信号的开通延时电路。

首先将74LS06插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

然后调节相应电位器，两路驱动信号之间有5μS的开通延时，或着说存在5μS的死区。

4）测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路。

将控制板的J6和J7接口与主电路板相连。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。

5）上述单元电路均调试通过后，在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

将驱动信号的占空比调整到50％附近。

闭合S2开关，接通H桥的直流电源，测试电机的端电压，判断是否与设想的情况复合。

若一切正常，则调节占空比，使电机运转起来，并能够调速和反转。

需注意：

在整个调试过程中，如系统各部分均正常，电流表上的电流指示值应在0.2A（0.5A）以内，如发现电流表上的电流指示值超过0.6A，则应立即断开开关S1,然后查找过流的原因。

总结与体会

通过本次电力电子设计，我对本专业的认识更加深刻了，同时加强了对专业知识的掌握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经验。

首先：

通过对直流电机驱动电路的设计，我掌握了驱动电路和保护电路的设计方向、思路、方法。

也了解到PWM调速系统的工作，及它的工作方式。

其次：

本次实训设计内容比较丰富，用到的设计资料、书籍和设计工具也比较多。

本次设计锻炼了自己的动手能力，树立了理论联系实际的理念，并且使自己进一步对脉宽调速的知识掌握和protel软件以及各种辅助应用软件的使用，让我感触很深。

我们小组在设计过程中遇到过问题，比如说原理，运用PWM调速是怎样工作的；二极管的桥式连接，在调试的过程中没有波形出现，经过一组成员的商量及其他同学的帮住，这些问题都顺利解决。

所以我认为设计过程中与大家交流是非常必要的。

合理的交流能够迅速地发现自己的不足，同时够吸纳别人的长处，避免自己在设计中走弯路，也能给自己、他人动力和信心。

我认为做设计要独立自主、主动进取外，还要积极的采纳大家的良意，并虚心向他人学习，来弥补自己的不足。

这些就是我的实训总结。

致谢

首先感谢何颖老师对我们的指导,在电力电子设计过程中我们得到何老师的悉心指导和认真指点,使我的理论知识和动手操作能力都有了较大的提高,在何老师身上,我看到了科研工作者所特有的严谨求实的教学风范，勇于探索的工作态度和求同存异、不断创新的治学理念。

不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。

另外我要感谢我这个组的其他几位同学,在设计过程中,他们在许多方面给了我很大的帮助,同时我也明白了团队合作精神的重要性。

再次我要感谢学校给了我提供了一个能顺利完成设计的环境，使我在设计中所需的参考文献都能在图书馆和资料室找到。

最后感谢所有在这次设计中给予我关心和帮助的老师和同学。

参考文献

[1]孙辉，张涛，张旭东.快学易用protel99[M]，北京邮电大学出版社2001。

[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M]，机械工业出版社2000。

[3]康华光.电子技术基础数字部分[M]，高等教育出版社2000。

[4]叶斌.电力电子应用技术[M]，清华大学出版社2006。

[5]康华光.电子技术基础模拟部分[M]，高等教育出版社2003。

[6]阮毅，陈维钧.运动控制系统[M]，清华大学出版社2005。

附录A

图2-10可逆直流PEM调速系统电路图

附录B

图2-11可逆直流PWM调速系统仿真图