可逆直流PWM调速系统设计.docx

1、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0940（1）班 * *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

2、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 220V 10A；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

3、 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0940（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

4、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

5、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

6、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TT2十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

7、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 1

8、0端盖主磁极：主磁极的作用是产生主磁通，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

9、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

10、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

11、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

12、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。2.1 PWM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，

13、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

14、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

15、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=*Us式中 T-功率开关器件的开关周期ton-开通时间-占空比，= 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VT1VT2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（PULSE WIDTH MODULATION，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-

16、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=（2-1）*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

17、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0tton时，Uab= Us，电枢电流id沿回路1流通；当tontT/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36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：若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器

18、相同，则在双极式是可逆变换器中：=2-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，的可调范围为01，相应的，=（-1）（+1）。当1/2时，为正，电动机正转；当1/2时，为负，电动机反转；当=1/2时，=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

19、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

20、 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

21、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

22、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5S的开通延时，或着说存在5S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

23、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（0.5 A）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

24、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

25、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protel99M，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