电力拖动自动控制课程系统设计

1设计分析

1.1双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM 装置。其中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，达到设计要求。

图1 双闭环调速系统的结构图

1.2 调速系统起动过程的电流和转速波形

如图2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程

I dL

n

I d

I dm

I dL

n

I d

O

I dm

I

n

n

(a)(b)

(b)理想快速起动过程

图2 调速系统起动过程的电流和转速波形

1.3 H桥双极式逆变器的工作原理

脉宽调制器的作用是：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，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

H形双极式逆变器电路如图3所示。这时电动机M两端电压

U的极性随

AB

开关器件驱动电压的极性变化而变化。

图3H形双极式逆变器电路

双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。

O O

O O

U g1

U g2

U

-Us

i d

图4 H 形双极式逆变器的驱动电压波形

他们的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。在一个开关周期内，当0on t t ≤<时，晶体管1VT 、4VT 饱和导通而3VT 、2VT 截止，这时AB s U U =。当on t t T ≤<时，1VT 、4VT 截止，但3VT 、2VT 不能立即导通，电枢电流d i 经2VD 、3VD 续流，这时AB s U U =-。AB U 在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。

当正脉冲较宽时，2

on T t >

，则AB U 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，2on T t =，平均输出电压为零，则电动机停止。 双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为

21on on on d s s t T t t U U U T T T -⎛⎫=

-=- ⎪⎝⎭ 如果定义占空比on t T ρ=，电压系数d s

U U γ= 则在双极式可逆变换器中

21γρ=-

调速时，ρ的可调X 围为0～1相应的1~1γ=-+。当12ρ>

时，γ为正，电动机正转；当12ρ<时，γ为负，电动机反转；当12

ρ=时，0γ=，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等于零，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，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。

双极式控制的桥式可逆PWM 变换器有以下优点：

1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。

4）低速平稳性好，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。

1.4 PWM 调速系统的静特性

由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下

d s d di U Ri L E dt

=++(0)on t t ≤<. d s d di U Ri L

E dt =++()on t t T ≤< 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/e n E C =，而电枢电感压降d di L dt

的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 s d d e U RI E RI C n γ=+=+

则机械特性方程式

s

d d

e e e

U R R

n I n I

C C C

γ

=-=-

2电路设计

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图5所示。PWM逆变器的直流电

源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容

C滤波，以获得恒定

的直流电压

s

U。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。

图5 H桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT模块型号：20MT120UF 生产厂家：IR公司

主要参数如下：

CER

U=1200V

c

I=16A *

CN

T=100C︒kW

P

CM

9.0

=V

U

sat

CE

05

.3

)

(

=

2.1给定基准电源

此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图6所示：