交直流调速

交直流调速课程设计任务书一、题目双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。

也可以制作硬件电路。

3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。

达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。

三、系统方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。

为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。

1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器；2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V。

3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）2GD=1.52mN⋅；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（P96）nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2。

6、PWM装置的放大系数K s=11；PWM装置的延迟时间T s=0.4ms。

四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PWM信号产生电路的设计；f）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。

2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。

3、形式要求：以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。

要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。

4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。

未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。

六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社 2004.62、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统上海工业大学陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社 2000.1交直流调速课程设计说明书1 设计任务及要求1.1设计任务设计PWM 双闭环直流可逆调速系统(1) 技术数据：电源电源：s U =380V ；直流电动机：N U =110V ，N I =6A ，n N =1000r/min ，Ra=1.64Ω；堵转电流 Idbl=2N I ，截止电流 Idcr=1.5IN ，2GD =1.52m N ⋅； 电枢回路电磁时间：10.2 5.12l L mH T ms R ===Ω； 110 1.6460.10min/1000N N N U Ra I Ce v r n •-*-*===； 221.5283.773753750.19.55m GD R T ms CeCm ⨯∴===⨯⨯； 电枢回路总电阻 R=2Ω ，总电感 L=10.2mH ；*nm 100.01n 1000N U α===； *im 100.8322*6N U I β===； 滤波时间常数：Toi=0.5ms , Ton=0.01s ；系统主电路：(Tm=83.77ms ，Tl=5.1ms)；其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V 。

(2)技术指标：电动机能够实现可逆运行。

要求稳态无静差。

动态过度过程时间0.5s t s ≤，电流超调量00005i σ≤，空载启动到额定转速时的转速超调量000020n σ≤。

1.2设计要求(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求2双闭环调速系统的总体设计2.1 双闭环调速系统的结构图系统设计的一般原则为：先内环后外环。

即从内环开始，逐步向外扩展。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

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级连接，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。

总体方案简化图如图2-1所示。

图2-1 双闭环调速系统的结构简化图2.2 脉宽调制（PWM）的优点脉宽调制(PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。

PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

自从全控型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。

与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。

2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。

4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。

下图为变频器输出的PWM波的实时波形图2-2 两电平变频器输出电流及电压波形2.3 桥式可逆PWM变换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U的极速。

桥式可逆PWM变换器电路如图2-3-1所示。

这是电动机M两端电压AB性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

图2-3-1 桥式可逆PWM 变换器电路双极式控制可逆PWM 变换器的四个驱动电压波形如图2-3-2所示。

O OO OU g1U g4U g2U g3U ABUs-Usi di d1i d2ttttt on Tt onT图2-3-2 PWM 变换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，2on 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 Tρ=，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的可调范围为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12ρ=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，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。

2.4 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0sd de e eU R R n I n I C C C γ=-=- 3 主电路设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。

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”。

图3-1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理4电流调节器设计4.1电流环结构框图的化简在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即∆E≈0。

这时，电流环如图4-1-1所示。

图4-1-1忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /β，则电流环便等效成单位负反馈系统。

最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T4.2电流环参数的计算4.2.1确定时间常数（1） 脉宽调制器和PWM 变换器的滞后时间常数T PWM 与传递函数的计算 电动机起动电流：122I 612s s U A A R ===； 晶体管放大区的时间常数为：6110.15922 3.1410ce T s f βμπ===⨯⨯ ； 电流上升时间r t 的计算公式为：11kln k 0.95r ce t T =-； （式中1k ——晶体管导通时的过饱和驱动系数，一般取1k =1.5-2）， 这里取1k =2，则112ln 0.159ln 0.1030.9520.95r ce k t T s s k μμ===--； 电流下降时间f t 的计算公式为：22110.05f ce k t T n k +=+； （式中2k ——晶体管截止时的负向过驱动系数，一般取2k =1.5-2）， 这里取2k =2，则2f 2112ln 0.159ln 0.0610.050.051ce k t T s s k μμ++===++； 最佳开关频率为：Hz t t T f f r l sop 443510)061.0103.0(101.517.10332.0)(332.0366232=⨯+⨯=+=--α开关频率f 选4.4kHz,此开关频率已能满足电流连续的要求。