双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计.docx
- 文档编号:23707193
- 上传时间:2023-05-20
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:347.01KB
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计.docx
《双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计
FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY
《交直流调速系统》课程披廿
3115102056
专业(方向)年级:
电气1:
程及其门动化2011级
福建农林大学机电工程学院电气工程系
2014年12月门日
交宣流调速课程设计任务书
一、题目
2.设计目得
三、系统方案得确定
四、设计任务
五、课程设计报告得要求
六、参考资料交宣流调速课程设计说明书
2、I、1方案选定2、I、2桥式可逆PWM变换器得工作原埋
10
2、I、3系统控制电路图
2.I、4双闭环恵流调速系统得静特性分析
II
2、I、5双闭环恵流调速系统得稳态结构图
12
二、硬件结构
13
2、.2、1主电路
14
2、2、2泵升电乐限制
16
三、主电路参数计算与元件选择
16
2、3、1整流一极管得选择
16
2.3、2绝缘柵双极晶体管得选择
17
四、调节器参数设计与选择
17
2、4、1调节器工程设计方法得基本思路
17
2、4、2电流环得设计
18
2、3、7确定时间常数
18
2、4、3选择电流调节器结构
20
2.4、4选择电流调节器参数
21
2、4、5计算ACR御电阻与电容
22
2、4、6转速环得设计
22
2、4、7反馈单元
24
三•心得体会
26
交直流调速课程设计任务书
、题目
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计
二、设计目得
1、对先修课程(电力电子学、自动控制原理等)得进一步理解与运用
2、运用《电力拖动控制系统》得理论知识设计出可行得直流调速系统,通过建模、仿真验证理论分析得正确性。
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得设iX常用集成芯片得使用以及对电阻、电容等元件得选择等得工程训练。
达到综合提高学生工程设计与动手能力得U得。
3.系统方案得确定
自动控制系统得设计一般要经历从“机械负载得调速性能(动、静)一电机参数一主电路f控制方案”(系统方案得确定)一“系统设计一仿真研究一参数整定-直到理论实现要求f硬件设计f制版、焊接、调试”等过程,其中系统方案得确定至关重要。
为了发挥同学们得主观能动作用,且避免方案及结果雷同,在选定系统方案时,规定外得其她参数山同学自己选定。
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得功率开关管
IGBT构成H型双极式控制可逆PW变换器;
2、速度调节器与电流调节器采用PI调节器;
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)4、主电源:
可以选择三相交流380V供电;
5、她励直流电动机得参数:
见习题集【4-19](P96)=1000r/inin,电枢回路总电阻R=2Q,电流过载倍数X=2o
4.设计任务
a)总体方案得确定;
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、参数得选择;
e)调节器、PWM信号产生电路得设讣;
f)检测及反馈电路得设计与计算;
5.课程设计报告得要求
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、i|•算式等)。
3、形式要求:
以《福建农林大学本科生课程设汁》(工科)得规范化要求撰写。
要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上得图表允许徒手画,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。
未进行具体设计得功能块允许用框图表示,且功能块之间得连线允许用标号标注。
6.
参考资料
交直流调速课程设计说明书
、方案确定
2、1、1方案选定
直流双闭环调速系统得结构图如图1所示,转速调节器与电流调节器串极联结•转速调节器得输出作为电流调节器得输入■再用电流调节器得输出去控制PWM装置。
其中脉宽调制变换器得作用就是:
用脉冲宽度调制得方法■把恒定得直流电源电压调制成频率一定、宽度可变得脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压得大小,以调节电机转速■达到设计要求。
总体方案简化图如图1所示。
图1双闭环调速系统得结构简化图
用双闭环转速电流调节方法,虽然相对成本较ifth但保证了系统得可靠性能.保证了对生产工艺得要求得满足■既保证了稳态后速度得稳定■同时也兼顾了启动时启动电流得动态过程。
在启动过程得主要阶段,只有电流负反馈,没有转速负反馈■不让电流负反馈发挥主要作用,既能控制转速■实现转速无静差调节■乂能控制电流使系统在充分利用电机过载能力得条件下获得最佳过渡过程,很好得满足了生产需求。
图2直流PUT传动系统结构图
直流PWM控制系统就是直流脉宽调制式调速控制系统得简称,与晶闸管直流
速系统得区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置,作为系统得功率驱
动器,系统构成原理如图2所示。
其中属于脉宽调制调速系统主要山调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD与电力晶体管基极得驱动器GD与脉宽调制(PWM)变换器组成,最关键得部件为脉宽调制器。
如图3所示,这时,启动电流成方波形,而转速就是线性增长得。
这就是在最大电流(转矩)受限得条件下调速系统所能得到得最快得起动过程。
3)帶电流戴||:
负反織的单闭环调速系统起动过和
(b)理他!
抉趣lU动过种
图3调速系统启动过程得电流与转速波形
2、1、2桥式可逆PWM变换器得工作原理
脉宽调制器得作用就是:
用脉冲宽度调制得方法,把恒定得直流电源电压调制成频率一定宽度可变得脉冲电圧序列,从而平均输出电压得大小,以调节电机
转速。
桥式可逆PWM变换器电路如图4所示。
这就是电动机M两端电压得极性随开关器件驱动电压得极性变化而变化。
图4桥式可逆PWM变换器电路
双极式控制可逆PWM变换器得四个驱动电压波形如图5所示。
图5PWM变换器得驱动电压波形
她们得关系就是:
。
在一个开关周期内■当时■晶体管、饱与导通而、截止■这时。
当时截止■但.不能立即导通,电枢电流经、续流•这时。
在一个周期内正负相间.这就是双极式PWM变换器得特征■其电压、电流波形如图2所示。
电动机得正反转体现在驱动电压正、负脉冲得宽窄上。
当正脉冲较宽时"则得平均值为正,电动机正转,当正脉冲较窄时•则反转;如果正负脉冲相等"平均输出电圧为零,则电动机停止。
双极式控制可逆PWM变换器得输出平均电压为
如果定义占空比,电压系数则在双极式可逆变换器中
调速时,得可调范W为0〜1相应得。
当时,为正■电动机正转;当时,为负■电动机反转;当时"电动机停止。
但电动机停止时电枢电压并不等于零,而就是正负脉宽相等得交变脉冲电压,因而电流也就是交变得。
这个交变电流得平均值等于零■不产生平均转矩,徒然增大电动机得损耗这就是双极式控制得缺点。
但它也有好处•在电动机停止时仍然有奇频微震电流,从而消除了正、反向时静摩擦死区•起着所谓“动力润滑,W导作用O双极式控制得桥式可逆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■每个开关器件得驱动脉冲仍较宽■有利于保证器件得可幕导通。
控制电路如下所示。
主要组成部分有信号设定(频率给定、给定积分器)、弦参考信号幅值与频率控制电路(绝对值运算器、压控掘荡器、函数发生器、性鉴别器)、PWM波发生器(三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、较器)及与主电路相隔离得电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。
2.1、3系统控制电路图
控制电路如下所示。
主要组成部分有信号设定(频率给定、给定积分器)、弦参考信号幅值与频率控制电路(绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、性鉴别器)、PWM波发生器(三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、较器)及与主电路相隔离得电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路
通用型PWM变频器原理图框图
2.Is4双闭环直流调速系统得静特性分析
山于采用了脉宽调制,电流波形都就是连续得■因而机械特性关系式比较简单,电压平衡方程如下
按电压平衡方程求一个周期内得平均值■即可导出机械特性方程式,电枢两端在一个周期内得电压都就是,平均电流用表示■平均转速,而电枢电感压降得平均值在稳态时应为零。
于就是其平均值方程可以写成
则机械特性方程式
2.1、5双闭环直流调速系统得稳态结构图
胃先要画出双闭环直流系统得稳态结构图如图4所示,分析双闭环调速系统静特性得关键就是掌握PI调节器得稳态特征。
一般存在两种状况:
饱与一输出达到限幅值;不饱与一输出未达到限幅值。
当调节器饱与时,输出为恒值,输入量得变化不再影响输出,相当与使该调节环开环。
当调节器不饱与时,PI作用使输入偏差电圧在稳态时总就是为零。
图6双闭环直流调速系统得稳态结构框图
实际上,在正常运行时,电流调节器就是不会达到饱与状态得。
因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱与与不饱与两种W况。
为了获得近似理想得过度过程,并克服儿个信号综合于一个调节器输入端得缺点,最好得方法就就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制,用两个调节器分别调节转速与电流,构成转速、电流双闭环调速系统。
所以本文选择方案二作为设计得最终方案。
如图5为双闭环直流调速系统原理、
图8双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
2、、2.1主电路
主电路山二极管整流器UR、PW逆变器UI与中间直流电路三部分组成,一般都就是电压源型得,采用大电容C滤波,同时兼有无功功率交换得作用。
可逆PWM变换器主电路有多种形式,最常用得就是桥式(亦称H形)电路,如图7为桥式可逆PWM变换器。
这时电动机M两端电压Uab得极性随开关器件驱动电压极性得变化而变化,其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,本设计用得就是双极性控制得可逆PWM变换器。
双极性控制得桥式可逆PWM变换器有电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩擦死区、低速平稳性好等优点。
1*
O1
图9桥式可逆PWM变换器
图10为双极式控制时得输出电压与电流波形。
相当于一般负载得情况,脉动电流得方向始终为正;相当于轻载悄况,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。
Uo*
ton
Uijx
♦
双极性控制可控PWM变换器得输出平均电压为
转速反馈电路如图11所示,山测速发电机得到得转速反馈电压含有换向纹波■因此也需要滤波,山初始条件知滤波时间常数。
根据与电流环一样得道理■在转速给定通道上也加入相同时间常数得给定滤波环节。
2、2.2泵升电压限制
当脉宽调速系统得电动机减速或停车时,储存在电机与负载传动部分得动能将变成电能,并通过PWM变压器回馈给直流电源。
一般直流电源山不可控得整流器供电,不可能回馈电能,只好对滤波电容器充电而使电源电压升高,称作“泵升电压”O如果要让电容器全部吸收回馈能量,将需要很大得电容量,或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。
在不希望使用大量电容器(在容量为儿千瓦得调速系统中,电容至少要儿千微法)从而大大增加调速装置得体积与重量时,可以采用山分流电阻R与开关管VT组成得泵升电压限制电路,用R来消耗掉部分动能。
R得分流电路靠开个器件VT在泵升电压达到允许数值时接通。
三、主电路参数计算与元件选择
主电路参数il•算包括整流二极管计算,滤波电容计算、功率开关管IGBT得选择及各种保护装置得计算与选择等。
2、3.1整流二极管得选择
根据二极管得最大整流平均与最高反向工作电压分别应满足:
(V)
选用大功率硅整流二极管,型号与参数如下所示:
型号
额定正向平
额定反向峰
正向平均压
反向平均漏
散热器型号
均电流(A)
值电压
URM(V)
降(V)
电流(mA)
ZP1OA
10
200^2000
0、5"0、7
6
SZ14
在设计主电路时,滤波电容就是根据负载得悄况来选择电容C值,使
RC(3、5)T/2,且有(V)
即ClSOOOuF
故此,选用型号为CD15得铝电解电容,其额定直流电压为400V,标称容量为22000uFo
2、3.2绝缘栅双极晶体管得选择
最大工作电流Iinaxa2Us/R=440/0、45=978(A)
集电极一发射极反向击穿电压M(2〜3)Us=440〜660V
四.调节器参数设计与选择
2、4.1调节器工程设计方法得基本思路
先选择调节器得结构,以确保系统稳定,同时满足所需要得稳态精度。
再选择调节器得参数,以满足动态性能指标。
设计多环控制系统得一般原则就是:
从内环开始,一环一环地逐步向外扩展。
在这里就是:
先从电流环人手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环瞧作就是转速调节系统中得一个环节,再设计转速调节器。
2、4.2电流环得设计
H型单极式PWM变换器供电得直流调速系统■采用宽调速直流电动机。
额定力矩为4、9N・m,电枢电阻Ra=K64,电枢回路总电感L=10、2mH.额定电流=6A■额定电压=110Vo
调速系统得最小负载电流=1A•电源电压=122V,电力晶体管集电极电阻=2、
5,设=1000r/inin,电枢回路总电阻R=2Q,电流过载倍数入=2。
如图12为电流环结构图
g)
图12电流环结构图
2、3>7确定时间常数
(1)脉宽调制器与PWM变换器得滞后时间常数与传递函数得计算
电动机得启动电流为
启动电流与额定电流比为
晶体管放大区得时间常数为
电流上升时间得计•算公式为
式中一-晶体管导通时得过饱与驱动系数,取=2则
电流下降时间得计•算公式为
式中一-晶体管截止时得负向过驱动系数,取=2
最佳开关频率为
开关频率f选为4、4kH乙此开关频率已能满足电流连续得要求。
于就是开关周期
脉宽调制器与PWM变换器得放大系数为
于就是可得脉宽调制器与PWM变换器得传递函数为
(2)电流滤波时间常数取l、5ms
(3)电流环小时间常数
2、4、3选择电流调节器结构
根据设讣要求"而且
因此可以按典型I型系统设计
电流调节器选用PI型•其传递函数为
2、4.4选择电流调节器参数
要求时,应取•因此
于就是
2、检验近似条件
⑶要求,
现。
可见均满足要求。
2、4.5计算ACR得电阻与电容
取=40k■则
,取
按照上述参数,电流环可以达到得动态指标为,故满足设计•要求。
2、4.6转速环得设计
2、4、6、1确定时间常数
(1)电流环等效时间常数为
(2)取转速滤波时间常数
2.4.6.2ASR结构设计
根据稳态无静差及其她动态指标要求,按典型II型系统设计转速环ASR选用PI调节器■其传递函数为
2、4.6.3选择ASR参数
取h=5,则
2、4、6、4校验近似条件
⑵要求,
可见均能满足要求。
取,则
,取1440
当h=5时"而,因此
.,.%=8I.2%x2x10.167x^x2^=I4.8%<20%
可见转速超调量满足要求。
空载起动到额定转速得过渡过程时间
2x2x6
耳二冇丁严涯=°.°9O16miO3xlOOO=o39*o.“
可见能满足设计要求。
4.7、1转速检测装置选择
选测速发电机永磁式ZYS231/110型,额定数据为P=23、1孔U=110V,1=0、
21A,n=1900r/inino
测速反馈电位器RP2得选择考虑测速发电机输出最高电压时,其电流约为额定值得20%,这样,测速发电机电枢压降对检测信号得线性度影响较小。
测速发电机工作最高电压
测速反馈电位器阻值此时RP2所消耗得功率为
为了使电位器温度不要很高,实选瓦数应为消耗功率得一倍以上,故选RP2为4W,取2000o2.4、7、2电流检测单元
本系统要求电流检测不但要反映电枢电流得大小而且还要反映电流极性,所以选用霍尔电流传感器。
2、5系统总电路图
三•心得体会
一周得课程设计结束了,在这次得课程设计中不仅检验了我所学习得知识,也培养了我如何去把握一件事如何去做一件事悄,乂如何完成一件事悄。
在设计过程中,与同学分工设计,与同学们相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。
课程设计就是我们专业课程知识综合应用得实践训练,着就是我们迈向枕会,从事职业工作前一个必不少得过程「千里之行始于足下:
通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言得真正含义•我今天认真得进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实得基础•
通过这次交直流调速课程设计,本人在多方面都有所提高。
通过这次交直流调速课程设计,综合运用本专业所学课程得理论与生产实际知识进行一次交直流调速设计从而培养与提高学生独立工作能力,巩固与扩充了交直流调速等课程所学得内容,掌握交直流调速课程设计方法与步骤,同时各科相关得课程都有了全面得复习,独立思考得能力也有了提高。
在这次设计过程中,体现出自己单独设计模具得能力以及综合运用知识得能力,体会了学以致用、突出自己劳动成果得喜悦心悄,从中发现自己平时学习得不足与薄弱环节,从而加以弥补。
感谢对我帮助过得同学们,谢谢您们对我得帮助与支持,让我感受到同学得友谊。
山于本人得设il•能力有限,在设讣过程中难免出现错误,恳请老师们多多指教,我十分乐意接受您们得批评与指正,本人将万分感谢。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 闭环 可逆 直流 PWM 调速 系统 设计