可逆直流PWM调速系统设计

可逆直流PWM调速

系统设计

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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

学生姓名: 钱杰

指导教师: 何颖

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完成日期: -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

/ 学期 6月2日

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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:

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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。

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关键词:脉宽调制;H桥驱动电桥;PROTEL仿真;电机原理

目录

1 基本原理 .................................................................. 错误!未定义书签。

1.1直流电机工作原理及基本结构 ........................... 错误!未定义书签。

1.1.1直流电机基本工作原理 .................................... 错误!未定义书签。

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1.1.2直流电机结构..................................................... 错误!未定义书签。

2. PWM基本介绍....................................................... 错误!未定义书签。

2.1PWM控制调速原理 ............................................ 错误!未定义书签。

2.2脉宽调制变换器................................................... 错误!未定义书签。

2.3桥式可逆PWM变换器 ....................................... 错误!未定义书签。

2.4．调试过程 ............................................................ 错误!未定义书签。总结与体会 ................................................................. 错误!未定义书签。致谢 ........................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ..................................................................... 错误!未定义书签。附录A .......................................................................... 错误!未定义书签。附录B .......................................................................... 错误!未定义书签。

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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

电枢绕组经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依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

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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,经过一定的电流,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。另外,还要满足冷却的要求,

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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。

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改变励磁电流I f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,改进电机的换向,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,可是,由于电枢电流经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,这样就改进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

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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。

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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。

2.1 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经过开关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

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将经过续流二极管VD 使电机电枢电流继续维持,电枢电流依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: U T ton U Uav

α== (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。如此重复,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

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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(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- 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

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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,从而能够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,最常见的是桥式(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。

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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≤tT/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:

s on s on s on d U )1T t 2(U T t T U T t U -=--=

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: 0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

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