PWM直流脉宽调速系统课程设计.docx
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目录
PWM直流脉宽调速系统 1
1概述 1
2设计任务及要求 2
2.1主要任务 2
2.2设计要求 2
3理论设计 3
3.1方案论证 3
3.2系统模型的建立 5
3.2.1直流电机模型 5
3.2.2调速系统动态模型 8
3.3调速系统性能分析 9
3.3.1静态性能和启动过程 9
3.3.2动态性能 11
3.3.3两个调节器的作用 12
3.4调节器设计 13
4MATLAB仿真 19
4.1PWM直流脉宽调速系统仿真 19
4.2仿真结果 19
5小结 20
参考文献 21
附页 21
1概述
直流电动机具有良好的起、制动性能,易于在大范围内平滑调整,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。
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PWM调速系统。
直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度(PWM)型的调速系统近年来已经发展成熟,用途越来越广泛,与晶闸管可控整流调速系统(V-M系统)相比,在很多方面具有较大的优越性:
(1)主电路线路简单,需用的功率元件少;
(2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较小;(3)低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;(4)系统
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频带宽,快速响应性能好,动态抗扰能力强;(5)主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;(6)直流电源采用不可控三相整流时,电网功率因数高。
2主要任务及要求
题目中所给的负载电机额定数据如下:
PN=8.5KW,UN=230V,IN=37A,nN=1450r/min,Ra=1.0Ω,Ifn=1.14A,GD2=2.96N.m2Tm=0.07s,Tl=0.005s
所给出的PWM变流装置参数如下:
Rrec=0.5Ω,Ks=44。
2.1主要任务
(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)根据双闭环直流调速系统原理图,分析转速调节器和电流调节器的作用,
(3)通过对调节器参数设计,得到转速和电流的仿真波形,并由仿真波形通过
MATLAB来进行调节器的参数调节。
(4)绘制PWM直流脉宽调速系统的电气原理总图.
2.2设计要求
(1)该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机可逆运行,具有较宽的调速范围
(D≥10),系统在工作范围内能稳定工作
(2)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
(3)稳态指标:
无静差
(4)动态指标:
电流超调量:
δi≤5%,起动到额定转速时的超调量:
δn≤8%,动态速降
Δn≤10%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts≤1s
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3理论设计
3.1方案论证
要求采用直流PWM调制,所以开关器件必须是全控型的电力电子器件,全控型的器件有门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等,因为IGBT具有较高的开关频率,较高的功率承受能力,而且驱动简单,所以选择IGBT作为开关器件。
要求实现电机的可逆运行,要求转速反向,就需要改变PWM变换器输出的电压的正负极性,使得直流电机可以在四象限中运行。
可逆PWM变换器的主电路有多种形式,最常用的是桥式(亦称H桥型)电路,如图1所示,电机M两端电压UAB的极性随着全控型电力电子器件的开关状态而改变。
可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,在这里采用最常见的是双极式控制的H桥型PWM变换器。
图1桥式可逆PWM变换器电路
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双极式PWM变换器的工作状态要视正、负脉冲电压的宽窄而定,如图2所示。
当正
3
脉冲较宽时,ton
>T,则电枢两端的平均电压为正,在电动运行时电动机正转。
当正脉冲
2
较窄时,ton
如果正、负脉冲宽度相等,t 2 on =T,平均 2 电压为零,则电动机停止。 图2双极式PWM变换器电压和电流波形 双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为: U =tonU d T s -T-tonU T s =(2ton T -1)US U 以r=Ud s 定义PWM电压的占空比,则 r=2ton-1 T ρ的变化范围为-1 ≤ρ≤1。 当ρ为正值时,电动机正转;ρ为负值时,电动机 反转;ρ=0时,电动机停止。 在ρ=0时虽然电机不动,电枢两端的瞬时电和瞬时电流 都不是零,而是交变的。 这个交变电流平均值为零,不产生平均转矩,陡然增大电机的 损耗。 但它的好处是使电机带有高频的微振,起着所谓“动力润滑”的作用,消除正、反向的静摩擦死区。 调速性能指标要求无静差、电流超调量: δi≤5%,起动到额定转速时的超调量: δn≤8%,动态速降Δn≤10%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts≤1s。 可以看到这样的指标 要求较高,采用一般的单闭环调速方式不可能达到要求,所以这里采用转速、电流双闭环调速控制方式。 转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。 转速、电流双闭环调速控制直流调速系统原理图如图3所示,为实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接。 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 图3 转速、电流双闭环直流调速系统原理图 其中: ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电 4 力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电 压 3.2系统模型的建立 3.2.1直流电机模型 直流电机有稳态模型和动态模型,由于这里主要研究系统的动态性能,而且动态模型中包含了稳态模型,所以这里只给出了直流电机动态模型的建立。 他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图4所示,其中电枢回路总电阻R和电感 L包含电力变换内阻、电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感,规定的正方向已标明在图中。 图4他励直流电机在额定励磁下的等效电路 假定主电路电流连续,动态电压方程为 5 Ud0=RId +LdId dt +Ed 忽略粘性摩擦及弹性转矩,电机轴上的动力学方程为 GD2dn Te-TL= 375dt 式中 TL GD2 包括电机空载转矩在内的负载转矩(N·m); 电力拖动装置折算到电机轴上的飞轮惯量(N·m2) 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 E=Cen Te=CmId 式中 C 电机额定励磁下的转矩系数(Ngm ),C =30C。 6 m L 再定义下列时间常数: A m p e l T 电枢回路电磁时间常数(S),Tl =R; GD2R Tm 电力拖动系统机电时间常数(S),Tm = 。 375CeCm 代入电压方程和动力学方程整理得 U -E=R(I +TdId) d0 d ldt Id-IdL =TmdE Rdt 式中 IdL 负载电流(A),IdL =TL。 C m 在零初始条件下,取拉氏变换,得到电压与电流间的传递函数为 Id(s) = 1R 电流与电动势的传递函数为 Ud0(s)-Ed(s) 1+Tls Ed(s) Id(s)-IL(s) = RTms 结合上述两式,考虑n=E Ce ,即得到额定励磁下直流电机的动态结构图,如图5所示。 图5额定励磁下直流电机的动态结构图 经过等效变换,可以的到如图6所示的动态结构框图。 图6直流电机动态结构框图的变换 7 1 Ce 由此可以的到直流电机的传递函数 Ud0(s) ml m n(s) =TTs2+Ts+1 3.2.2调速系统动态模型 在图2所示的转速、电流双闭环直流调速系统原理图中转速调节器和电流调节器一般采用PI调节器以消除静态误差。 电力电子变换器由桥式可逆PWM变换器电路组成的,而PWM变换器电路由PWM控制器发出驱动电压来控制主电路上的全控器件实现的,如图 7所示。 PWM 变换器 PWM 控制器 Uc Ug Ud 图7 PWM控制器与变换器的框图 按照3.1节中对PWM变换器工作原理和波形的分析,可以看出,当控制电压Uc改变时,PWM变换器输出平均电压Ud按照线性规律变换,但其相应会有延迟,最大的时延是一个开关周期T。 因此PWM控制器与变换器可以看成是一个滞后环节,其传递函数可以写成 s W(s)=Ud(s)=Ke-Tss 式中 Ks s PWM装置的放大系数; Uc(s) Ts PWM装置的延长时间,Ts£T。 当开关频率较大时,在一般的电力拖动自动控制系统中,时间常数较小的滞后环节可以近视看成一个一阶的惯性环节 8 Ws(s)» Ks Tss+1 注意上式是近似的传递函数,实际的PWM变换器不是一个线性环节,而是具有继电特性的非惯性环节。 至于电流反馈环节和转速反馈环节都可以看成是线性的一阶惯性环节,。 那么根据转速、电流双闭环直流调速系统原理图图3可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图8所 c U* i + + -Un -Ui 1 To×ns+1 a Tons+1 b Tois+1 ACR(s) Ks Tss+1 1 To×is+1 ASR(s) U Ud0 + Id IdL + E 1 Ce R Tms 1R 1+Tls U * n 图8双闭环直流调速系统的动态结构图 3.3调速系统性能分析 3.3.1静态性能和启动过程 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差。 这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出U*im,这时,电流
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