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主电路

摘要

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。

本文设计的调速系统采用桥式电路作为主电路，采用ASR与ACR作为调节器，触发电路以集成PWM控制器SG3525为核心,保护电路以过流保护为主。

概述了主电路的设计过程，以及其他部分的设计结果并在此基础上做出了双闭环H型PWM变频调速系统的整体设计。

关键字：

双闭环；直流脉宽调速；主电路；SG3525；

目录

1引言1

2直流脉宽调速系统主电路设计3

2.1主电路原理3

2.2主电路结构设计3

2.2.1PWM变换器的选用3

2.2.2泵升电压的限制5

2.3主电路参数计算6

2.3.1变压器参数设计6

2.3.2二极管不控整流桥设计7

2.3.3IGBT管参数设计7

2.3.4缓冲电路参数设计8

2.3.5泵升电路参数设计8

3直流脉宽调速系统调节器设计10

3.1转速、电流双闭环设计10

3.2ACR调节器设计10

3.3ASR调节器设计12

4直流脉宽调速系统触发电路设计14

4.1SG3525A脉宽调制器控制电路简介14

4.2IC芯片的工作14

5直流脉宽调速系统保护电路设计16

5.1过流保护16

5.2过电压保护16

6系统调试19

6.1实验结果19

6.1.1开环机械特性测试19

6.1.2闭环系统调试及闭环静特性测定20

6.2实验测试波形图21

7总结24

8参考文献25

1引言

自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。

在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。

传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。

双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

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的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。

目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，其中直流脉宽调速系统与V—M系统相比有许多无可比拟的优点，具有相当广阔的发展前景。

2直流脉宽调速系统主电路设计

2.1主电路原理

直流脉宽调速系统采用双闭环调速系统，如图2.1所示。

其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。

直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。

脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。

运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。

逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。

图2.1直流PWM传动系统结构图

2.2主电路结构设计

2.2.1PWM变换器的选用

PWM变换器有可逆和不可逆两类。

可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2.2所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。

图2.2可逆PWM变换器

T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。

H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。

H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。

主电路如图2.3所示。

图2.3直流脉宽调速系统主电路图

2.2.2泵升电压的限制

图2.4所示是桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图。

PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的电流电压

。

由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二级管。

为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻

，合上电源以后，延时用开关将

短路，以免在运行中造成附加损耗。

图2.4桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图

电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压

，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。

在大电容或负载有较大惯性的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图2.4中的镇流电阻

来消耗掉部分动能。

分流电路靠开关器件

在泵升电压达到允许数值时接通。

2.3主电路参数计算

2.3.1变压器参数设计

设电网波动系数a,采用的直流斩波得到的PWM波的最大占空比为b，三相不控整流桥电压系数为c，直流斩波器输入电压为

，二次相电压有效值

二次相电流有效值

，变压器功率P；电机过载倍数

，电机电动势系数

，电动机额定电压

电机额定电流

额定转速

电枢电阻

，整流主装置内阻

，则有：

1）电动机的电动系数

2）考虑电网波动系数（-10%~+5%）因此保证电网电压最低时还能正常供电故应考虑其最低值故取电网电压波动系数a=0.9。

3）直流斩波的最大占空比b=0.9

4）三相不控整流桥电压系数c=2.34

因此

代入数据即可得：

即可得

取

V

因此直流斩波器输入电压

，

考虑励磁电流此时取：

变压器件额定容量

2.3.2二极管不控整流桥设计

二极管参数计算：

根据电容滤波三相不可控整流桥理论，流经整流二极管的电流有效值

二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，

考虑到3~5倍的裕量，选取

，

滤波电容器参数计算：

几千瓦的拖动系统选用泵升电容一般选取几千微法拉，为保证电压的纹波系数足够小，可选用的

电容作为泵升电容。

2.3.3IGBT管参数设计

IGBT（InsulatedGateBipolorTransistor）叫做绝缘栅极双极晶体管。

这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。

其开关速度可达1ms，额定电流密度100

，电压驱动，自身损耗小。

其符号和波形图如图2.5所示。

图2.5IGBT信号及波形图

设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下：

管子类型：

NMOS场效应管

极限电压：

600V

极限电流：

27A

耗散功率P：

200W

额定电压U：

220V

额定电流I：

1.2A

2.3.4缓冲电路参数设计

如图2.3（b）所示，H桥电路中采用了缓冲电路，由电阻和电容组成。

IGBT的缓冲电路功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30-50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的

，从而产生过电压，危及IGBT的安全。

逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使

出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。

缓冲电路参数：

经实验得出缓冲电路电阻R=10K

；电容

。

2.3.5泵升电路参数设计

如图2.4所示，泵升电路由一个电容量大的电解电容、一个电阻和一个VT组成。

泵升电路中电解电容选取C=2000

；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20

。

3直流脉宽调速系统调节器设计

3.1转速、电流双闭环设计

图3.1双闭环直流调速控制系统原理图

图中，将转速调节器和电流调节器二者之间实行串级连接。

把速度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、电流反馈控制直流调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般选择PI调节器。

在双闭环直流调速系统的稳态结构图中，转速调节器ASR的输出限幅值决定了电流给定的最大值，电流给定的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

分析系统静特性的关键是掌握PI调节器的特征，PI调节器一般存在两种状况：

饱和---输出达到限幅值，不饱和---输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退饱和，此时相当于调节环开环。

当调节器不饱和时，PI调节器的作用是使输入偏差电压始终为零。

3.2ACR调节器设计

整流装置滞后时间常数

：

查表得三相桥式电路平均失控时间

电流滤波时间常数

：

三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有

，则

。

电流小时间常数

：

按小时间常数近似处理：

（3.1）

根据设计要求

，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：

（3.2）

检查对电源电压的抗扰性能：

（3.3）

电流调节器超前时间常数：

=

=0.0065s

取电流反馈系数：

（3.4）

电流环开环增益：

要求

时，由表可得，取

，因此

（3.5）

于是，ACR的比例系数为：

（3.6）

按所用运算放大器取

，各电阻和电容值为：

，取

；（3.7）

取

；（3.8）

取

。

（3.9）

3.3ASR调节器设计

电流环等效时间常数：

（3.10）

转速滤波时间常数：

转速环小时间常数：

按小时间常数近似处理，取

（3.11）

按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：

（3.12）

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：

（3.13）

转速开环增益为：

（3.14）

电压反馈系数

（3.15）

ASR的比例系数为：

（3.16）

按所用运算放大器取

，则

，取

；（3.18）

，取

；（3.19）

，取

。

（3.20）

4直流脉宽调速系统触发电路设计

4.1SG3525A脉宽调制器控制电路简介

SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。

SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V到35V

·5.1V±1.0％调定的基准电压

·100Hz到400KHz振荡器频率

·分立的振荡器同步脚

4.2IC芯片的工作

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。

它适用于各开关电源、斩波器的控制。

输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调.每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。

可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400KHz，具有欠压锁定、过压保护和软启动振荡器外部同步、死区时间可调、PWM琐存、禁止多脉冲、逐个脉冲关断等功能。

该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700C。

基准电压为5.1V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V

图4.1SG3525内部结构图

5直流脉宽调速系统保护电路设计

5.1过流保护

由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控硅。

系统采用了三种过流保护措施：

①电流调节器限流，电流整定值为250A，②过流保护环节，整定值为350A，③快速熔断器；对直流回路和每个可控硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。

它可以在冲击电流很大，冲击时间又很短的情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便。

在系统正常工作时，电流检测装置输出电压小于14V（相当于主回路电流350A），稳压管DW不导通。

BG1截止，继电器释放，BG2导通，BG3截止，发射极输出零电位，不影响正反组晶闸管整流装置的正常工作。

当主回路电流超过350A时，电流检测装置输出大于14V，稳压管DW被雪崩击穿，BG1导通，BG2截止，BG3导通，发射极输出高电位+15V，同时封锁正反两组触发器的脉冲。

当BG1导通时继电器得电吸合。

一方面自锁，另一方面使继电器得电吸合，在交流侧线路接触器S-B线圈中的常闭触头打开，使S-B跳闸，切断主回路交流电源。

改变电阻和数值或选择不同稳压值的稳压管DW即可整定不同的跳闸电流。

5.2过电压保护

开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。

开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。

用晶体管和继电器所组成的保护电路如图5.1所示。

图5.1输入过电压保护

在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管V导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。

其中稳压管的稳压值Vz=ESrmax－UBE。

输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。

输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。

特别对输出为5V的开关稳压器来说,它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。

如果在工作时,开关稳压器的开关三极管突然损坏,输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值,瞬时造成很大的损失。

常用的方法是晶闸管短路保护。

最简单的过电压保电路如图5.2所示。

图5.2简单的输出过电压保护

当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路,造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护了负载。

这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为5～10μs。

它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定。

另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。

图5.3是改进后的电路。

图5.3输出过电压保护

6系统调试

6.1实验结果

6.1.1开环机械特性测试

把电机、直流电源，接入系统，电动机、发电机加额定励磁。

缓慢增加给定电压Ug,使电机升速,调节给定电压Ug和负载Rg使电动机的电枢电流Id=1.1A,转速达到1400r/min。

在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：

表6-1：

开环机械特性（n=1400r/min）

n（r/min）

1412

1390

1380

1372

1365

1362

1348

1337

I（A）

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

表6-2：

开环机械特性（n=1000r/min）

n（r/min）

1000

985

973

982

949

930

929

911

I（A）

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.7

表6-3：

开环机械特性（n=500r/min）

n（r/min）

502

490

484

466

457

449

432

415

I（A）

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.6

图6.1开环机械特性曲线

然后将电机反转，增加给定Ug（负给定）使电机反向升速，调节给定电压Ug和负载Rg使电动机的电枢电流Id=1.1A,转速分别达到-1400r/min、-1000r/min、-500r/min。

在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：

表6-4：

开环机械特性（n=-1400r/min）

n（r/min）

-1400

-1389

-1369

-1361

-1352

-1338

-1331

I（A）

-0.4

-0.45

-0.5

-0.55

-0.6

-0.65

-0.7

表6-5：

开环机械特性（n=-1000r/min）

n（r/min）

-1000

-991

-998

-964

-955

-944

-933

I（A）

-0.3

-0.35

-0.4

-0.45

-0.5

-0.55

-0.6

表6-6：

开环机械特性（n=-500r/min）

n（r/min）

-499

-487

-469

-455

-447

-438

-430

I（A）

-0.2

-0.25

-0.3

-0.35

-0.4

-0.45

-0.5

图6.2开环机械特性曲线

6.1.2闭环系统调试及闭环静特性测定

直流电压输入为3V的情况下，发电机输出首先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近1500r/min，然后在发电机的电枢绕组接入负载电阻Rg，逐渐增大电动机负载（即减小负载的电阻值），直至电动机的电枢电流Id=1.1A，即可测出系统静态特性，测定n=f（Id）并记录于下表中：

表6-7：

闭环机械特性（n=1500r/min）

n（r/min）

1419

1404

1390

1373

1366

1355

1343

I（A）

0.35

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

表6-8：

闭环机械特性（n=-1500r/min）

n（r/min）

-1506

-1496

-1484

-1474

-1461

-1448

-1436

I（A）

-0.4

-0.45

-0.5

-0.55

-0.6

-0.65

-0.7

表6-9：

闭环控制特性

n（r/min）

1420

1373

1310

1220

1186

1076

914

Ug（A）

1.96

1.84

1.76

1.68

1.61

1.46

1.25

图6.3闭环控制特

6.2实验测试波形图

图6.3脉宽控制器三角波

图6.4逻辑延时矩形波占空比50%

图6.5占空比90%

图6.6占空比10%

图6.7逻辑延时时间测试

图6.8死区时间波形波

7总结

通过两周的课程设计，通过了解调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；掌握了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；掌握了主电路为了满足系统的指标在结构上的选取，包括其参数的计算；学会了直流电动机数学模型的建立，参数的计算；掌握了PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；运用Protel建立双闭环直流调速系统的仿真，与此同时，