电力电子PWM设计

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：何颖完成日期：2011-6-2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2011/12学年学期2011年6月2日专业电气自动化班级09-40（1）班课程名称电力电子技术课程设计设计题目可逆直流PWM调速系统指导教师何颖起止时间2011年5月30-6月2周数1周设计地点电力电子实验室设计目的：1.了解并掌握电力电子装置的一般设计方法；2.初步掌握电力电子装置的组装和调试的基本技能；3.提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；4.进一步掌握电子仪器的使用方法。设计任务或主要技术指标：1.了解直流电机工作的原理；2.学会Protel99se仿真3.掌握PWM控制及调试过程技术指标：直流电动机220V10A；二极管1N91；三极管EF152设计进度与要求：第一天：查找相关资料第二、三、四天：进行仿真、调试PWM控制系统第五天:整理实训报告要求：了解电机工作原理熟练掌握PWM调速系统及分析各部分功能主要参考书及参考资料：《电力电子技术辅助教材》内部教材《电力电子应用技术（第三版）》莫正康主编机械工业出版社2000年《电力电子技术课程设计指导书》李久胜等编哈尔滨工业大学2006年教研室主任（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：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。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..........................................................11.1直流电机工作原理及基本结构......................................11.1.1直流电机基本工作原理..........................................11.1.2直流电机结构..................................................22.PWM基本介绍.....................................................42.1PWM控制调速原理...............................................42.2脉宽调制变换器.................................................52.3桥式可逆PWM变换器.............................................62.4．调试过程.......................................................9总结与体会.........................................................11致谢.............................................................12参考文献............................................错误!未定义书签。附录A.............................................................14附录B.............................................................15可逆直流PWM调速系统11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通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仍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，直流电机作发可逆直流PWM调速系统2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，通过一定的电流，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。此外，还要满足冷却的要求，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。改变励磁电流If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。可逆直流PWM调速系统3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，改善电机的换向，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，但是，由于电枢电流通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，这样就改善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。可逆直流PWM调速系统42.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。2.1PWM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通过开关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将通过续流二极管VD使电机电枢电流继续维持，电枢电流仍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:UTtonUUav（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电压及电流波形可逆直流PWM调速系统52.2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