pwm脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證(編輯修改稿)
2025-07-26 19:25 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用已達(dá)到比較成熟的地步，尤其是隨著全數(shù)字直流調(diào)速的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。目前國(guó)內(nèi)各大專院校，科研單位和廠家也都在開發(fā)直流調(diào)速裝置，但大多數(shù)調(diào)速技術(shù)都是結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中，而在民用中應(yīng)用相對(duì)較少，所以應(yīng)用已有的成熟技術(shù)開發(fā)性能價(jià)格比高，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直流調(diào)速單元，將有廣闊的應(yīng)用前景。直流斬波電路原理實(shí)驗(yàn)和直流電機(jī)的 PWM調(diào)速實(shí)驗(yàn)都是《電力電子技術(shù)》課程要求必須開設(shè)的實(shí)驗(yàn)。本課題是應(yīng)生產(chǎn)教儀的廠家的需要,研制開發(fā)出一套控制平滑、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡(jiǎn)便、可靠性高、操作方便的直流調(diào)速控制掛箱以供大中專院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)之用,利用該掛箱設(shè)備可以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有: ①降壓斬波電路實(shí)驗(yàn)②升壓斬波電路實(shí)驗(yàn)③可逆直流 PWM調(diào)速實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了斬波實(shí)驗(yàn)電路與可逆 PWM調(diào)速實(shí)驗(yàn)電路的兼容。直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過(guò)改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用．調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻來(lái)改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)。80 年代，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無(wú)級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來(lái)實(shí)現(xiàn)．換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高(一般在 300Hz以下)，電機(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比較嚴(yán)重。因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件。于是 90年代出現(xiàn)了以 IGBT為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案 [2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，直流 PWM 驅(qū)動(dòng)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展更加迅速，由其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)也已成為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的佼佼者，受到越來(lái)越多電氣控制技術(shù)人員的重視。傳統(tǒng)的 PWM 直流傳動(dòng)系統(tǒng)常采用的主功率元件一般為功率晶體管(GTR)，隨著驅(qū)動(dòng)對(duì)象的日益復(fù)雜和系統(tǒng)性能及可靠性的逐步提高，采用場(chǎng)控器件 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的逐漸增多，這里就是采用 IGBT作為主電路的控制元件。第 2 章 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)總體介紹與主電路原理 雙極式 PWM 調(diào)速原理可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路，如圖 21 所示，電動(dòng)機(jī) M 兩端電壓 的極性隨全控型電力電子器件的開關(guān)狀A(yù)BU態(tài)而改變。雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0 t 時(shí) ， ，電樞1423ggUU???ontABSU?電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) tT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反號(hào) ，id 沿回路 2 經(jīng)二極管ont?續(xù)流， 。因此， 在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙ABSAB極式名稱的由來(lái)。 雙極式 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍大；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。2 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過(guò)程中，4 個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。 圖 22 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，在用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作電流內(nèi)環(huán)；速度換在外邊，稱作轉(zhuǎn)速外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 23 所示。圖 23 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和—輸出達(dá)到限幅值，不飽和—輸出未到達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI 的作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。U? 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和的兩種情況。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。圖 24 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中 和 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為()ASRW()ACRS了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流 顯露出來(lái)。電機(jī)的dI啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態(tài)。直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理圖? 根據(jù)脈寬調(diào)制變換器的工作原理，當(dāng)控制電壓 Uct 改變時(shí)，PWM 變換器的輸出電壓要到下一個(gè)周期才改變，它的延時(shí)最大不超過(guò)一個(gè)開關(guān)周期 T。由于在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，PWM 變換器的開關(guān)頻率較高，因此常將PWM 變換器的滯后環(huán)節(jié)看作一階慣性環(huán)節(jié)，于是其動(dòng)態(tài)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)純比例環(huán)節(jié)
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