【正文】 沈陽理工大學(xué) 課程設(shè)計(jì) 1 緒 論 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動(dòng)化在 20 世紀(jì)的后四十年曾進(jìn)行了兩次重大的技術(shù)更新。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進(jìn)入了數(shù)字式。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計(jì)思想和理論概念上的一個(gè)飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。 現(xiàn)代的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的。而以運(yùn)算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(luò) （調(diào)節(jié)器），和由 R、 C等元件構(gòu)成的無源校正網(wǎng)絡(luò)相比 ,又可以實(shí)現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律 ,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。相反，近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，于是直流調(diào)速的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。譬如在對(duì)控制精度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺(tái)，輪機(jī)定位等系統(tǒng)中 仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強(qiáng)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。 2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都 較小。 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)已知參數(shù) 拖動(dòng)設(shè)備：直流電動(dòng)機(jī)： WPN 185? VUN 220? AIN ? Nrn min/1600? ，過載倍數(shù) ?? 。 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 n=1500r/min, 負(fù)載電流 。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 直流脈寬（ PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 —— 主電路設(shè)計(jì)。 直流脈寬（ PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 —— 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。 其中以 4 為主要研究內(nèi)容 現(xiàn)行方案的討論與比較 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U、改變電動(dòng)機(jī)主磁通 ? 、改變電樞回路電阻 R。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合 使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。 改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時(shí)間。 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 4 由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。 2)在相同電壓和電流定額的情況下， IGBT 的安全工作區(qū)比 GTR 大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 4)IGBT 的輸入阻抗高，其輸入特性與電力 MOSFET 類似。 在眾多 PWM 變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以 H 型 PWM 變換器更為多見。本次設(shè)計(jì)以 H型 PWM 直流控制器為主要研究對(duì)象。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載 動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 5 第二章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 直流脈寬調(diào)速電路原理圖如圖 所示 , 其中 直流斬波電路可看成降壓型變換器和升壓型變換器的串聯(lián)組合 ,采用 IGBT作為自關(guān)斷器件 ,利用集成脈寬調(diào)制控制 SG3525 產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào) ,由兩個(gè) IGBT 及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。若使 COM 端與電機(jī)電樞繞組 A 端相接， B 端接 N，可使電機(jī)正轉(zhuǎn)。時(shí)間內(nèi)，形成電流回路 P— T1 一 A— BN，此時(shí) UAB0， AB0；在 T1 截止時(shí)由于電感電流不能突變，電流 AB 經(jīng) D2續(xù)流形成回路為 ABD2A，仍有 UAB0， IAB0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài) (第一象限 )， T1， D2構(gòu)成一個(gè) Buck 變換器。時(shí)間內(nèi)，形成電流回路 A— T2 一 B_A；在 T2截止時(shí)，由于電感電流不能突變，電流 AB 經(jīng) D1 續(xù)流形成回路為 A— D1 一 P— N— A，此時(shí) UAB0，lAB0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài) (第二象限 )， T2， D1構(gòu)成一個(gè) Boost 變換器。若使 COM 端與電機(jī)電樞繞組 A 端相接，B 端接 N，可使電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài) (I，Ⅱ象限 )，若使 COM 端與 B 相接而 A端接 N，可使電機(jī)工作在反轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài) (II， IV 象限 )。這樣僅用兩個(gè)開關(guān)器件就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)圖 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 6 行。由于電流調(diào)節(jié)器的輸出接到 SG3525的第 2腳， R2 為限流電阻，所以要求電流調(diào)節(jié)器再通過一個(gè)反號(hào)器的輸出電壓的極性必須為正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定則又要求其輸出電壓信號(hào)為正，最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定選擇了負(fù)極性的可調(diào)電壓。 在這里用 SN74LS14 構(gòu)成的反相器可以滿足要求。這種器件具有 MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。其符號(hào)和波形圖如圖 26 所示。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于 IGBT的工作頻率可以高達(dá) 3050kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的 di/dtLc ，從而產(chǎn)生過電壓，危及 IGBT的安全。 緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻 R=10KΩ ；電容 C= F。泵升電路中電解電容選取 C=20xxμF ；電壓 U=450V； VT選取 IRGPC50U型號(hào)的 IGBT管；電阻選取 R=20Ω 。所以 按典Ⅰ系 統(tǒng)設(shè)計(jì) ,選 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： ??iisA SR ss KW 1)( ?? 如圖 所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： ?)()()(* sUssidcliIW ? 12 1)()( )(* ???? sssUs TWIic liid ?? 近似條件 : TTWii ???? 5 123 1 如圖 所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。把正給定接入脈寬發(fā)生單元，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1600rpm，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的 RP1，使 3端輸出的電壓為4V。 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 10 第四章 觸發(fā)電路 觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì) 集成脈寬調(diào)制控制器 SG3525 是控制電路的核心，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。 圖 系統(tǒng)原理圖 其中： G：給定器； DZS：零速封鎖器； ASR：速度調(diào)節(jié)器； ACR 電流調(diào)節(jié)器： GT：觸發(fā)裝置； FBS：速度變換器； FA：過流保護(hù)器； FBC：電流變換； AP1： I 組脈沖放大器； SG3525 介紹： SG3525 脈寬調(diào)制型控制器是美國通用電氣公司的產(chǎn)品，作為 SG3524 的改進(jìn)型，更適合于運(yùn)用 MOS 管作為開關(guān)器件的 DC/DC 變換器，它是采用雙級(jí)型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電 路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少?？芍苯域?qū)動(dòng)功率 MOS 管，工作頻率高達(dá) 400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。基準(zhǔn)電壓為 V 士 1%，工作電壓范圍很寬，為 8V 到 35V. +15R21RP13R22R231NOT1NOT1NOT1NOT1NOT1NOTR25D9100pFC10R26D8C11amp。AND3R29 R27復(fù)位 告警過流保護(hù)C6C7R18S4R19R20S7C8C9S5R24Vref16VCC15Output B14VC13Ground12Output A11Shutdown10Compensation9Inv. Input1Noninv. Input2Sync3Ct4Rt5VoutB6Discharge7SoftStart8U1SG3525 圖 控制電路圖 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 12 第五章 保護(hù)電路 整流電路中的保護(hù)電路 本設(shè)計(jì)采用晶閘管交流過壓保護(hù)電路作為整流電路中的保護(hù)電路，其電路圖如下 圖 晶閘管交流過壓保護(hù)電路電路圖 當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓時(shí)，穩(wěn)壓管