直流脉宽(pwm)调速系统设计与研究——保护电路设计课程设计(编辑修改稿)

直流脉宽(pwm)调速系统设计与研究——保护电路设计课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

扰。 通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。 如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。 沈阳理工大学课程设计 5 第二章 直流脉宽调速系统主电路设计 主电路结构设计 直流脉宽调速电路原理图如图 所示 , 其中 直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合 ,采用 IGBT作为自关断器件 ,利用集成脉宽调制控制 SG3525 产生的脉宽调制信号作为驱动信号 ,由两个 IGBT 及其反并联的续流二极管组成。 工作工程如下：单相 220V交流电经桥式整流电路，滤波电路变成直流电压加在 P、N 两点间，直流斩波电路上端接 P点，下端接 N点，中点公共端 (COM)。 若使 COM 端与电机电枢绕组 A 端相接， B 端接 N，可使电机正转。 若 T2 截止， T1 周期性地通断，在 T1导通的 T。 时间内，形成电流回路 P— T1 一 A— BN，此时 UAB0， AB0；在 T1 截止时由于电感电流不能突变，电流 AB 经 D2续流形成回路为 ABD2A，仍有 UAB0， IAB0，电机工作在正转电动状态 (第一象限 )， T1， D2构成一个 Buck 变换器。 若 T1 截止， T2周期性地通断，在 T2 导通的 T。 时间内，形成电流回路 A— T2 一 B_A；在 T2截止时，由于电感电流不能突变，电流 AB 经 D1 续流形成回路为 A— D1 一 P— N— A，此时 UAB0，lAB0，电机工作在正转制动状态 (第二象限 )， T2， D1构成一个 Boost 变换器。 只要改变 T1， T2 导通时间的大小，即改变给 T1， T2 所加门 极驱动信号脉冲的宽度，即可改变UAB 和 IAB 的大小调控直流电动机的转速和转矩。 若使 COM 端与电机电枢绕组 A 端相接，B 端接 N，可使电机工作在正转电动或制动状态 (I，Ⅱ象限 )，若使 COM 端与 B 相接而 A端接 N，可使电机工作在反转电动或制动状态 (II， IV 象限 )。 正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换。 这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运图 实验系统原理图 沈阳理工大学课程设计 6 行。 电机的转速经测速发电机以及 FBS(转速变换器 )输出到 ASR(转速调节器 )，作为 ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环， ASR 的输出作为 ACR(电流调节 器 )的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。 由于电流调节器的输出接到 SG3525的第 2脚， R2 为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号为正，最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压。 ASR 和 ACR 均采用 PI 调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统能够快速起制动，突加负载动态速降小，具有较好的加速特性。 在这里用 SN74LS14 构成的反相器可以满足要求。 参数设计 （ 1） IGBT参 数 IGBT（ Insulated Gate Bipolor Transistor）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 100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。 其符号和波形图如图 26 所示。 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 Vm： 600V 极限电流 Im： 27 A 耗散功率 P： 200 W 额定电压 U： 220V 额定电流 I： 图 IGBT信号及波形图 沈阳理工大学课程设计 7 (3)缓冲电路参数 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 3050kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的 di/dtLc ，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 ic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=10KΩ ；电容 C= F。 (3)泵升电路参数 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=20xxμF ；电压 U=450V； VT选取 IRGPC50U型号的 IGBT管；电阻选取 R=20Ω。 沈阳理工大学课程设计 8 第三章 调节器设计 ASR,ACR 图 电流调节器设计 本设计因为 δ i% ≥ 5%且 TL/T∑ I =10。 所以 按典Ⅰ系 统设计 ,选 PI调节器，其传递函数为： iisA SR ss KW 1)(  如图 所示，为电流调节器的结构图。 图 电流调节器的结构图 沈阳理工大学课程设计 9 转速调节器设计 在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。 为此，需求出它的等效传递函数： )()()(* sUssidcliIW  12 1)()( )(*  sssUs TWIic liid  近似条件 : TTWii  5 123 1 如图 所示，为转速调节器的结构图。 图 转速调节器的结构图 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 把电机、 220V 直流电源接入系统，系统接成开环。 把正给定接入脉宽发生单元，调节给定，使转速稳定在 1600rpm，调节转速反馈调节器中的 RP1，使 3端输出的电压为4V。 加大负载，使电机的电枢电流稳定在 ，调节电流反馈调节器，使电流反馈调节器 3端输出的电压为 +4V。 沈阳理工大学课程设计 10 第四章 触发电路 触发控制电路设计 集成脉宽调制控制器 SG3525 是控制电路的核心，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。 本实验电路中用 SG3525 产生的脉宽调制信号作为IGBT 的驱动信号。 图 系统原理图 其中： G：给定器； DZS：零速封锁器； ASR：速度调节器； ACR 电流调节器： GT：触发装置； FBS：速度变换器； FA：过流保护器； FBC：电流变换； AP1： I 组脉冲放大器； SG3525 介绍： SG3525 脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为 SG3524 的改进型，更适合于运用 MOS 管作为开关器件的 DC/DC 变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电 路，性能优异，所需外围器件较少。 它的主要特点是 :输出级采用推挽沈阳理工大学课程设计 11 输出，双通道输出，占空比 050%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 0700C。 基准电压为 V 士 1%，工作电压范围很宽，为 8V 到 35V. +15R21RP13R22R231NOT1NOT1NOT1NOT1NOT1NOTR25D9100pFC10R26D8C11amp。 AND3amp。 AND3R29 R27复位 告警过流保护C6C7R18S4R19R20S7C8C9S5R24Vref16VCC15Output B14VC13Ground12Output A11Shutdown10Compensation9Inv. Input1Noninv. Input2Sync3Ct4Rt5VoutB6Discharge7SoftStart8U1SG3525 图 控制电路图 沈阳理工大学课程设计 12 第五章 保护电路 整流电路中的保护电路 本设计采用晶闸管交流过压保护电路作为整流电路中的保护电路，其电路图如下 图 晶闸管交流过压保护电路电路图 当电路出现过电压时，稳压管 VDW 导通，使晶闸管（ VT1 或 VT2）导通，由支路中电阻消耗电能。 这种保护措施在系统出现过电压时最。