电力电子设计报告

1、电力电子技术课程设计JIU JIANG UNIVERSITY 电力电子技术 课程设计 题 目 全桥式直流斩波器 院 系 电子工程学院 专 业 自动化 姓 名 年 级 指导教师 2013年6月14日17摘 要在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行

2、调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。脉宽调制技术应用于直流电机调速系统，可以减少主回路电子器件，产生性能良好的输出电流，从而达到精度比较高、调速范围宽的良好需求。随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。本文主要讨论了直流调速系统的基本概念，在此基础上系统地介绍了转速负反馈单闭环调速系统，转速电流负反馈双闭环调速系统的组成，工作原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，介绍了直流脉宽调

3、速系统的控制电路和系统构成。最后应用MATLAB的Simulink，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对直流脉宽调速系统进行了仿真分析。关键词：调速；PWM控制技术；直流电动机；仿真引 言自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉宽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。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路简单，需用的电力电子器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能出极性，稳定精度高，调速范围宽，可达1:10000左右。4）若与快速响应的电动机配合，则

4、系统的频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。而且电力电子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。因此，近年来，电气传动的PWM控制技术已成为电气传动等自动控制技术的热点之一，并且广泛的应用于直流电机的调速系统。调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。从20世纪80年代起，在电气传动自动化领

5、域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。控制技术已居世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM直流调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调

6、速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。目 录摘 要I引 言I目 录I1 设计要求及方案论证11.1 设计要求11.2 方案论证12 直流斩波的原理12.1 全桥式可逆斩波12.1.1 双极性斩波控制12.2 TL494脉冲宽度调制电路12.3 H桥驱动电路设计13 直流电机PWM调速控制原理14 全桥直流斩波的仿真分析14.1 MATLAB仿真与Sumilink14.2 仿真模块14.2.1 直流电

7、动机模型14.2.2 PWM子模块14.2.3 universal bridge模型14.3 仿真电路图1总结体会1参考文献11 设计要求及方案论证1.1 设计要求本设计是用全桥式直流斩波实现直流调压，设置直流电动机的参数如下：（1） 电枢电阻为3.4（2） 电枢电感为60.1mH（3） 转动惯量为0.014kg.m2（4） 励磁电压为110V（5） 励磁电阻Rf=220（6） Laf=0.797Mh（7） 直流电源电压E=140V通过PWM控制技术控制直流电动机的正反转电路。并通过matlab仿真得到正反转的波形。1.2 方案论证(1) 桥式直流斩波电路仿真模型是一个直流电动机PWM控制系统

8、，可以做直流电动机的正反转过程仿真。(2) 设计双极性“PWM”双极性脉冲发生器的子电路模型，子模块利用两个PWM Generator模块，在第二块PWM Generator，通过略微提高一些Uct的方法引入死区控制，子模块中利用选择开关Selector来调整驱动脉冲顺序，是脉冲顺序符合H形桥的驱动要求。(3) 通过MOSFET直流斩波的原理来实现电动机的正反转运行。(4) 利用matlab仿真观测电动机的转速、电流等的波形。2 直流斩波的原理(1) 基本原理直流斩波的功能是将某一直流电变为另一需要的固定电压或可调电压的直流电。直流斩波电路采用的脉宽调制（Pulse Width Modulat

9、ionPWM）控制技术，实际上就把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。直流斩波电路用PWM斩波器实现。以下简述一下PWM斩波器的工作原理。PWM斩波器工作原理电路及其输出波形如图2.1所示：图2.1 PWM斩波器工作原理电路及输出波形假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图1b的波形图。则电机电枢端的平均电压Ud为：Ud=t1T*Ud=Us，其中为占空比。设定输入电压Ud不变，则通过改变的大小来改变Ud的大小，从而达到调压的目的。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式： T不变，变ton脉冲宽度调制（PWM）； t1不变

10、，变T脉冲频率调制（PFM）； t1和T都可调，改变占空比混合型。这就是PWM技术的基本控制原理。利用PWM控制技术，可以很好的对直流电机进行直流电压的输出控制。2.1 全桥式可逆斩波半桥式斩波电路电动机只能单向运行和制动，若将两个半桥式斩波电路组合，一个提供负载正向电流，一个可以提供方向电流，电动机就可以实现正反向可逆运行，两个半桥斩波电路就组成了全桥式斩波电路，全桥式斩波也称H形斩波电路，其电路如图2.1（a）所示。在电路中，若T1、T3导通，则有电流自电路A点经电动机流向B点，电动机正转；在T2、T4导通时，则有电流自B点经电动机流向A点，电动机反转。图2.1 (a)全桥式斩波电路 图2

11、.1 (b)电压波形2.1.1 双极性斩波控制全桥式斩波电路有三种驱动控制方式:(1) 双极性斩波控制(2) 单极式斩波控制(3) 受限单极性斩波控制双极性可逆斩波控制方式：T1、T3和T2、T4成对做PWM控制，并且T1、T3和T2、T4的驱动脉冲工作在互补状态，即T1、T3导通时，T2、T4关断。在T2、T4导通时，T1、T3关断，T1、T3和T2、T4交替导通和关断。输出的电压波形如图3.1(b)所示。2.2 TL494脉冲宽度调制电路（1）TL494各管脚功能。在实现电机PWM控制的电路中，本系统选用TL494芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器

12、、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。共16个管脚，其功能结构如图2.2所示。图2.2 TL494结构TL494芯片广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。其片内资源有：集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内止5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。2.3 H桥驱动电路设计在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，如图3.3所示。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率M

13、OSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。相对来说，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于加工工艺的原因，P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增

14、大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，本设计采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。其电路图如图3所示。图中Vm为电机电源电压，4个二极管为续流二极管，输出端并联一只小电容C6，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。图2.3 H桥驱动电路3 直流电机PWM调速控制原理众所周知，直流电动机转速公式为：n=(U-IR)/K其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用

15、得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制 (PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度，PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。电压-脉宽变换器结构如图1所示，由三角波发生器、加法器和比较器组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UI相加，产

16、生信号UI+UT，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号UI+UT从正端输入。当UI+UT时，比较器输出满幅度的正电平；当UI+UT时，比较器输出满幅度的负电平。电压-脉宽比较器如图3所示：图3 电压-脉宽比较器电压脉宽变换器对信号波形的调制过程如图3.1所示。由于比较器的限幅特性，输出信号S的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化，S的频率由三角波的频率所决定。 当指令信号UI时，输出信号S为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。 当UI时，S的正脉宽大

17、于负脉宽。 当UI时，S的正脉宽小于负脉宽。 当UITPP时（TPP是三角波的峰值），S为一正直流信号。 当UITPP时，S为一负直流信号。图3.1 PWM脉宽调制波形改变直流电动机转动方向的方法有两种：一是电枢反接法，即保持励磁绕组的端电压极性不变，通过改变电枢绕组端电压的极性使电动机反转；二是励磁绕组反接法，即保持 电枢绕组端电压的极性不变，通过改变励磁绕组端电压的极性使电动机调向。当两者的电压极性同时改变时，则电动机的旋转方向不变。他励和并励直流电动机一般采用电枢反接法来实现正反转。他励和并励直流电动机不宜采用励磁绕组反接法实现正反转的原因是因为励磁绕组匝数较多，电感量较大。当励磁绕组反

18、接时，在励磁绕组中便会产生很大的感生电动势这将会损坏闸刀和励磁绕组的绝缘。串励直流电动机宜采用励磁绕组反接法实现正反转的原因是因为串励直流电动机的电枢两端电压较高，而励磁绕组两端电压很低，反接容易，电动机车常采用此法。4 全桥直流斩波的仿真分析4.1 MATLAB仿真与SumilinkMATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计

19、算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设

20、计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MAT1LAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性

21、和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。用SIMULINK创建

22、的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做

23、事后处理。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。4.2 仿真模块4.2.1 直流电动机模型电动机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中的DC machines 和DiscreteDC machines分别是直流电动机和离散直流电动机模型如图4.2.1所示：(a) 直流电动机 (b) 离散直流电动机图4.2.1F和F-:此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极；A和A-: 电动机电枢回

24、路控制端；TL：电动机的负载转矩信号输入端；m: 电动机信号的测试端，包括转速w(rad/s),电枢电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（N.m）。直流电动机的参数设置如图4.2所示：图4.2 直流电动机的参数设置4.2.2 PWM子模块PWM Generator模型位于SimPowerSystems工具箱下Extra library库中的control blocks中PWM Generator。子电路模型如图4.2.2所示：图4.2.2 PWM发生器子电路模型4.2.3 universal bridge模型universal bridge模型位于SimPowerSystems工具

25、箱下power Electronics库全桥式模型及参数设置如图4.2.3所示：图4.2.3 全桥模块及其参数设置4.3 仿真电路图图4.3 仿真图(1) 仿真步骤 构建仿真模型 设置模块参数 设置仿真参数 启动仿真 观测仿真结果(2) 仿真波形触发脉冲的正反转(scope2)波形如图4.4所示：图4.4 (a)正转触发脉冲波形图4.4 (b)反转触发脉冲波形输出电压Ud(scope1)的正反转波形如4.5所示：图4.5 (a)正转Ud波形图4.5 (b)反转Ud波形转速n、电枢电流Ia、励磁电流If及转矩Te的正反转波形依次如图4.6所示：图4.6 (a) scope3正转波形图4.6 (b

26、)scope3的反转波形总结体会这个星期的课程设计题目是“桥式直流斩波”，里面设计到了关于MATLAB、电力拖动、电力电力技术等方面的专业知识，将这几方面的知识有机的结合在一起实现电动机的正反转。在这次课程设计中，是模拟一个直流电动机PWM控制系统，可以做直流电动机的正反转过程的仿真，并且可以设计不同的PWM子模块，做单极形、双极形和受限单极形控制系统的仿真实验。在这次的设计中首先要实现的是将直流电源通过MOSFET和二极管组成的整流桥，输出单极性调制波形Ud，通过示波器观测其波形。在整理桥的选取上我们尝试了用替换来实现，可是他们虽同为全控形器件却不可以相互代替。将单极性调制波形的电压加至电动

27、机两端，且设置电动机的励磁电压为110V，在电动机的选取上同样有多种选择，在我们选的第一个电动机并不能将其连接进电路，通过询问老师，才选取了一个与之相配的电动机，原来每个元器件的选取都很重要，既要注意他的参数设定还要注意他的适应性。从电动机引出，连接转速，电枢电流，励磁电流以及电动机转矩。在调整电动机的转速方向是我们在这次设计中遇到的最大的难题，在第一次调试时除了励磁电流出结果以外其他的示波器没有显示出预期的波形，我们不断的调整各元期间的参数，通过与老师的沟通，在到网上查资料和到图书馆借阅相关的书籍，终于除了电动机的转速以外其他的示波器显示了应有的波形，对于电动机的转速问题我们参考了其他同学电动机的设置，并求助老师，通过老师做的一些相关的处理，终于电动机转速的问题解决了。整流桥部分的触发脉冲是双极性PWM脉冲。