同步电动机励磁电源的设计与实现论文

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 共 49 页摘 要同步电动机运行稳定性一直是世界各国所普遍关注的课题，在诸多改善电动机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被认为是最为有效和经济的措施。所以设计一套能使电励磁同步电动机安全稳定而又节能运行的励磁装置是非常重要的。论文主要论述一个基于PIC16F877单片机实现的同步电动机PWM励磁电源的设计。首先，就同步电动机励磁电源研究的背景和意义以及励磁控制方式的演绎做了简要论述；其次针对PWM控制技术和数字PID及其改进方法等基本原理做了详细介绍；然后阐述了同步电动机PWM励磁电源的主电路设计、控制电路设计以及IGBT的驱动与保护

2、电路的设计，其中包括元器件的参数整定计算和各部分方案论证。最后介绍了控制算法的实现和软件设计，并分析了设计中存在的问题。本次设计利用可控硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统，相比用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统，这种励磁方式取消了全部的运动部件，运行可靠，经济性好，技术已经相当的成熟，正在得到越来越广泛的应用。关键词：励磁电源；PWM斩波；数字PID；PIC16F877；IGBT桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 共 49 页AbstractSynchronous motor has been running stability of the w

3、orld as issues of common concern. In many generators to improve the stability of measures to enhance the control of excitation system performance, are considered to be the most effective and economic measures. So it is important that we design a set of stable and reliableexcitation device of synchro

4、nous motor excitated magnet by direct current.This paper mainly discusses a PIC16F877 microcontroller-based achieve synchronous motor excitation PWM power supply design. First, synchronous motor excitation Power study the background and significance of excitation control and interpretation of a brie

5、f discussion; Secondly against PWM control technology and digital PID and its methods of improving the basic tenets of a detailed; then expounded the PWM synchronous motor excitation power supply circuit design, control circuit design and IGBT drive and protection circuit design, These include parts

6、 of the parameter setting and parts of the demonstration program. Finally, the realization of the control algorithm and software design , the analysis of the problems were introduced.The design is using thyristor device which will be exchanged into DC excitation supply after the rectifier excitation

7、 system.Comparing with the systern which used a DC generator excitation power as DC exciter excitation system. This exciting way of all the moving parts, reliable, economical, and the technology is already quite mature, is being increasingly widely used.Key Words : Excitation Source; PWM Chopper; Di

8、gital PID; PIC16F877;IGBT桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 III 页 共 49 页目 录绪论 . 11 基本原理介绍 . 41.1 PWM控制技术 . 41.1.1PWM控制技术的发展 . 41.1.2PWM控制的基本原理 . 51.1.3直流斩波 . 71.2 数字PID . 81.2.1PID控制及作用 . 81.2.2数字PID及其算法 . 101.2.3PID调节器参数的整定 . 122 同步电动机PWM励磁电源主电路实现 . 142.1 概述 . 142.2 整流电路 . 142.2.1基本整流电路 . 142.2.2整流电路的设计 . 162.

9、2.3整流二极管参数计算与保护电路的设计 . 172.3 滤波电路 . 172.4 绝缘栅双极型晶体管(IGBT) . 182.4.1IGBT结构和基本功能 . 182.4.2IGBT 的静态特性 . 182.5 所用主要元器件参数整定与选型 . 202.5.1进线熔断器 . 202.5.2断路器的选型 . 202.5.3IGBT参数的计算 . 213 同步电动机PWM励磁电源控制电路实现 . 223.1 概述 . 223.2 控制电路的设计 . 223.3 IGBT的驱动电路的设计 . 233.3.1IGBT驱动电路要求 . 233.3.2HCPL-316J内部结构及工作原理 . 243.3

10、.3驱动电路设计 . 25桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 IV 页 共 49 页3.4 PIC16F877 . 263.4.1PICl6F877微处理器的核心特点 . 273.4.2CCP模块 . 273.5 反馈环节 . 283.5.1霍尔电压传感器 . 283.5.2霍尔交流到直流变换器 . 293.5.3反馈环节的设计计算 . 294 同步电动机PWM励磁电源软件实现 . 304.1 概述 . 304.2 软件程序设计的特点 . 304.3 各模块软件设计 . 304.3.1主程序 . 304.3.2增量式PID子程序 . 314.3.3给定励磁电压子程序 . 324.3.

11、4反馈电压采样子程序 . 334.3.5外部故障中断子程序 . 34结论 . 36谢辞 . 37参考文献 . 38附 录 . 39附录一：设计原理图及PCB(见上图) . 39附录二：系统程序清单 . 39桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 49 页绪论课题研究的目的和意义当前，我国电力供应十分紧张，据初步预测，我国将每年缺电800多亿度，致使工农业生产受到严重威胁，为此，节约电能是我国民经济生活中一件长期而重要的任务。在世界能源严重不足的今天，节能降耗便成为各国科研机构研究的首要任务。我国正在向工业化国家迈进，节约能源势在必行，系统的节能降耗技术自然而然成为九五计划重点

12、研究与推广项目。国内油田采油设备主要以游梁式抽油机为主。由于抽油机上下冲程负载相差很大，呈周期性波动，且还配有平衡块，故电动机轴上的负载转矩是由油井负载和抽油机平衡块转矩叠加而成的，由于油田拖动负载的特殊性，为使抽油机能顺利启动，常按抽油机的最大负载来选配电动机，这使抽油机正常运行时的平均负载仅为最大负载的30%左右，供电效率低下。为节能降耗，电励磁同步电动机在抽油机中得到应用，并引起人们重视。其原因在于:在拖动周期性波动负载的工况下，电励磁同步电动机的节能效果比永磁同步电动机更为显著。因为理想的机械特性应是软机械特性，即当负载增大时转速下降，当负载减小时转速升高，这样方能保证在负载变化的整个

13、周期内，功率变化始终较为平缓。由于永磁同步电动机的磁场不能改变，故其转速无法随负载变化而作相应调整。而电励磁的同步电动机则可通过调节励磁电流来改变其磁场和功率因数，使输出的机械特性与负载特性相匹配，故节能效果良好。励磁系统的作用目前国内外同步电动机励磁装置多采用恒励磁电流运行方式，从而导致电网电压或负载变化时不能很好地维持在额定功率因数下运行的现象，为解决此问题采用同步电动机励磁系统微机化。实现恒励磁电流和恒功率因数工作方式，以及作为调试及试验条件下的恒a角工作方式。同步电动机具有功率因数可以超前、运行稳定性好、效率高和转速不随负载变化而改变等特点，因此在不需要调速的低速大功率机械中，为了改善

14、电网的功率因数，广泛采用同步电动机，而励磁系统对同步电机及电力系统的稳定运行有着重要的作用。同步电动机励磁系统的调节作用主要有：对电网电压的无功补偿及经济运行和提高同步电机运行的稳定性。励磁系统一般由两部分构成：第一部分是励磁功率部分，向同步电机的励磁绕组提供可调节的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器部分，通过测量、比较、计算等环节控制励磁功率的大小，改变同步电机的功率因数，进而改善系统的功率因数，提高系统的运行效率。励磁系统经历了由电动机械型到电磁型到半导体型几个阶段。目前，国内外的同步电动机励磁系统的控制与保护电路大多仍采用模拟元器件组成，本身存在很大的缺点，随着计算机技术在许多工业控制领

15、域的应用，加速了控制信息处理向数字化处桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 49 页 理的转变，采用数字式励磁调节系统已成为发展趋势。而单片机抗干扰能力强，适合工作于恶劣的现场工作环境，而且造价低，所以在工业控制系统中，励磁调节器的主控单元由单片机及其辅助电路构成，是同步电动机励磁系统控制的方向。同步电动机微机励磁装置采用他励式静止可控硅励磁方式。运行方式有三种：一是恒功率因数闭环运行方式，二是恒励磁电流闭环运行方式，三是恒给定环运行方式。恒功率因数运行方式是在同步电动机运行时根据负荷及系统参数改变及时调整触发脉冲的角度a，进而调整可控硅整流桥输出的励磁电流来保证设定的功率

16、因数开不变；恒励磁电流运行方式是同步电动机运行时，自动维持设定的励磁电流不变，这种运行方式对由励磁绕组和整流系统构成的小环是闭环的；恒给定开环方式是一种供调试和备用的调节方式。同步电动机微机励磁装置的硬件主要由励磁功率部分和励磁控制部分等组成。 设计的任务和要求本设计主要是完成基于PIC16F877单片机的同步电动机PWM励磁电源设计，其设计的主要任务如下：学习同步电动机励磁系统工作原理。掌握其晶闸管移相整流电路的控制方法。 .控制系统指标：ess=0，<5%，c>0.03s-1， m>60o。.电源运行指标：UN=500V,IN=150A，可调。.对硬件进行原理分析及实验结

17、果讨论。给出系统电路原理图和PCB图；根据设计结果制作简单样机。设计方案本设计有三种方案，第一种方案是将系统输入的3AC 380V 50HZ交流电经过三相不可控整流器整流，然后用滤波电容将其滤为较平滑的直流电压，最后通过PIC单片机控制IGBT的通断实现PWM斩波得到频率和占空比连续可调的脉冲电压。在电路设计中单片机使用MICROCHIP公司推出的PIC16F877单片机、IGBT的驱动保护电路采用IGBT的集成驱动模块HCPL-316J、电压反馈电路采用霍尔电压传感器和变送器模块组成。第二种方案采用三相桥式全控整流电路，其它与方案一一致，也是采用PIC16F877单片机、IGBT的驱动保护电

18、路采用IGBT的集成驱动模块HCPL-316J、电压反馈电路采用霍尔电压传感器和变换器模块组成；第三种方案大体与第一种方案设计相同，只是在选用模块上有所差异，它的IGBT驱动模块采用三菱公司生产的M57918L集成电路，电压反馈电路采用电容滤波的单相不可控整流电路。在这三种方案中，本设计采用了第一种方案，一是由于采用电容滤波的三相不可控整流器整流具有提高功率因数、便于控制等优点；二是由于三菱公司生产的M57918L集桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 49 页 成电路没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCPL-316J有过流保护、欠压保护和IGBT软关断的功能

19、，且价格相对便宜；三是由于采用霍尔传感器变送器模块具有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损坏被测电路能量等诸多优点。下图为主电路设计框图。励磁电源主电路框图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 49 页 1 基本原理介绍1.1 PWM控制技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置中的应用越来越广泛，PWM（Pulse Width Modulation）控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起了人们的高度重视，并得到了更深入的研究。PWM（Pulse Width Modulation）控制方式就是对电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用

20、这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。1.1.1PWM控制技术的发展1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM控制技术这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用

21、场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在

22、70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 49

23、页1.1.2PWM控制的基本原理在采样控制理论中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变化分析，则低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1.1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.1a为矩形脉冲，.图1.1b为三角形脉冲，1.1c为正弦半波脉冲，他们的面积都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一环节上，其输出响应基本相同。当脉宽变为.图1.1d的单位脉冲函数（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分

24、别将如图1.1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图1.2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1.2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相图1.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 49 页 同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出

25、不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改

26、变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。图1.3 用PWM波代替正弦半波在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在励磁电源主电路中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电

27、压就是直流侧电压的幅值。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 49 页1.1.3直流斩波直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术,这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所许的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲占空比进行控制，这是PWM控制中最为简单的一种情况。6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。由于本设计只用到降压斩波电路，则其他的就不做详细的

28、介绍，斩波电路的典型用途之一是拖动直流 电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图1.4中Em所示。为使io连续且脉动小，通常使L值较大。图1.4 降压斩波电路原理图及波形数量关系：电流连续时，负载电压平均值：U0=a*Uc桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 49 页 a= Ton/T导通占空比，简称占空比或导通比；U0最大为E，减小a，U0随之减小降压斩波电，也称为Buck变换器。 负载电流平均值： I=Ud/R电流断续时，U0平均值会被抬高，一般不希望出现。斩波电路三种控制方式：a 脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型T不变，调节ton，应用最多；

29、 b 频率调制或调频型ton不变，改变T；c 混合型ton和T都可调，使占空比改变。1.2 数字PID1.2.1PID控制及作用PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r（t）与输出值c（t）进行比较构成控制偏差 e（t）r（t）c（t）将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图1.5所示，所以简称为P（比例）、I（积分）、D（微分）调节器。图1.5 模拟PID调节器控制系统框图(1)、比例调节器比例调节器的表达式:u=KPe+u0Kp比例系数；u0是控制量的基准，也就是e0时的一种控制作用。比例调节器的响应比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应如图1.6所示。比例调

30、节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着偏差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp的大小。比例调节器的特点是简单、快速，有静差。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 49 页图1.6 P调节器的阶跃时间响应、比例积分调节器 比例积分调节器的表达式1u=KP e+ TI0edt+u0tTI积分时间常数 比例积分调节器的响应PI调节器对于偏差的阶跃响应如图1.7所示。可看出除按比例变化的成分外，还带有累计的成分。只要偏差e不为零，它将通过累计作用影响控制量u并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不在变化，使系统达到稳态。图1.7 PI调

31、节器的阶跃响应(3)比例积分微分调节器（PID） 比例积分微分调节器（PID）表达式桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 49 页 1u=KP(e+TIt0edt+TDde)+u0 dtTD微分时间 比例积分微分调节器（PID）的响应理想的PID调节器对偏差阶跃变化的响应如图1.8所示。它在偏差e阶跃变化的瞬间tt0处有一冲击式瞬时响应，这是由附加的微分环节引起的。图1.8 PID调节的阶跃响应环节的作用及其控制规律为ud=KPTDde dt它对偏差的任何变化都产生控制作用ud以调整系统输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快, ud越大，反馈校正量则越大。故微分作用的加入将有

32、助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。PID调节器与PI调节器的区别PI调节器虽然可以消除静差，但却降低了响应速度。PID调节器加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。1.2.2数字PID及其算法因为微机是通过软件实现其控制算法。必须对模拟调节器进行离散化处理，这样它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，不能对积分和微分项直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。用离散的差分方程来代替连续的微分方程。根据输出量u（k）的形式可分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 、位置式PID控制算法桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 49 页图1

33、.9 位置式PID控制算法的简化示意图模拟表达式：将积分项和微分项离散化：将上两式代入模拟表达式中得到离散PID表达式：上式的输出与阀门开度位置一一对应，也称为位置型PID算式。用位置型PID算式计算P(K)，需要用到各采样时刻的偏差值，计算复杂，且需要占用内存。 、增量式PID控制算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的“增量算法”。由位置型PID算式可得出(k-1)时刻的输出：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 49 页 两式相减,得出控制量的增量算法:增量型较位置型的优点位置式算法每次输出与整个过去状态有关

34、，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的积累误差。而增量式只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。对于位置式算法，控制从手动切换到自动时，必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于算式中不出现u0，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。1.2.3PID调节器参数的整定凑试法确定PID调节参数凑试法是通过模拟或闭环运行（如果允许的话）观察系统的响应曲线(例如阶跃响应)，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而

35、确定PID调节参数。PID的参数对系统性能的影响比例系数KP对系统性能的影响增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。积分时间TI对系统性能的影响增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。微分时间TD对系统性能的影响增大微分时间TD，也有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加但系统对扰动的抑制能力减弱。凑试法确定PID调节参数在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先只整定比例部分。即将比例系数由小变

36、大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，在保持系统良好动态性能的情况下，使静差桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 49 页 得到消除。若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。实验经验法确定PID调节参数扩充临界比例度法扩充临界比例度法是以模拟调节器中使用的临界比例度法为基础的一种PID数字控制器参数的整

37、定方法。阶跃响应曲线法在上述方法中，不需要预先知道对象的动态性能，而是直接在闭还系统中行整定的。如果已知系统的动态特性曲线，数字控制器的参数的整定也可采用类似模拟调节器的响应曲线法来进行，称为阶跃响应曲线法，也称扩充响应曲线法。这一方法适用于多容量自平衡系统。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 49 页 2 同步电动机PWM励磁电源主电路实现本设计实现的是一个基于PIC16F877同步电动机励磁电源设计过程及基本原理,他采用三相不可控整流桥将降压后的交流电变为脉动的直流,然后用滤波电容将其滤波为较平滑的直流电压,根据同步电动机的输出电压的变化,将所采集的反馈量与相应的给

38、定值比较后,执行数字PID算法,通过MICROCHIP公司推出的PIC16F877单片控制IGBT的通断实现PWM斩波得到频率和占空比连续可调的脉冲电压。整个硬件电路由主电路和控制电路两大部分组成，由于这部分是设计的重点，所以分三、四两章将分别论述。2.1 概述在本章中，将详细论述电气主电路的各个组成部分、元器件的特性和功能、元器件的选型以及参数的整定计算。本系统的电气主电路由整流电路和滤波电路两部分组成。本次设计的励磁控制系统电气主电路图如图2.1所示。图2.1 励磁控制系统电气主电路图2.2 整流电路2.2.1基本整流电路、电容滤波的单相不可控整流电路图2.2 电容滤波的单相桥式不可控整流

39、电路主要的数量关系输出电压平均值桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 49 页 空载时，R=，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud =1.414U2。通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使RC （1.5-2.5）T，T为交流电源的周期，此时输出电压为 Ud =1.2 U2电流输出平均值输出电流平均值Id为Id=Ud/R在稳态时，电容C在一个周期吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变，相应的流经电容的电流一周期的平均值为零，又id=iC+iR得出：Id=IR、电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构如下图所示电容

40、滤波的三相不可控整流电路如图2.3所示：图2.3 电容滤波的三相桥式整流电路基本原理该电路中，当一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，Ud按指数规律下降。在wt=0时，二极管VD1和VD5开始同时导通，直流侧电压等于uab下一次同时导通的一对管子是VD1和VD4，直流侧电压等于uac这两段导通之前VD5和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的。实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。考虑电感时电流波形的前沿平缓很多，有利于电路的工作。主要数量关系输出电压平均值：输出电

41、压平均值Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 49 页 输出电流平均值： Id=Ud/R二极管的电流平均值为Id 的1/3，即IVD = Id/3=IR/3 。二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值2.45*U2。2.2.2整流电路的设计整流电路采用电容滤波三相不可控整流电路。采用不可控整流电路可以提高功率因数便于控制等优点。目前大都不采用由单管组成的整流桥，而是采用由模块组成的整流桥，而整流模块的种类目前有四种，即全桥整流模块，共阴极整流模块、共阳极整流模块和桥臂整流模块。图2.4a全桥整流模块 图2.4b共

42、阴极整流模块图2.4c共阳极整流模块 图2.4d桥臂整流模块这四种整流模块都可使用，但从模块的散热条件和连接方式等方面考虑，本设计采用桥臂整流模块来构成功率单元的三相整流桥。整流模块的主要参数有额定电压和额定电流，三相桥式整流电路中，整流管承受电压的最大值等于三相交流进线电压的峰值。为了在电源电压波动和出现瞬时过电压时不致损坏整流管，整流模块的额定电压应有23倍的裕度。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 49 页2.2.3整流二极管参数计算与保护电路的设计对于三相桥式整流电路中整流管额定电流的选择一般是按直流电流的最大电流值来计算： Ie0.367KiIdmIdm :

43、直流电流最大值，Ki:电流储备系数， 一般情况下取1.22，但在功率单元中，由于考虑到整流电路中无预充电限流电阻，故可取为23倍。由于题目所给输出指标：输出额定电压500V，输出额定电流150A。取占空比为1时，输出电压为500V根据 2.34*U2 =500V得 U2=213.68V变压器变比 N=则变压器变比取N=1由此 U2=3803*5220V 3803*213.681.02URM=2UM=2*3*220 1075VIVDM=2*150=300A根据计算的参数可以选取整流二极管。2.3 滤波电路滤波电路主要由滤波电容器组成，滤波电容器是电压源型整流器中最重要的元件。因此对它的选择非常重要，它的性能及其参数的选择，直接决定着同步电动机励磁电源能否正常工作。滤波电容的参数主要有额定工作电压和电容量。滤波电容均采用电解质电容器，但目前电解质电容器的最高电压只能达到450V，因此，当其电压不能满足要求时，得用分组电容器串联。对其额定电压的选择可根据功率单元中间直流电压的最大值Udm来选 择:Ue1.11.3UdmUdm=2UL+U1U1：再生电压增量，一般为Udm10%UL:功率单元进线电压有效值滤波电容器的电压比较好选择，但对