学期论文 彭龙

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！学期论文专业（系）电气工程系铁道自动化092彭龙班级学生姓名指导老师完成日期严峻2011-11-02目录摘要........................................................................错误！未定义书签。Abstract……………………….1第1章课题背景.............................................错误！未定义书签。第2章.............错误！未定义书签。脉宽调制(PWM)直流调速系统概述2.1PWM控制技术的应用..........................错误！未定义书签。2.2PWM在直流调速中的应用......................错误！未定义书签。2.3直流脉宽调速系统的优缺点....................错误！未定义书签。第3章脉宽调速的理论及论证.2.1脉宽调速的简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.2晶闸管的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2．3变换器的分类及论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.3.1.不可逆变换器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2.3,2可逆变换器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„第4章心得体会...................................................错误！未定义书签。参考文献.................................................................错误！未定义书签。传统的直流电机调速系统往往采用以晶闸管为主的相控式整流电路,但晶闸管不能自行关断,工作频率低,限制了其在高频领域中的应用。随着电力、电子器件的迅速发展,一些大功率电子器件应运而生,包括GTRMOSFETIGBT等,这些器件既能控制其导通,又能控制其关断,用IGBT进行直流脉宽调速的系统。该电路具有调速范围大、调速精度高、功率因数高、对电网污染小、响应速度快、性能价格比高的优点。关键词：直流电机PWMIGBT湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书Abstrcta1湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书第一章课题背景晶闸管变流器构成的直流调速系统，由于其线路简单，控制灵活，体积小，效率高以及没有旋转噪音和磨损等优点，在一般工业应用中一直占据着主导地大平波电抗器的电感量，但电感大又限制了系统的快属性。此外，功率因数低，设备达到更好效果。传统的直流电机调速系统往往采用以晶闸管为主的相控式整流电路,但晶闸管不能自行关断,工作频率低,限制了其在高频领域中的应用。随着电力、电子器件的迅速发展,一些大功率电子器件应运而生,包括GTRMOSFETIGBT等,这些器件既能控制其导通,又能控制其关断,用IGBT进行直流脉宽调速的系统。该电路具有调速范围大、调速精度高、功率因数高、对电网污染小、响应速度快、性能价格比高的优点。2湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书第2章脉宽调制2.1PWM控制技术的应用PWM是PulseWidthModulation的缩写,即脉冲宽度调制,是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值).调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。然而，近10年来，由于电力电子技术已经很好的解决了交流调速问题。交流调速已得到了广泛的应用。其转速为：n=60f/p，对于笼型或绕线型转子异步电机，其转速为：n=60f/p(1-s),原则上讲，改变极对数p、改变转差率s和调节频率f都可以调速。但对于异步电动机以上三种方法虽可采用，但是变极调速是有极调速，而改变转差率的目的是各种调速都是耗能型调速方法，只有变频调速是最为理想的调速方法。但同步电动机，在运行中改变级对数会引起失步，因此只能调频调速。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变为固定电压，可调频率的交流变频器。变频器的种类有很多种，其中电压型PWM方式交—直—交变频器发展速度最快。PWM导体开关器件不断发展；二是PWM控制技术的日益完善。电力电子技术不仅促使交流调速迅速发展，同时也促进了直流调速的新发展。2.2PWM在直流调速中的应用PWM广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流—直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM斩波—供电的。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术3湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书2.3直流脉宽调速系统的优缺点采用门极可关断晶闸管GTRP—MOSFT等全挂式电力电子器件组成的直流脉宽调制型的调速系统近年来已发展成熟，用途越来越广，与—M系统相比，在很多方面具有较大优越性：①主电路线路简单，需用的功率元件少；②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；③低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；④系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；⑤全电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；⑥电流采用不控三相整流时，电网功率因数高。PWMPWM调速系统目前只用与中、小功率的系统，同时也存在几个难克服的固有问题：①②调速时功率因数低，也限制了调速范围；③要克服上述困难，就得加大平波电抗器的电感，但电感大又限制了系统的快速性。自从全控式电力电子器件问世以后，使得脉宽调速更容易实现，而且性能更好。因此，脉宽调速正在一般工业中有着广阔的应用前景。4湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书第3章脉宽调速的理论及论证.2.1脉宽调速的简介20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是机电传动中半控型器件，使得由其构成的V-M系统的性能受到一定的限制。电力电子器件GTOGTRP-MOSFET（绝缘栅极双极型晶体管）等组成的直流脉冲宽度调制型（PWM）调速系统已发展成熟，用途越来V-M系统相比，PWM系统频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；④系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；⑤相整流时，电网功率因数高。脉宽调速系统和V-M系统之间的主要区别在于主电路和PWM控制电路，至本节仅就PWM调速系统进行介绍和分析。2.2晶闸管结构是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。其外形、结构及图形符号如图8.5所示，它有三个电极，即阳极，阴极。根据功率的大5湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书小，具有TO92TO220、螺栓形和平板形等多种封装形式，如图（）所示。螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，细线是控制极G，这种结构更换方便，用于100A以下元件。平板形中间的金属环是控制极G，离控制极远的一面是阳极，近的一面是阴极，这种结构散热效果比较好，用于200A以上的元件。晶闸管是由四层半导体构成的，如图8.5（）所示。它由单晶硅薄片P1N1、P2N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。晶闸管的图形符号如图（）所示。图8.5晶闸管外形、结构及图形符号（）外形封装（b）内部结构（）图形符号晶闸管的工作原理维持正向电压，则晶闸管就维持导通。下面来分析晶闸管的工作机理。根据晶PNP型晶体管VT1，另一只为NPN型晶体管VT2，中间的PN结为两管共用。当晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压时，这时VT1和VT2都承受正向电压，如果在控制极上加上一个对阴极为正的电压，就有控制电流Ig流过，它6湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书就是VT2的基极电流Ib2经过VT2VT2的集电极就产生电流Ic2=β2Ib2=β2（β2为VT2IC2又恰恰是VT1的基极电流，这个电流再经过VT1的放大作用，便得到VT1的集电极电流IC2=β1Ib1=β1β2Ig(β1为VT1的电流放大系数，由于VT1的集电极和VT2的基极是接在一起的，所以这个电流又流入VT2的基极，再次放大。如此循环下去，形成触发导通过程。在晶闸管导通后，VT2的基极始终有比控制电流Ig大得多的电流流过，因此，当晶闸管一经导通，控制极即使去掉控制电压，晶闸管仍然可保持导通。当在晶闸管阳极与阴极间加反向电压时，VT1和VT2便都处于反向电压的作为1V左右。综上所述，可以得到下述结论：（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压晶闸管都不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断的能力。（2）晶闸管的阳极和控制极相对于阴极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定的数值以下。晶闸管分为：半控型和全控型晶闸管器件。半控型：指控制极在器件导通后即失去控制作用的器件，为了关断这类器件阻断能力。7湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书全控型：指控制极在器件导通后能够直接控制通断的器件。一般用到的都是全控型的如：全控型电力电子器件（门极可关断晶闸（绝缘栅极双极型晶体管）等。PWM变换器的分类及论证2.3。（1）不可逆PWM变换器不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2.1（）所示为无制动作用的简单不可逆PWM电力电子器件（图中为电力晶体管，也可以是MOSFET或IGBT一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。（）原理图图2.1简单的不可逆PWM变换器电路（b）电压和电流波型电力晶体管VT的基极由频率为，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当时，VT饱和导通，电源电压通过VT加时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极到电动机电枢两端；当管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为（）8湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书式中，——PWM的变化范围在0～1之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。图（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（——负载转矩，——由于VT即在期间（2.12）在期间（2.13）式中，R，——电动机电枢回路的总电阻和总电路和总电感；E——电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是1～4kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流受限式不可逆PWM电路。这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图2.1（）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即分为两段变化。期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源。当电在电压期间，9湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路２经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2.1（b）所示，与图2.1没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现电力晶体管VT2的情况。这时和期间，VT2在正的反电动势EE－产生的反向电流沿回路３通过VT2在回路电感中，直到t=T为止。在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路４经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型示图2.2（送回电网，只能对滤波电容器充电而造成瞬时的电压升高，称作泵升电压，必须采取措施加以限制，以免损坏电力晶体管和整流二极管。10湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书图2.2具有制动作用的不可逆PWM变换电路中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路２径VD2的续流期间的时刻。这时VD2两电流很快衰减到零，如在图2.2（d）中的动势E经VT2沿回路３流过反向电流期间，VT2关断，又沿回路４经VD1时衰减到零，VT2VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路１经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2.2（dPWM11湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书运行，有较好的静、动态性能。由具有制动作用的不可逆PWM运行状态，在电动状态下，依靠电力晶体管VT1的开和关两种状态，在发电制动状态下则依靠VT2的开和关两种状态。两种工作状态下电路电压平衡方程式都分为两个阶段，情况同简单的不