1、電力電子與運動控制課程設計報告書學院：電氣工程學院一課程性質、作用、教學目標本課程為自動化專業“電力電子技術” 、“運動控制系統”兩門課程的綜合性課程設計,通過指導學生獨立完成由igbt組成的某不可逆直流pwm雙閉環調速系統中主電路、控制器設計及系統動態性能仿真,以使學生掌握電力電子裝置設計的方法和運用工程設計方法進行實際自動控制系統設計的方法、步驟,提高電力電子系統和自動控制系統的分析與設計能力和綜合運用“電力電子技術” 、“運動控制系統”, “自動控制理論”、 “建模與仿真”等課程所學知識的能力,促進理論聯系實際和解決問題能力的提高。二課程設計的基本要求 1根據課程設計任務書的給定條件和技

2、術指標，在教師指導下，獨立完成設計方案的選擇與論證、主電路設計、控制器設計、系統建模與仿真。2獨立完成課程設計報告的撰寫。3要求會查閱相關參考文獻、資料。4掌握電力電子裝置設計的方法和運用工程設計方法進行實際自動控制系統設計的方法、步驟。三課程設計說明書(一)設計題目和給定條件、技術指標1設計題目：直流脈寬調速系統設計2給定條件、技術指標系統形式：不可逆（無制動功能）直流pwm雙閉環調速系統直流電動機（他勵，勵磁電路參數略）：額定功率pn為22kw 、額定轉速nn為1500 r/min、額定電流in 為113.24a、額定電壓un為220v、電樞電阻 ra為0.14、允許過載倍數=1.5系統總

3、飛輪矩gd2 : 26.95nm2 測速發電機:額定轉速為1900 r/min、額定電壓為110v、額定電流為0.21a電流檢測：采用霍爾電流傳感器電樞回路總電阻（計及整流器的等效內阻等）：r=3ra脈寬調制器的調制波周期tpwm設計值（建議）為100s系統技術指標:調速范圍d=25、靜差率s 0.05、電流超調量i %5%、空載起動到額定轉速時的轉速超調量n%10%最小不間斷電樞電流imin=5%in（2） 技術方案的論證與說明1.若采用g-m系統獲得穩壓直流電源，則系統需要的設備較多而且設備體積大、噪聲重、實現費用高，從而導致整個系統的效率也低下，況且設備維護不方便，系統的時間滯后為s級。

4、2.若采用v-m系統獲得穩壓直流電源，則系統的時間滯后常數為ms級，較g-m系統有了很大的進步。但是系統運行時會產生大量的諧波和無功功率，對電網造成較大危害，就是我們所說的 “電力公害”。晶閘管對過電壓、過電流都敏感，保護措施要求很高。此外，電路中直流脈動也較大。3.若采用二極管進行不控整流，然后通過igbt進行降壓斬波，以得到合適的電壓。斬波過程采用pwm控制方式。此種方法的時間滯后就只是s級，則系統動態響應快。且主電路電路結構簡單，所用功率器件也較少，成本也較低。igbt開關頻率高最大能夠達到20khz，使電流易于連續，諧波少，功率因數高，對電網的影響小。系統的低速性能好，調速范圍寬，抗擾

5、能力強。缺點是容量上不去，適用于中小容量的場合。但較之前兩者此種方法已經有了很大的優點，對于此次設計要求也是能夠滿足，從而選用它。4.控制系統采用轉速、電流雙閉環控制方案：雙閉環控制直流調速系統的特點是電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節器分別控制，且轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，因此電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機電樞的電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調節器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環調節使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉矩，電動機轉速上升。當實際轉速高于給定轉速時，轉速調節器的輸出減小，并通過電流環調節使電動機電流下降，電動機將因為電磁轉矩的減小而減速

6、。在當轉速調節器飽和輸出達到限幅值時，電流環即以最大電流限制idm實現電動機的加速，使電動機的起動時間最短。（三）設計計算的公式、數據以及結果1.電勢系數ceun=ce*nn+in*ra（un=220v,ra=0.14,in=113.24）求得：ce=0.1361v.min/r2. 轉矩系數cmcm=60ce/（2）=1.29973. 機電時間常數tmtm=0.1706s4. 最大轉速給定電壓un*max（也即等于最大轉速反饋電壓unmax）un*max=80usc=0.8*5=4v（說明：這里轉速給定電壓通過sg3524的16號+5v電源引腳輸出，但是為了一定余量和便于調節的范圍取它的80%

7、）5. 轉速反饋系數=un*max/ nn=4/1500=0.0027v.min/r6. 測速發電機電勢系數cctgcctg=110/1900=0.0579v.min/r7. 最大電流給定電壓ui*max（也即等于最大轉速反饋電壓uimax）同un*max的取法，這里也取ui*max=80usc=0.8*5=4v8.電流反饋系數=ui*max/imax（imax=*in）=4/（1.5*113.24）=0.0235v/a9.測速發電機分壓電阻電位器rp輸出電位器rp2的分壓系數2=/ cctg =0.0466rrp=cctg*nn /（0.2*intg）=20672.1k（這里取測速發電機額定

8、電流的20%為較合適的電流）wrp= cctg*nn*0.2*intg=3.645w，為了不致使電位器溫度很高，實際電位器的瓦數應為所消耗的一倍以上，所以我們選用rp為10w，2.1k10. 整流器的輸出電壓us、三相變壓器、三相橋式整流二極管選取（1）0.9*0.9*us=3ra*in（第一個0.9表示考慮有電網電壓波動下滑90%，第二個0.9表示控制igbt的pwm占空比最大值）求得us=340.12v，所以三相變壓器二次側相電壓u2=us/2.34=145.35v則三相變壓器二次側線電壓為u2=251.75v，根據網上三相變壓器資料，取250v的二次側線電壓，故重新求得u2=144.34

9、v，us=337.75v（2）額定負載電流id=in=113.24a，三相橋式整流電路變壓器二次側線電流i2=id，所以變壓器容量sn=3u2*i2=40k.va（三相變壓器一次側額定電壓380v，二次側額定電壓250v）（3）電力電子中，三相橋式整流電路每個橋臂通過的有效電流ivt=id=65.38a，則通過的平均電流ivt（av）=ivt/1.57=41.64a,故整流二極管取三倍的電流值為125a，經過查閱資料，選取zk200-zl20型整流二極管（其整流平均電流if(av)=200a，反向重復峰值電壓范圍vrrm為500-2000v）11.電樞回路電抗器電感l及電磁時間常數tll=0.

10、125*us*tpwm/idmin=0.125*337.75*10-4/（5%*113.24）=0.746mh電磁時間常數tl=l/r=0.000746/0.42=0.0018s12. 整流裝置放大系數ksks=udm/uc=337.75*0.9/3.5=86.85這里取pwm占空比為0.9時的整流輸出電壓對應著最大的控制電壓ucmax，而根據sg3524的內部三角波幅值決定了電流調節器輸出（也即整流裝置的最大控制電壓ucmax）應在3.5v以內。13. 電流環計算（1） 整流裝置滯后時間常數ts=tpwm=10-4（2） 電流濾波時間常數toi=3ts=3*10-4（3） 電流環小時間常數之

11、和ti=ts+toi=4*10-4要求電流超調量i5%，并保證電流無靜差，用pi型電流調節器傳遞函數wacr(s)=ki(i*s+1)/( i*s)檢查電源電壓抗干擾性能tl/ti=4.5，可以接受。（4） 電流調節器參數計算電流調節器超前時間常數i=tl=0.0018電流環開環增益ki：要求i5%，ki*ti=0.5，所以ki=1250所以acr的比例系數=0.463（5） 校驗近似條件電流環截止頻率ci=ki=1250s-1pwm整流裝置傳遞函數近似條件忽略反電勢對電流環影響條件電流環小時間近似條件（6） 電流調節器電阻和電容計算 取r0=40 k ri=ki*r0=18.52 k,取ri

12、=18.7 k（標稱值） ci=i/ ri=0.09uf取0.1uf（標稱值） coi=4*toi/ r0=0.03uf rbal=r0ri=18.2k14.轉速環計算（1） 電流環等效時間常數 1/ki=2 ti=0.0008s（2） 轉速濾波時間常數 ton=0.01s（3） 轉速環小時間常數 tn=1/ki+ton=0.0108s（4） 根據設計要求選擇pi調節器 wasr(s)=kn(n*s+1)/( n*s)（5） 轉速調節器參數計算取中頻寬h=5則asr超前時間常數n=h*tn=0.054s轉速環開環增益kn=1028.8asr比例系數（6） 檢驗近似條件轉速環截止頻率cn=kn/

13、1=kn*n=55.55s-1電流環傳遞函數簡化條件：轉速環小時間常數近似處理：（7） 轉速調節器電阻和電容計算 取r0=40 k rn=kn*r0=1069 k,取rn=1m（標稱值） cn=n/ rn=0.054uf,取0.051uf（標稱值） con=4*ton/ r0=1uf（標稱值） rbal=r0ri=38.3k（標稱值）4 電氣原理圖總的電氣原理圖如附圖，現將各個子模塊展示如下：1.主回路電路圖如下：圖一、直流電動機調速系統主回路原理圖2.電源模塊分為+5v，+15v，-15v，+20v，分別如下：圖、電源模塊的+5v、+20v子模塊圖二、電源模塊的+15v、-15v子模塊3.轉

14、速調節器和電流調節器子塊如下：圖三、asr和acr4.pwm脈波產生電路及igbt驅動電路如下：圖四、pwm脈波產生電路及igbt驅動電路5 仿真模型圖五、直流電動機雙閉環系統框圖圖六、轉速調節器asr內部結構（內置抗飽和內限幅電路）圖七、電流調節器acr內部結構（一般不會飽和所以沒有像asr內部那樣接法）六仿真結果及分析1）起動：階躍給定轉速分別為190 r/min、375 r/min、750 r/min 、1500 r/min；1 給定轉速190r/min時波形：圖八、給定轉速190r/min轉速電流波形峰值：210.3r/min穩態值：190r/min超調量%：10.6%上升時間tr：1

15、.186s峰值時間他tp：1.216s2 給定轉速375r/min時波形：圖九、給定轉速375r/min轉速電流波形峰值：395.3r/min穩態值：375r/min超調量%：5.41%上升時間tr：1.367s峰值時間他tp：1.396s3 給定轉速750r/min時波形：圖十、給定轉速750r/min轉速電流波形峰值：770.3r/min穩態值：750r/min超調量%：2.71%上升時間tr：1.732s峰值時間他tp：1.761s4 給定轉速1500r/min時波形：圖十一、給定轉速1500r/min轉速電流波形峰值：1520r/min穩態值：1500r/min超調量%：1.33%上升

16、時間tr：2.463s峰值時間他tp：2.492s5 將四個給定轉速作在一張圖上：圖十二、四種給定轉速時的轉速電流波形綜合第一階段是電流上升階段：突加給定電壓，由于轉速很小，轉速調節器輸出保持限幅值，強迫電流id迅速上升，直到id=idm,第二階段恒流升速階段：asr始終飽和，id保持恒定，轉速線性增長。第三階段轉速調節階段：當轉速達到給定值，由于asr的積分作用，仍在加速，轉速超調后，asr輸出為負，開始退飽和，由于id仍大于負載電流，轉速仍然增加，直到id等于負載電流，轉速達到最大值。然后在負載的作用下，轉速下降，經過一段時間調整，轉速穩定，電流也達到穩定。6 作比較一下四種給定轉速列表如下轉速n (r/min)超調量%上升時間tr(s)峰值時間他tp(s)19010.6%1.1861.2163755.41%1.3761.3967502.71%1.7322.49215001.33%2.4632.492簡析：隨著給定轉速增加超調量逐漸減小，動態時間過程變長。2）抗擾：給定轉速n*為1300 r/min，系統穩定