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1、电力电子与运动控制课程设计报告书学院：电气工程学院一课程性质、作用、教学目标本课程为自动化专业“电力电子技术” 、“运动控制系统”两门课程的综合性课程设计,通过指导学生独立完成由IGBT组成的某不可逆直流PWM双闭环调速系统中主电路、控制器设计及系统动态性能仿真,以使学生掌握电力电子装置设计的方法和运用工程设计方法进行实际自动控制系统设计的方法、步骤,提高电力电子系统和自动控制系统的分析与设计能力和综合运用“电力电子技术” 、“运动控制系统”, “自动控制理论”、 “建模与仿真”等课程所学知识的能力,促进理论联系实际和解决问题能力的提高。二课程设计的基本要求 1根据课程设计任务书的给定条件和技
2、术指标，在教师指导下，独立完成设计方案的选择与论证、主电路设计、控制器设计、系统建模与仿真。2独立完成课程设计报告的撰写。3要求会查阅相关参考文献、资料。4掌握电力电子装置设计的方法和运用工程设计方法进行实际自动控制系统设计的方法、步骤。三课程设计说明书(一)设计题目和给定条件、技术指标1设计题目：直流脉宽调速系统设计2给定条件、技术指标系统形式：不可逆（无制动功能）直流PWM双闭环调速系统直流电动机（他励，励磁电路参数略）：额定功率PN为22kW 、额定转速nN为1500 r/min、额定电流IN 为113.24A、额定电压UN为220V、电枢电阻 Ra为0.14、允许过载倍数=1.5系统总
3、飞轮矩GD2 : 26.95Nm2 测速发电机:额定转速为1900 r/min、额定电压为110V、额定电流为0.21A电流检测：采用霍尔电流传感器电枢回路总电阻（计及整流器的等效内阻等）：R=3Ra脉宽调制器的调制波周期TPWM设计值（建议）为100s系统技术指标:调速范围D=25、静差率s 0.05、电流超调量i %5%、空载起动到额定转速时的转速超调量n%10%最小不间断电枢电流IMIN=5%IN（2） 技术方案的论证与说明1.若采用G-M系统获得稳压直流电源，则系统需要的设备较多而且设备体积大、噪声重、实现费用高，从而导致整个系统的效率也低下，况且设备维护不方便，系统的时间滞后为s级。
4、2.若采用V-M系统获得稳压直流电源，则系统的时间滞后常数为ms级，较G-M系统有了很大的进步。但是系统运行时会产生大量的谐波和无功功率，对电网造成较大危害，就是我们所说的 “电力公害”。晶闸管对过电压、过电流都敏感，保护措施要求很高。此外，电路中直流脉动也较大。3.若采用二极管进行不控整流，然后通过IGBT进行降压斩波，以得到合适的电压。斩波过程采用PWM控制方式。此种方法的时间滞后就只是s级，则系统动态响应快。且主电路电路结构简单，所用功率器件也较少，成本也较低。IGBT开关频率高最大能够达到20KHz，使电流易于连续，谐波少，功率因数高，对电网的影响小。系统的低速性能好，调速范围宽，抗扰
5、能力强。缺点是容量上不去，适用于中小容量的场合。但较之前两者此种方法已经有了很大的优点，对于此次设计要求也是能够满足，从而选用它。4.控制系统采用转速、电流双闭环控制方案：双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩的减小而减速
6、。在当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制Idm实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短。（三）设计计算的公式、数据以及结果1.电势系数CeUN=Ce*nN+IN*Ra（UN=220V,Ra=0.14,IN=113.24）求得：Ce=0.1361V.min/r2. 转矩系数CmCm=60Ce/（2）=1.29973. 机电时间常数TmTm=0.1706s4. 最大转速给定电压Un*max（也即等于最大转速反馈电压Unmax）Un*max=80Usc=0.8*5=4V（说明：这里转速给定电压通过SG3524的16号+5V电源引脚输出，但是为了一定余量和便于调节的范围取它的80%
7、）5. 转速反馈系数=Un*max/ nN=4/1500=0.0027V.min/r6. 测速发电机电势系数CctgCctg=110/1900=0.0579V.min/r7. 最大电流给定电压Ui*max（也即等于最大转速反馈电压Uimax）同Un*max的取法，这里也取Ui*max=80Usc=0.8*5=4V8.电流反馈系数=Ui*max/Imax（Imax=*IN）=4/（1.5*113.24）=0.0235V/A9.测速发电机分压电阻电位器RP输出电位器RP2的分压系数2=/ Cctg =0.0466RRP=Cctg*nN /（0.2*INtg）=20672.1K（这里取测速发电机额定
8、电流的20%为较合适的电流）WRP= Cctg*nN*0.2*INtg=3.645W，为了不致使电位器温度很高，实际电位器的瓦数应为所消耗的一倍以上，所以我们选用RP为10W，2.1k10. 整流器的输出电压Us、三相变压器、三相桥式整流二极管选取（1）0.9*0.9*Us=3Ra*IN（第一个0.9表示考虑有电网电压波动下滑90%，第二个0.9表示控制IGBT的PWM占空比最大值）求得Us=340.12V，所以三相变压器二次侧相电压U2=Us/2.34=145.35V则三相变压器二次侧线电压为U2=251.75V，根据网上三相变压器资料，取250V的二次侧线电压，故重新求得U2=144.34
9、V，Us=337.75V（2）额定负载电流Id=IN=113.24A，三相桥式整流电路变压器二次侧线电流I2=Id，所以变压器容量SN=3U2*I2=40K.VA（三相变压器一次侧额定电压380V，二次侧额定电压250V）（3）电力电子中，三相桥式整流电路每个桥臂通过的有效电流IVT=Id=65.38A，则通过的平均电流IVT（AV）=IVT/1.57=41.64A,故整流二极管取三倍的电流值为125A，经过查阅资料，选取ZK200-ZL20型整流二极管（其整流平均电流IF(AV)=200A，反向重复峰值电压范围VRRM为500-2000V）11.电枢回路电抗器电感L及电磁时间常数TLL=0.
10、125*Us*Tpwm/Idmin=0.125*337.75*10-4/（5%*113.24）=0.746mH电磁时间常数TL=L/R=0.000746/0.42=0.0018s12. 整流装置放大系数KsKs=Udm/Uc=337.75*0.9/3.5=86.85这里取PWM占空比为0.9时的整流输出电压对应着最大的控制电压Ucmax，而根据SG3524的内部三角波幅值决定了电流调节器输出（也即整流装置的最大控制电压Ucmax）应在3.5V以内。13. 电流环计算（1） 整流装置滞后时间常数Ts=TPWM=10-4（2） 电流滤波时间常数Toi=3Ts=3*10-4（3） 电流环小时间常数之
11、和Ti=Ts+Toi=4*10-4要求电流超调量i5%，并保证电流无静差，用PI型电流调节器传递函数WACR(s)=Ki(i*s+1)/( i*s)检查电源电压抗干扰性能TL/Ti=4.5，可以接受。（4） 电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数i=TL=0.0018电流环开环增益KI：要求i5%，KI*Ti=0.5，所以KI=1250所以ACR的比例系数=0.463（5） 校验近似条件电流环截止频率ci=KI=1250s-1PWM整流装置传递函数近似条件忽略反电势对电流环影响条件电流环小时间近似条件（6） 电流调节器电阻和电容计算 取R0=40 k Ri=Ki*R0=18.52 k,取Ri
12、=18.7 k（标称值） Ci=i/ Ri=0.09uF取0.1uF（标称值） Coi=4*Toi/ R0=0.03uF Rbal=R0Ri=18.2k14.转速环计算（1） 电流环等效时间常数 1/KI=2 Ti=0.0008s（2） 转速滤波时间常数 Ton=0.01s（3） 转速环小时间常数 Tn=1/KI+Ton=0.0108s（4） 根据设计要求选择PI调节器 WASR(s)=Kn(n*s+1)/( n*s)（5） 转速调节器参数计算取中频宽h=5则ASR超前时间常数n=h*Tn=0.054s转速环开环增益KN=1028.8ASR比例系数（6） 检验近似条件转速环截止频率cn=KN/
13、1=KN*n=55.55s-1电流环传递函数简化条件：转速环小时间常数近似处理：（7） 转速调节器电阻和电容计算 取R0=40 k Rn=Kn*R0=1069 k,取Rn=1M（标称值） Cn=n/ Rn=0.054uF,取0.051uF（标称值） Con=4*Ton/ R0=1uF（标称值） Rbal=R0Ri=38.3k（标称值）4 电气原理图总的电气原理图如附图，现将各个子模块展示如下：1.主回路电路图如下：图一、直流电动机调速系统主回路原理图2.电源模块分为+5V，+15V，-15V，+20V，分别如下：图、电源模块的+5V、+20V子模块图二、电源模块的+15V、-15V子模块3.转
14、速调节器和电流调节器子块如下：图三、ASR和ACR4.PWM脉波产生电路及IGBT驱动电路如下：图四、PWM脉波产生电路及IGBT驱动电路5 仿真模型图五、直流电动机双闭环系统框图图六、转速调节器ASR内部结构（内置抗饱和内限幅电路）图七、电流调节器ACR内部结构（一般不会饱和所以没有像ASR内部那样接法）六仿真结果及分析1）起动：阶跃给定转速分别为190 r/min、375 r/min、750 r/min 、1500 r/min；1 给定转速190r/min时波形：图八、给定转速190r/min转速电流波形峰值：210.3r/min稳态值：190r/min超调量%：10.6%上升时间tr：1
15、.186s峰值时间他tp：1.216s2 给定转速375r/min时波形：图九、给定转速375r/min转速电流波形峰值：395.3r/min稳态值：375r/min超调量%：5.41%上升时间tr：1.367s峰值时间他tp：1.396s3 给定转速750r/min时波形：图十、给定转速750r/min转速电流波形峰值：770.3r/min稳态值：750r/min超调量%：2.71%上升时间tr：1.732s峰值时间他tp：1.761s4 给定转速1500r/min时波形：图十一、给定转速1500r/min转速电流波形峰值：1520r/min稳态值：1500r/min超调量%：1.33%上升
16、时间tr：2.463s峰值时间他tp：2.492s5 将四个给定转速作在一张图上：图十二、四种给定转速时的转速电流波形综合第一阶段是电流上升阶段：突加给定电压，由于转速很小，转速调节器输出保持限幅值，强迫电流Id迅速上升，直到Id=Idm,第二阶段恒流升速阶段：ASR始终饱和，Id保持恒定，转速线性增长。第三阶段转速调节阶段：当转速达到给定值，由于ASR的积分作用，仍在加速，转速超调后，ASR输出为负，开始退饱和，由于Id仍大于负载电流，转速仍然增加，直到Id等于负载电流，转速达到最大值。然后在负载的作用下，转速下降，经过一段时间调整，转速稳定，电流也达到稳定。6 作比较一下四种给定转速列表如
17、下转速n (r/min)超调量%上升时间tr(s)峰值时间他tp(s)19010.6%1.1861.2163755.41%1.3761.3967502.71%1.7322.49215001.33%2.4632.492简析：随着给定转速增加超调量逐渐减小，动态时间过程变长。2）抗扰：给定转速n*为1300 r/min，系统稳定运行中，负载转矩阶跃变化。仿真方法：先空载启动，再到2s时给额定负载运行（这为一个负载扰动），再到7s时减小负载（也为一个负载扰动）仿真得到下图：图十三、2s和7s时给定两个负载扰动波形负载扰动在电流环之外，速度环之内，因此负载扰动需要速度环来调节，在突加负载时，必然会引起动态速降为了减少动态速降，必须在设计速度环时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于电流环的设计来说，只需电流环具有良好的跟随性能。仿真结果可以知道，本模型具有良好的抗扰动性能。转速在扰动后能够很快恢复到额定给定转速。而电流环也具有十分好的跟随性能。