直流电机斩波调速控制系统设计任务书.doc
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1、湖南工程学院课程设计任务书课程名称: 电机控制题 目:直流电机斩波调速控制系统设计专业班级: 电气工程及其自动化0786 学生姓名: 吴锐鑫 学号: 200713010631指导老师: 蔡斌军 审 批: 任务书下达日期 2010 年 12月 4 日设计完成日期 2010 年 12月18 日 设计内容与设计要求一 设计内容:1 电路功能:1) 用直流斩波实现直流调压,控制直流电动机的转速。2) 电路由主电路与控制电路组成,主电路主要环节:整流电路、斩波电路及保护电路。控制电路主要环节:触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。3) 主电路电力电子开关器件采用IGBT或MOSFET
2、。4) 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1)确定主电路方案2)主电路元器件的计算及选型3)主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1) 检测电路设计2) 功能单元电路设计3) 触发电路设计4) 控制电路参数确定二 设计要求:1 设计思路清晰,给出整体设计框图;2 用(UCX637、TL598、TD340、SG3525、TDA1085C)产生脉冲。3 单元电路设计,给出具体设计思路和电路;4 分析所有单元电路与总电路的工作原理,并给出必要的波形分析。5 绘制总电路图6 写出设计报告; 主要设计条件1 设计依据主要参数1) 输入输出电压:(AC)220(1+15%)
3、、2) 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3) 要求电机能实现单向无级调速4) 电机型号布置任务时给定 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面;2 任务书;3 说明书目录;4 设计总体思路,基本原理和框图(总电路图);5 单元电路设计(各单元电路图);6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会;8 附录(完整的总电路图);9 参考文献;10.课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料; 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计;第二周星期一: 控制电路设计星期二:电路原理及波形分析、实验调
4、试及仿真等星期四五:写设计报告,打印相关图纸; 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社,1998 2王兆安 黄俊电力电子技术(第4版)机械工业出版社,20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社,20004莫正康电力电子技术应用(第3版)机械工业出版社,20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社,19966刘定建朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社,19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社,19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内,19999. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与
5、应用。电气自动化。2003.4目 录第一章.概述6第二章.设计总体思路72.1主电路设计思路:72.2控制电路设计思路92.3结构框图10第三章.各单元思路113.1主电路的设计113.1.1主电路113.1.2电路分析113.1.3主电路参数计算和元器件的选择123.1.4 H型桥式斩波电路的设计143.2.1控制电路框图143.2.2控制电路原理简要:153.2.3 SG3525的结构图和工作原理153.2.4各引脚具体功能:173.2.5 SG3525的工作原理:183.2.6 SG3525主要电路及其功能20第四章.保护电路及设计224.1主回路输出端过电流保护224.2电源欠压报警2
6、24.3 MOSFET的保护设计234.3.1 MOSFET的过电流保护234.3.2 MOSFET开关过程中的过电压保护24第五章总结与体会25附录26参考文献28第一章.概述长期以来,直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域,高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展,以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用,直流电机得到广泛应用。直流斩波电路采用了具有开关频率高、通断电流大、电压耐量高的MOSFET这一新型优良品质的电力电子器件作为开关管。直流斩波器广泛应
7、用于生产、生活等实际情况当中,从中国大面积,多人口,低技术,少能源等国情出发,大力发展直流电技术,结合电力电子技术,这对改善我国科技现状水平,提高经济效益将起着重要作用。目前,市场上用的最多的MOSFET直流斩波器,它是属于全控型斩波器,它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件MOSFET,由门极电压控制,从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置,针对不同的负载对象,做一些少量的改动又可用于其它要求供电ja电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比,具有明显的优点。第二章.设计总体思路2.1主电路设计思路:先利用星-三角形变
8、压器将380伏变为60伏电压的交流电,通过不控整流二极管变为直流电,而所得的直流电经过滤波电容后接入由MOSFET组成的控制组来控制正反向的门控电路导通角而电压输出的占空比,从而达到直流调压的目的,为达到较好的输出波形,在输出端接一电感,而在每个MOSFET的两端都加一个续流二极管,当正组MOSFET导通时,反组关断,电流从正组流过,导通完成后,关断正组经过一个死区时间再导通反组,而在这个死区时间内,由于有电感和续流二极管的作用,电流不会一下子断掉,而是经过电感和反组续流二极管向电网反馈电能,当反组导通时,电流经过反组MOSFET流过,而此时正组为关断状态,经过一个死区时间之后再导通正组,但是
9、由于反组导通的时间比正组导通的时间要短,在整个波形当中又有一两个对称的死区时间,故主电路所形成的又极性电经过电感的平波作用和续流二极管的回路使得整个输出电压波形为正,但电压值却比输出波的电压要低,这就是降压斩波主电路的工作原理。主电路(降压斩波电路(Buck Chopper) 降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图2-1所示 ,图中V为全控型器件,选用MOSFET.D为续流二极管,由图1-1中V的栅极电压波形Uge可知,当V处于通态时,电源Ui向负载供电,Ud=Ui。当V处于断态时,负载电流经二极管D续流,电压Ud近似为零,至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一个周期
10、的过程,负载电压的平均值为:Ud=Ton/(Ton+Toff)*Ui=Ton/T*Ui=aUi式中Ton为V处于通态的时间,Toff为V处于断态的时间,T为开关周期,a为导通占空比,简称占空比或导通比(a=Ton/T)。由此可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui,若减小占空比a,则Uo随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。图2-1 (a)电路图UoUdUgeTTonToffTTT图2-1(b)波形图2.2控制电路设计思路:控制电路由一个PWM波形产生器和一个光电隔离器为主要部件的驱动逻辑部分组成,SG3525是一种输入不同电平就能控制输出不同占空比的PWM波形来,这
11、样,只要我们调节给定电压就能控制主电路直流电压的值,考虑到正反组不能同时导通,而且要做到逻辑无环流的目的,在SG3525输出PWM波后经过一组逻辑电路将正反组的导通时间正好错开,并且在其间插入一段死区时间,这样就做到了对主电路的控制。又考虑到过电压过电流的问题,故在主电路中又增加了电流电压检测装置,在输出主电路上并联两个口串在一起的电阻,电阻值较大,不会对电路产生影响,同时又能起到检测电压的作用,通过反馈积分放大电路回到3525PWM波控制的输入端与给定作比较,这样就跟作双闭环调速电路一样起到了控制过电压的跟踪电压无静差的作用了,过电流保护则在主电路输出端串联一小电阻,在其两端加一迟滞比较器,
12、当两端电压达到一定的值时,滞比较器的输出电压会反向,反向电压送到PWM波控制的输入端与给定比较,立即调节控制波形的占空比,减小输出,这样就达到了过电压过电流的保护作用,最后,由于主电路的高电压,如果控制电路直接与MOSFET的门极相接,可能会造成事故,而且这也是电力电子不允许的,因此我们在PWM控制波与MOSFET门极间增加了光电隔离器,这样就解决了这个问题,于是整个思路就此完成。2.3结构框图开始三相交流主电网(380V)主接触器,熔断器,过热继电器,星三角变压器二极管不控整流电容滤波正反组MOSFET电流检测续流二极管、电感输出到负载给定电压反馈电流反馈SG3525逻辑延迟电路光电隔离器电
13、压检测图2-2 整体电路框图 第三章.各单元思路3.1主电路的设计3.1.1主电路 图3-1 主电路电路图3.1.2电路分析 如图3-1为根据上面的思路设计出来的电路图,其中S1为总开关,为了方便电路的维护和检修,KM是继电器开关,当电压或电流过大时使电路有自保的功能。变压器S选择“-Y”,这样连接可以避免3此谐波流入电网。经过3对二极管整流后,三相交流电变为带有波头的直流电,使用电容C来滤波和稳压,得到完美的直流电。为了防止开关动作起始,电流过大对电网造成破坏,在整流电路后加一个电阻R1,但考虑到此电阻在电路运行的过程中会消耗电路的电能,为了使电路的设计更完美,在R1上并联一个开关,在运行一
14、段时间后,合上开关,将电阻R1短路。后接降压斩波电路。3.1.3主电路参数计算和元器件的选择 (1) Ud=50v 考虑占空比为90%则 Us=Ud/0.9=55.5v取 Us=1.2U2 U2=Us/1.2=46.3v考虑到10%的裕量+ U2=1.1*46.3=50.93v一、二次线圈电流 I2=Id=25A变比 K=U1/U2=220/306=0.72 I1=I2/K=200/0.72=278A考虑空载电流 取I1=1.05*278=292A变压器容量计算 S1=U1*I1=220*292=64240VA S2=U2*I2=306*200=61200VA S=(S1+S2)/2=6272
15、0VA整流元件选择二极管承受反向最大电压UDM=1.414U=288V,考虑3倍裕量,则 UTN=3*288=864V 取900v该电路整流输出接有大电容,而且负载也不是纯电感负载,但为了简化计算,仍可按电感计算,只是电流裕量要可适当取大些即可。 IdD=0.5Id=100A ID=1/1.414 *Id=141A ID(AV)=2*141/1.57=180A滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,一般不做严格计算,多取2000以上。因该系统负载不大,故取 =2200耐压 1.5UDM=1.5*288=432v,取450v即选用2200450v电容器MOSFET的选
16、择因为=220V,取3倍裕量,选耐压为660v以上的MOSFET。由于MOSFET是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系,故应选用大于4倍额定负载电流的MOSFET为宜,因此选用2000A,额定电压700V左右的MOSFET续流二极管的选择根据 得知 续流二极管应选1000A、额定电压为600v的二极管。3.1.4 H型桥式斩波电路的设计图3-2 H桥式斩波电路原理图 3.2控制电路的设计3.2.1控制电路框图根据MOSFET的特点,本设计用脉宽调制(PWM)控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是用集成了PWM控制电路的SG3525芯片。控制电路的框图如图3-4: 图3-4控
17、制电路框图3.2.2控制电路原理简要:本控制电路是以SG3525为核心构成, SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用,它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能将在下一节中介绍。它采用恒频脉宽调制控制方案 ,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。然后,将脉冲信号驱动电路,对微信号进行升压处理,再把经过处理的电平信号送往MOSFET,对其触发,以满足主电路的要求。图35光电隔离器驱动3.2.3 SG3525的结构图
18、和工作原理 SG3525是电流控制型PWM控制器,所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型控制器。 SG3525是定频PWM电路,采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3-6(a)所示,内部框图如图3-62.3(b)所示。脚8为软起动端。 (a) SG3525的引脚图 (b)SG3525G内部框图 图3-6 SG3525
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