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基于PWM的直流电机可逆调速系统设计与仿真
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更新于2024-06-30
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该文档主要介绍了新疆工业高等专科学校电气与信息工程系的一份课程设计——可逆直流PWM调速系统的设计。该系统是针对直流电机的调速需求,采用了脉宽调制(PWM)技术,通过改变H桥驱动电路中脉冲宽度调制信号的占空比,实现对电机电压的精确控制,进而调整电机的转速。设计者是电气自动化09—40(1)班的钱杰,由指导教师何颖指导,完成于2011年6月。 系统的核心部分包括了二极管的桥式连接和绝缘栅型三极管构成的桥式PWM变换器,这种结构允许电机实现双向运行,即可逆。设计过程中,学生团队运用PROTEL软件进行了仿真,确保了系统的调速性能和可逆性。整个设计过程不仅考察了学生对直流电机基本原理的理解,如电磁力定律的应用和换向器的作用,还涉及到了PWM技术的深入理解,包括其控制调速原理和实际应用。 在评定意见部分,教师会根据学生完成的工作量、理论知识掌握程度、实践操作能力以及创新性等方面进行评价,给出相应的评定成绩。设计文档详细描述了直流电机的工作原理、PWM的基本介绍、桥式可逆PWM变换器的设计方法,以及调试过程中的关键步骤。最后,文档还包含了总结与体会、致谢、参考文献等内容,体现了设计者对电机技术的深入理解和实践经验。 这份课程设计不仅是一次理论与实践相结合的学习,也锻炼了学生的团队协作能力和问题解决能力,对于提升学生的电力电子技术和电机控制能力具有重要意义。
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1 基本原理
1.1 直流电机工作原理及基本结构
1.1.1 直流电机基本工作原理
在电工课程中,我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用--电磁力定律。
电动机就是应用这个定律工作的。
图 1.1 是直流电动机的原理图。
图 1.1 直流电机原理图
电枢绕组通过电刷接到直流电源上,绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A
流入电枢绕组,从电刷 B 流出。电枢电流 Ia 与磁场相互作用产生电磁力 F,其方向可用
左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩 T,使电动机电枢逆时针方向旋转。如
上图 a 所示。
当电枢转到上图 b 所示位置时,由于换向器的作用,电源电流 Ia 仍由电刷 A 流入
绕组,由电刷 B 流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。
电枢转动时,割切磁力线而产生感应电动势,这个电动势(用右手定则判定)的方向
与电枢电流 Ia 和外加电压 U 的方向总是相反的,称为反电动势 Ea。它与发电机的电动
势 E 的作用不同。发电机的电动势是电源电动势,在外电路产生电流。而 Ea 是反电动
势,电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。
可见,电动机向负载输出机械功率的同时,电源却向电动机输入电功率,电动机起
着将电能转换为机械能的作用。
发电机和电动机两者的电磁转矩 T 的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩,
它与原动机的驱动转矩 T
1
的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩,它使电枢转
动。电动机的电磁转矩 T 必须与机械负载转矩 T
2
及空载损耗转矩 T
0
相平衡,即 T=T
2
十 T
0
。当电动机轴上的机械负载发生变化时,则电动机的转速、反电动势、电流及电磁
转矩将自动进行调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。可见,直流电机作发电机运
行和作电动机运行时,虽然都产生电动势和电磁转矩,但两者作用截然相反。
1.1.2 直流电机结构
我们讨论电机及其它电器的结构,目的在于了解它们各主要部件的名称、作用、相
互组装及动作关系。以利正确选用和使用。
电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求:使电机产生
足够的磁场,感应出一定的电动势,通过一定的电流,产生一定的电磁转矩,要有一定
的绝缘强度。其次是机械方面的要求:电机能传递一定的转矩,保持机械上的坚固稳定。
此外,还要满足冷却的要求,温升不能过高;还要考虑便于检修,运行可靠等。
从电机的基本工作原理知道,电机的磁极和电枢之间必须有相对运动,因此,任何
电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成,在这两部分之间的间隙叫空气隙。
下面介绍直流电机的结构。图 1.2 是直流电机结构图。
图 1.2 直流电机结构图
1—风扇 2—机座 3—电枢 4—主磁极 5—刷架
6—换向器 7—接线板 8—出线盒 9 换向磁极 10—端盖
主磁极:
主磁极的作用是产生主磁通φ,主磁极铁心包括极心和极掌两部分。极心上套有励
磁绕组,各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电机的磁极如图所示。极掌的作用是
使空气隙中磁感应强度分布最为合适。
改变励磁电流 I
f
的方向,就可改变主磁极极性,也就改变了磁场方向。
换向磁极:在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极,这就是换向磁极。它
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