模拟直流电机电力电子负载的设计与研究.docx

目 录摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 研究背景 11.2国内外研究现状 21.3 研究主要内容及意义 2第2章 理论基础 42.1 电源老化实验 42.2 电力电子负载 42.3 直流电动机特性分析 52.3.1 直流电机简介 52.3.2 直流电机的动态数学模型 6第3章 模拟直流电机的PEL系统硬件设计 93.1模拟直流电机的PEL系统设计原则 93.2 模拟直流电机的PEL系统硬件平台设计 103.3 模拟直流电机的PEL主电路设计 113.3.1 模拟直流电机的PEL主电路拓扑设计 113.3.2 模拟直流电机的PEL主电路参数设计 133.4模拟直流电机的PEL采样电路的设计 143.5 模拟直流电机的PEL驱动电路的设计 163.6 模拟直流电机的PEL控制电路的设计 173.6.1 概述 173.6.2 控制电路设计 18第4章 模拟直流电机的PEL仿真实验 204.1 SIMULINK软件介绍 204.2 模拟直流电机的PEL建模与仿真 204.2.1 电机计算 204.2.2 模拟直流电机的PEL建模 224.2.3 波形验证 24结 论 26参考文献 27附录 28致 谢 29摘 要电源在出厂前都要进行放电实验，传统的实验中能量都能被完全消耗掉。

具有能量回馈功能的电力电子负载可以代替传统的负载对电源进行放电实验，实现能量的再生利用电力传动系统中，对电机控制装置的测试一般采用由电机及机械负载等构成的测试平台，文中提出利用电力电子变换器模拟电机工作特性从而取代上述测试平台的方案，用于电机控制装置的考核测试，构造了基于精确电机模型的电机仿真器，用于实时计算电枢电流、转速及电磁转矩等电机状态量，将背靠背型双PWM变换器应用于直流电机模拟器，分析了其模拟直流电机四象限运行的工作原理仿真结果验证了电机仿真器的计算值与电机实际运行时的状态量基本一致，然后验证了电机模拟器的实际模拟效果，从而证明了电机模拟器的有效性和可行性关键词：电机特性模拟；电力电子负载；直流电机模拟器；背靠背双PWM整流器 AbstractPower source should be carried out discharge test before leaving the factory. The energy have been fully consumed in the traditional energy experiment, with the energy feedback function of the power electronic load can replace traditional load in the power source discharge test to achieve energy recycling.In the power drag system, the test of driving device needs a complex load system formed by rotating motor and mechanical load. In this paper, a system of simulating DC motor and its load with power electronic converter is proposed, which can be used in the acceptance test of motor driving system. The systematic principle is derived, based on state equation of DC motor, on the base of Boost convertor, a novel main circuit is put forward. In order to compare ,a simulating platform is established. The simulation results verify the feasibility of motor simulator.Keywords: Simulating of Motor Characteristic ； Electronic Load ； DC Motor Simulator； Dual PWM Converter II武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 研究背景在电气与信息化高度发达的今天，随着电子设备以及供电技术的迅速发展，各种电源广泛应用于能源、化工、交通、军事等各行各业，在我们的日常生活中广泛使用的计算机等各种电器设备上都能经常见到它们的身影，电源已经成为人们生产、生活中必不可少的部分，电源的损坏将直接造成应用机器停止正常工作，进而影响生产、生活的正常运作，给国民经济和生活带来巨大的损失。

正因为电源设备的重要性，国际、国内、行业内都相应制订了各种电源标准来严格考核电源产品质量，各种电源产品在出厂前都要进行十几甚至几十个小时的试验如老化试验、输出特性试验等，以检验其技术指标和性能，保证出厂电源的优良品质传统的电源试验方法是采用电阻等能耗型元件作为负载，电能被无谓地消耗为热能，这样对能源造成很大的浪费此外，不同等级的电源设备需要不同负载进行带载试验，不仅需要大量的负载器件，同时需要耗用大量的人工对这些器件进行管理，所以这种直接测试的方式存在较大的弊端：（1）电阻功率较小，在长时间大电流试验环境下容易造成电阻老化和烧损（2）试验的电能全部消耗在电阻上，造成能源的巨大浪费，且电能转化成热能还需要对负载进行散热措施，既不节能也不环保3）负载只能采用有极调节，具有固定组织或固定负载特性曲线，很难适应连续变化或阻值取值点较密的试验场合如果考虑采用电力电子元器件构成能馈式电源设备综合测试平台进行相应的试验则可以很好地解决这些问题，不仅测试设定简单，而且可以大量地节省测试时消耗的电能，是一种使用、高效的方案随着工业的发展，对环境保护和能源利用效率要求的提高，对“绿色”测试方式的要求变得日益紧迫，国内外学者就此进行了广泛的研究，并取得了一定的研究成果。

由于能量回馈型电力电子负载具有显著的节能效果、控制灵活方便，有着广泛的应用前景，它的广泛应用能大大提高工业生产的自动化水平，非常符合我国的技能减排政策，一方面本文研究的电力电子负载能满足测试目的，另一方面，并网变换器将吸收的电能以高功率因数稳定地馈回电网，从而节约了大量的电能，整体来说，系统运行稳定节能效果显著，因此电力电子负载的研究具有较强的实际意义和深远价值从长远来看，可以将电力电子负载应用于电力系统动模仿真实验中，将多个电力电子负载进行矩阵式联接，安装于动态模拟实验室中，根据中央主控计算机命令，电力电子负载可以模拟各个负载节点的稳态情况，从而进行电力系统稳态仿真；还可以根据不同要求，改变所模拟负荷参数，从而改变系统潮流分布，设置根据日负荷曲线、月负荷曲线、年负荷曲线分析电网能源的分布状况和对电网的相关影响，方便进行相关潮流调度，它可以作为对电力系统计算机仿真技术的有利补充还有学者提出采用电力电子负载模拟系统异步电动机特性，形成一个更接近实际系统负荷状况的动态模拟系统，方便进行各项电力系统动模实验1.2国内外研究现状从上个世纪九十年代起，国内外有很多学者、工程师就开始研究电力电子负载，并发表了很多学术文章。

目前各类直流电力电子负载都主要运用高频变换器技术、软开关技术实现电能的回馈直流电力电子负载的研究已经比较成熟，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的使用中获得了应用，如北京索英电气有限公司的节能回馈式直流电子负载、美国艾德克斯电子公司的电能反馈型电子负载等而交流电力电子负载特别是大功率电能回馈型电力电子负载目前仍然是一个研究的热门领域国内关于此类负载的文献资料还是比较少，目前也没有非常成熟的产品出现大部分的文献资料对交流能量电力电子负载拓扑结构的研究，都是采用基于电压源型变流器作为能量回馈型单相交流电力电子负载的输入模拟变换器和并网变换器[1]电力电子负载结构背靠背H桥构成[2][3]，负荷侧和并网侧都由H桥构成控制方式主要有基于双极性调制滞环PWM电流控制和采用重复PI控制策略的电流控制等随着我国工业的快速发展和能源消耗的不断上升，电力电子负载的研究工作得到了国内学者的关注，许多高校对其进行了广泛的研究工作，并取得了一定的研究成果北京航空航天大学学者对电力电子负载中的电流控制环进行了研究，东南大学学者提出了采用数值计算方法得到实时参考电流的方法，此外，华北电力大学学者采用DC/DC变换器作为被试直流电源与馈网变换器接口，实现对直流电源设备的测试系统,北京交通大学、浙江大学、山东大学、重庆大学、北京工业大学学者等进行了直流电能测试设备的相关研究[4]；另外，南京航空航天大学、天津大学学者也对电力电子负载进行了相应研究，研究范围涉及了交流电力电子负载、直流电力电子负载的系统方案设计。

1.3 研究主要内容及意义直流电机具有起动转矩大、调速范围宽、动态响应快、过载能力大能诸多优点，在一些技术要求高的电气传动系统中，仍大量采用以直流电机为执行电机的直流调速系统[5]要设计10KW的单相电力电子负载，能模拟直流电动机负载的电特性完成负载模拟器主电路设计和控制电路设计，主器件的参数计算，并利用MATLAB进行完成系统仿真实验本文从电力拖动系统结构出发，提出了利用电力变换器模拟电机特性的电力电子负载的系统结构然后分析了直流电机的数学模型，得出了利用状态方程获得电机电流转速等状态量的计算公式；提出了将背靠背型双PWM整流器应用于四象限运行的直流电机的模拟，并详细分析了其模拟侧变换器的工作机理最后通过仿真验证了在电机控制装置测试中利用电机模拟器代替旋转电机的方案的可行性本文具体思路如下：（1）从系统的结构出发，一个完整的电力拖动系统包括电机控制装置、电动机本体、机械负载三部分确定直流电力电子负载的拓扑结构，该结构采用背靠背型双PWM变换器组成，模拟侧变换器接到电机控制装置，控制其端口电流按照真实电机接入系统时电流变化，并网侧PWM变换器提供稳定的直流电压2）确定控制电路，采用DSP芯片的TMS320F2812的最小系统控制IGBT的通断。

3）使用MATLAB中的SIMULINK对系统进行建模，并对系统在稳态情况下进行仿真，分析仿真结果，得出结论4）最后进行总结，并对未来提出展望第2章 理论基础2.1 电源老化实验各种大功率的交直流电源、电机、大容量蓄电池出厂前均要进行老化实验和电源输出特性测试，传统的电源试验方法采用电阻元件，调节不方便，不仅大量的能量被无谓地消耗掉，同时需要耗费大量的人力、物力对其进行管理而电力电子器件构成的电力电子负载则能够有效的减少能量的消耗，而且造价便宜2.2 电力电子负载所谓电力电子负载，其定义通俗易懂，首先它是负载，说明它主要起到“负荷”的作用，将其与“电力电子”放在一起，说明这种负载不是一种纯粹意义上的负荷，即与电路定义的电感、电容、电阻不同，它只是模拟其电气特性的考核设备，所模拟负荷范围包括与电力电子技术相关的非线性负荷再者，电力电子负载设备简便，自动化程度高，不需要大面积的厂房，大大降低了测试人员的劳动强度，节省了大量的人力物力成本电力电子负载是由大功率电力电子元件构成，利用电力电子控制技术对各种电源设备进行节能、环保考核的电源测试设备能馈型负载使用功率半导体开关器件对。