Электропривод постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем напряжения

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 

А.Б. Красовский, В.А. Соловьев
 
 
Электропривод постоянного тока  
с широтно-импульсным преобразователем 
напряжения 
 
 
Методические указания к лабораторным работам 
по курсам «Основы электропривода», «Электропривод 
и автоматизация металлургических машин и агрегатов», 
«Электропривод ПТМ и роботов» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 62-83:621.313.2 
ББК  31.261.5 
 К78 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book1131.html 
 
Факультет «Фундаментальные науки» 
Кафедра «Электротехника и промышленная электроника» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
 
 
 
Красовский, А. Б. 
К78 
Электропривод постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем напряжения : методические указания к лабораторным работам по курсам «Основы электропривода», «Электропривод и автоматизация металлургических машин и агрегатов», 
«Электропривод ПТМ и роботов» / А. Б. Красовский, В. А. Соловьев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 39, 
[5] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4174-7  

Представлено описание основных элементов электропривода постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем напряжения компьютеризованного лабораторного стенда. Даны основные сведения о 
программном обеспечении стенда, а также о порядке его включения и 
отключения. Приведены задания для выполнения двух лабораторных 
работ, подробная методика проведения опытов и обработки результатов 
экспериментов по определению статических и динамических параметров 
элементов электропривода и исследованию влияния типов регуляторов 
на его свойства. 
Для студентов 4-го и 5-го курсов факультетов «Машиностроительные технологии», «Робототехника и комплексная автоматизация», «Информатика и системы управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
                                                                                          УДК 62-83:621.313.2 
                                                                                                     ББК 31.261.5 

                                                                                    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
                                                                                    Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4174-7                                               МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Полупроводниковые импульсные преобразователи используют 
в современном электроприводе. Наиболее распространенные из 
них — широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного 
нерегулируемого напряжения в регулируемое напряжение — при 
питании от них якорных цепей двигателей постоянного тока 
(ДПТ) позволяют в разомкнутых структурах управления регулировать скорость, а в замкнутых — скорость и момент. При этом  достигаются высокие технико-экономические показатели регулируемого электропривода. 
В зависимости от соотношения входного и выходного напряжения различают понижающие, повышающие и повышающепонижающие, или универсальные, ШИП постоянного напряжения. 
В понижающих преобразователях выходное напряжение регулируется в сторону понижения относительно входного напряжения, в 
повышающих — в сторону повышения, а в универсальных — 
в обе стороны. Наиболее часто используются понижающие ШИП 
напряжения.  
В электроприводе обычно требуется поддерживать регулируемую величину (момент или скорость) на заданном уровне и, что  
не менее важно, обеспечивать требуемый характер ее изменения в 
переходных процессах. Поэтому, как правило, при переходе к замкнутым структурам управления решается комплексная задача 
обеспечения необходимых статических и динамических характеристик электропривода. При повышенных требованиях к электроприводу его характеристики в статических и динамических режимах целенаправленно формируют с помощью дополнительных  
элементов — регуляторов, параметры которых принято определять 
с привлечением частотных методов теории автоматического регулирования. 

Изменять динамические свойства электропривода можно с 
помощью  последовательной  или параллельной коррекции. 
В первом случае в прямой канал управления перед преобразователем включают дополнительный корректирующий элемент, 
вид и параметры которого выбираются так, чтобы нужным образом изменить передаточную функцию исходной нескорректированной системы. Тот же эффект может быть достигнут и с 
применением дополнительных внутренних обратных связей, 
когда корректирующие элементы включаются параллельно одному или нескольким элементам прямого канала управления. 
В современных промышленных электроприводах чаще применяют последовательную коррекцию в сочетании с жесткими 
внутренними обратными связями. 
Данное издание содержит подробное описание элементной базы современного компьютеризованного оборудования для экспериментального исследования электропривода постоянного тока с 
ШИП напряжения и методические указания к двум лабораторным 
работам. В первой студенты знакомятся  с составом лабораторного 
оборудования и методикой проведения экспериментов при определении динамических параметров элементов электропривода. 
Вторая лабораторная работа посвящена изучению методов последовательной коррекции электропривода постоянного тока с ШИП 
напряжения. 

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 

Описание  лабораторного  стенда 

В состав лабораторного стенда входят следующие электрические машины, электронные блоки и приборы. 
1. Электрический двигатель постоянного тока (ДПТ). Выполнен с возможностью включения его с независимым, последовательным или смешанным возбуждением. В данной лабораторной 
работе он используется как ДПТ с независимым возбуждением. 
Технические характеристики ДПТ: 
Номинальное напряжение якоря, В  .............................. 220 
Номинальный ток якоря, А  ............................................. 1,0 
Номинальная частота вращения, мин–1  ...................... 2000 
Номинальная мощность, кВт  .......................................... 0,2 
Номинальное напряжение возбуждения, В ................... 220 
Номинальный ток возбуждения, А  ................................ 0,1 
2. Сервотормоз (тормозное устройство). Представляет собой 
управляемую трехфазную синхронную электрическую машину с 
магнитоэлектрическим возбуждением и позиционной обратной 
связью, предназначенную для нагружения ДПТ. Технические характеристики сервотормоза: 
Номинальное напряжение, В .......................................... 390 
Номинальный ток, А ........................................................ 4,4 
Номинальная мощность, кВт ........................................... 1,7 
Максимальный момент на валу, Н·м  ................................ 4 
Максимальная частота вращения, мин–1 .................. ± 4050 
Максимальная частота фазных токов, Гц ...................... 140 
3. Тахогенератор. Представляет собой электрическую микромашину постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, работающую в генераторном режиме. Предназначен для контроля направления и частоты вращения ДПТ. Выходное 
напряжение ТГ прямо пропорционально частоте вращения, а полярность зависит от направления вращения его вала. В лабораторном стенде используется ТГ с крутизной выходной характеристики 1 В на 1000 мин–1. 
Вал ТГ имеет два конца, один из которых соединен с валом 
ДПТ, а другой — с валом сервотормоза. Для соединения концов 

валов электрических машин используют манжеты соединительных муфт, закрытых защитными кожухами. ДПТ, сервотормоз и 
ТГ образуют электромеханический модуль электропривода постоянного тока с ШИП напряжения (рис. 1).  
 

 
Рис. 1. Электромеханический модуль электропривода постоянного 
тока с ШИП напряжения 
 
4. Блок управления сервотормозом. Представляет собой электронное устройство, позволяющее управлять в автоматическом и 
ручном режимах частотой вращения и моментом, создаваемым 
сервотормозом (рис. 2).  
В этом блоке имеются встроенные электрически развязанные 
измерители напряжения и тока, цифровые дисплеи для индикации 
частоты вращения и момента, устройство автоматического кон
Рис. 2. Блок управления сервотормозом 

троля температуры и защиты ДПТ от перегрева, а также устройство блокировки, запрещающее включение ДПТ при снятом защитном кожухе. Для контроля частоты вращения и момента ДПТ 
внешними измерительными приборами предусмотрены аналоговые выходы, напряжения на которых изменяются прямо пропорционально текущим значениям измеряемых величин: 1 В на 1000 мин–1 
и 1 В на 1 Н·м соответственно. 
Режим управления сервотормозом в блоке управления изменяется кнопкой Mode при нажатой кнопке STOP. 
При ручном управлении сервотормозом могут быть выбраны режимы управления моментом (TORQUE CONTROL), частотой вращения 
(SPEED CONTROL) и частотой вращения с синхронизацией (SYNCHRONISATION). Необходимые значения момента нагрузки или частоты вращения устанавливают  вращающейся ручкой блока управления сервотормозом и контролируют на его цифровых дисплеях.  
Для работы в режиме автоматического управления (PC Мode)  
USB-выход блока соединяют с USB-входом персонального компьютера (ПК), в котором установлена программа ActiveServo. Этот режим 
устанавливается автоматически, как только при включенном блоке 
управления сервотормозом запускается программа ActiveServo. 
Выбранный режим управления сервотормозом (ручной или 
автоматический) активируется 
нажатием кнопки RUN. При 
нажатии кнопки STOP выбранный режим отключается и прикладываемый сервотормозом к 
валу ДПТ момент становится 
равным нулю.  
5. Транзисторный широтно-импульсный преобразователь  напряжения. Формирует 
последовательность модулированных по ширине (длительности) прямоугольных импульсов 
напряжения, используемых для 
питания обмотки якоря ДПТ. 
Лицевая панель прибора показана на рис. 3. 

Рис. 3. Транзисторный ШИП 
напряжения 

ШИП представляет собой мостовой коммутатор, выполненный на 
шести силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором 
IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Каждая пара IGBT мостового 
коммутатора соединена последовательно и образует его плечо. Все 
три плеча мостового коммутатора соединены параллельно, и на них 
подается напряжение от силового источника постоянного тока. 
Нагрузка мостового коммутатора подключается между его диагоналями, т. е. между общими точками соединения IGBT каждого плеча. 
ШИП питается от силового источника постоянного тока с напряжением 220 В. Для регулирования 
напряжения на обмотке якоря ДПТ 
используются только два плеча мостового коммутатора — среднее и 
правое (см. рис. 3). Обмотка якоря 
ДПТ вместе с соединенными последовательно с ней входами измерителя тока блока управления сервотормозом и токовыми входами мультиметра подключается к гнездам 
OUT U и OUT V его диагонали. Последовательно с этой цепью включен 
резистивный датчик тока R3, используемый для контроля тока якоря ДПТ 
его 
регулятором. 
Cопротивление 
датчика тока RДТ = 1,5 Ом. 
IGBT в ШИП работают в ключевом режиме. Управление их включением и отключением осуществляется напряжениями, подаваемыми 
на входы ШИП G1…G6. 
6. Универсальный управляющий блок (УУБ). Формирует последовательности модулированных 
по длительности (ширине) прямоугольных импульсов напряжения 
для управления коммутацией IGBT. 
Для его питания используется источник постоянного тока с напряжениями ±15 В. Лицевая панель УУБ 
показана на рис. 4. 

Рис. 4. Универсальный 
управляющий блок 

Режим работы УУБ выбирают переключателем MODE. При 
управлении ШИП его устанавливают в положение PWM CONTROL H.F. В этом режиме на выходе Usyn IN GATES OUT формируются последовательности прямоугольных импульсов напряжения 
с частотой f = 1800 Гц. По плоскому электрическому кабелю они 
подаются на входы G1…G6 ШИП. 
Ширина формируемых УУБ прямоугольных импульсов напряжения прямо пропорциональна напряжению UУУБ на его входе 
ANALOG IN, устанавливаемому вращающейся ручкой потенциометра. На потенциометр может подаваться постоянное напряжение 
от внешнего или внутреннего источника опорного напряжения 
Uref OUT (Uref = 10 В). Первый вариант питания потенциометра 
УУБ применяется при автоматическом регулировании частоты 
вращения ДПТ, второй — при ручном. В ручном режиме управления при вращении ручки потенциометра от положения «0» до положения «1» частота вращения ДПТ плавно изменяется от максимального значения одного направления до максимального значения 
противоположного направления вращения. В среднем положении 
ручки потенциометра частота вращения ДПТ равна нулю. 
Для активации УУБ выключатель на нем из положения STOP 
переводится в положение RUN. 
7. Цифровой универсальный регулятор (ЦУР). Предназначен 
для реализации наиболее распространенных законов регулирования тока и частоты вращения ДПТ. Для его питания используется 
источник постоянного тока с напряжениями ±15 В и +5 В. Лицевая 
панель регулятора показана на рис. 5. 
ЦУР состоит из двух регуляторов, реализованных на основе высокопроизводительного 32-битного микропроцессора. Продолжительность цикла каждого регулятора составляет 1 мс. 
Для ввода параметров настройки регуляторов и наблюдения 
временных зависимостей их выходных переменных служит дисплей ЦУР с расположенными под ним шестью кнопками или ПК с 
установленной в нем программой 4Q-Drive Controller. Для работы 
с ПК его вход USB соединен согласующим кабелем с разъемом 
последовательного порта RS232 на выходе регулятора. 
В ЦУР имеется четыре аналоговых входа w1, x1, w2, x2 с входными сопротивлениями 10 кОм и устанавливаемыми диапазонами 
допустимого изменения входных переменных ±10 В, ±5 В, ±2,5 В и 
два цифровых входа I1, I2, совместимых с уровнями напряжений 

TTL. Для вывода выходных переменных в регуляторе служат четыре 
аналоговых выхода ya, y1, y2, yb с максимальным диапазоном изменения напряжения ±10 В и два совместимых с уровнями напряжений 
TTL цифровых выхода Q1, Q2. Для контроля включенного состояния, полярности и перерегулирования выходных переменных в регуляторе используются шесть светодиодных индикаторов. 
С целью исключения ошибок подключения внешних устройств к 
входам и выходам ЦУР при реализации необходимых законов регулирования на них накладываются соответствующие маски. При исследовании электропривода постоянного тока с ШИП напряжения на 
регулятор накладывается маска 4Q DRIVE CONTROLLER. При таком включении ЦУР на его вход w1 поступает задающее воздействие — постоянное напряжение, которое определяет необходимое 
(желаемое) значение частоты вращения ДПТ. Оно может устанав
Рис. 5. Цифровой универсальный регулятор