电力电子实训20111650

1、电气工程学院2011级电力电子与电力传动实训报告项目名称： 直流降压斩波电压源(110v/500w) 项目负责人： 伍翔20111650 项目成员： 吴兵彭开晟 负责老师： 郭育华 卢国涛 指导老师： 郭育华 2014年 12月 31项目成绩：评阅人：指导老师： 年 月 日项目负责人：姓名 伍翔 学号20111650 项目成员：姓名 吴兵 学号20111647项目成员：姓名 彭开晟 学号20111662直流降压斩波实验摘要本项目完成了110V/534W直流降压（Buck电路）斩波实验中电压的开环和闭环控制实验。实验项目初始阶段主要进行Buck降压电路方案的理论研究以及电路初始设计。接着利用Ma

2、tlab/Simulink仿真软件进行仿真，通过对电路参数多次的调整和修正，最后得到符合要求的仿真波形。完成仿真设计后经预约进入实验室，对电路设计进行实物验证。在实验台进行电路实物连接，并不断调试，最终得到电压开环和闭环控制较为稳定的输出。最后测量所需的实验数据，并记录相应的实验波形。关键字： Buck电路 开环 闭环目录、项目技术目标11.1指标1、项目的主电路设计1.方案确定1.主电路设计方案2.工作原理3.4参数选择4、项目的控制电路设计6.控制电路方案6.控制电路工作原理10、系统仿真104.1 开环控制10.闭环控制125、实验分析135.实验平台介绍135.1.1系统参数145.1

3、.2系统构成155.2斩波控制箱接线165.3开环实验195.4闭环实验206实验总结体会2223电力电子与电力传动实训报告直流斩波电压源、 项目技术目标本项目为降压型斩波实验，实验目标为将输入电压源降压后输出，并稳定输出电压，负载大小变化和输入电压产生较大波动时，依旧能够保持负载两端的电压稳定。采用电压反馈控制模式实现稳压。1.1指标系统的输入输出参数目标：输入电压：DC200V，电压波动±15%输出电压：DC110V ,输出功率：1kW恒压精度：优于5%电压调整率：优于5%负载整率：优于5%、 项目的主电路设计.方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电

4、路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图2-1所示。图2.1 Buck斩波电路结构框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主

5、电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。.主电路设计方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用IGBT开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的Buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。Buck降压电路如图2-2所示：图2.2 Buck降压电路.工作原理直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压，电感电流I上升。电路工作时波形图如图2-3所示：图2.3 B

6、uck降压电路波形图工作状态1（0t1时段）：开关S处于t0时刻接通，并保持通态到t1时刻，在这一阶段，电感点段的电压UL=Ui-Uo，由于Ui>Uo，故电感L的电流不断增长。二极管处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感两端的电压UL=-Uo，电感通过D徐留，电感电流不断减小。直到t2时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。根据上面的分析可得出电感两端的电压平均值为 (2-1)式中，UL为电感两端的电压在一个开关周期内的平均值；TS为开关周期，TS=ton+toff；ton为开关处于通态的时间。根据稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零的

7、基本原理，在电感电流连续的条件下，可以推导出降压型直直变换器电路的输出、输入电压比与开关通、断时间比间的关系。令=0有 （2-2）式中，D为占空比，定义为开关到同时间与开关周期的比，即D=ton/TS。由于，因此，降压型电路的输出电压不可能高于其输入电压，且与输入电压极性相同。.4参数选择考虑到实验安全性的原则加上现已有实验设备各元件参数，结合电路需要进行各元件参数选择。2.4.1电源电压源：200V2.4.2开关电子开关：选用已有的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为开关。因IGBT综合了双极性GTR导通压降低、阻断电压高、电流容量大以及单极性PMOSFET驱动功率小、开关频率高、热稳定好的优

8、点，目前已广泛应用于500kw以下的中等功率变换器，如逆变器、高频整流器、直流稳压电源以及UPS系统中。IGBT的单管容量可达400A-600A/1200V-1800V，开关频率可达20KHz，通态压降可降至1.5V。大容量、高频化是IGBT发展的主要方向本次实验取Ts=1KHz2.4.3二极管其承受最大反压200V，其承受最大电流趋近于10A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。这里取选用快速恢复二极管。2.4.4电感根据电感电流连续时电感量临界值条件Lc=1-DR2TS=(1-110200)×252×11000=5.6mh经过闭环电路的调试L取6mh可以基本达到要求2.4

9、.5电容由于本次实验要求电压波动±15% ，根据电压波动公式 得LC2.6uFH经过调试取L=510uf2.4.6负载因为当输出电压为110V左右时，假设输出2-5A由 可得负载电阻阻值22-55欧姆之间，取实验室最小负载252.4.7 限幅额度上阈值1V，下阈值0V。2.4.8 三角波频率频率取值为1kHz、 项目的控制电路设计.控制电路方案控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽度调制；2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成

10、为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因要求输出电

11、压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，我们选用了SG3525芯片，其引脚图如图3.1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。图3.1 SG3525引脚图其SG3525的11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级

12、差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变

13、位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比。由于SG3525的振荡频率可表示为 ： 式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。需要频率为1kHz，所以由上式可取=0.4F, = ,=。可得f=1kHz 图3.2 控制电路.控制电路工作原理预设电压与通过电压传感器传回负载两端的电压Uo做比较，差值通过PI调节后进行限幅，送入比较器与方波进行比较。从比较器输出

14、比较结果的PWM波（A处）送入IGBT驱动电路，驱动IGBT导通关断。当负载两端的电压高于预设电压时，得到一个负电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期不变，占空比减小的PWM信号。根据公式2-2，可知，Uo将降低。当负载两端的电压低于预设电压时，得到一个正电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期不变，占空比变大的PWM信号。根据公式2-2，可知，Uo将升高。由上可得，通过反馈控制电路自动工作，负载电压将稳定在预设电压附近，从而保证输入电压和负载变化的情况下，输出电压的稳定。、 系统仿真4.1 开环控制图4.1开环控制电路 输出电压109.6V占

15、空比55%.闭环控制图4.2闭环控制图4.3闭环的波形设定输入电压220V，参考电压为110V，得到的闭环输出电压为110V左右。但功率还在500W左右，闭环控制所得波形与开环波形对比可知加入PI调节器后系统的动静态特性得到了明显的改善，输出带负载能力较强，输出较为稳定。开环的系统由于阻尼系数比较小，所以出现了震荡环节，而校正后的闭环曲线在很短的时间内就能达到稳定，即系统的快速性比较好5、实验分析5.实验平台介绍“PESX-电力电子与电力传动开发平台”是为研究电力电子与电力传动技术而研制的通用开发平台。开发平台由主电路模块、负载模块、传感器、电源模块、驱动模块和控制模块六大类构成，其中控制模块

16、分为专用芯片控制、单片机控制和DSP控制三种层次。常用的电力电子与电力传动系统（如整流电源、斩波电源、逆变器电源、大功率开关电源、三相 PWM整流器、 H型斩波器、直流传动、交流传动等）都可以在平台上实现，控制系统可根据开发者个人能力和喜好来选取。开发平台具有如下特点： 1)采用模块式结构。主电路、控制、电源、传感器等模块都采用独立的模块结构，且模块完全开放，开发可根据自己需要，象积木一样搭建自己的系统。 2)控制系统多层次。控制模块由专用控制器（TC787/SG3525）、单片机（MCU+CPLD）和 DSP（F2812）三类组成，满足多种主电路结构和不同层次的开发要求。 3)采用先进技术。

17、平台中除有传统技术之外，还采用先进的技术和器件。主模块采用 IGBT。IGBT采用 Concept公司的专用驱动（国际上使用最广泛）、控制器采用高性能单片 MCU和 DSP，平台适用于先进技术的研究和产品开发。 4)考虑多种辅助功能。开发平台可提供多种辅助功能，如隔离的示波器供电电源、交直流电流和电压表、连接导线等，给开发者提供方便。 5.1.1系统参数 1)输入电压：三相 AC380V+地； 2)总功率：5KVA； 3)整流变压器：3.5KVA； 4)隔离变压器：1KVA； 5)励磁变压器：500VA。 5.1.2系统构成 实验平台用于摆放各种实验箱，内部配保险、隔离开关、主电源开关、电源指

18、示、变压器等，面板配交流电流表（380V 3只）、交流电压表（380V 3只）、直流电压表（300V、750V各 1只）、直流电流表（30A 2只）、可调励磁电源，实验台下部用于存放各种电路功能模块。主电路模块：1) PESX01 三相全控桥； 1台 2) PESX02 三相逆变桥； 1台 3) PESX03 单相/三相整流桥； 1台 4) PESX04 交直流电容组件； 1台 5) PESX05 脉冲功放； 1台 6) PESX06 同步变压器； 1台 7) PESX-L1 高频滤波电感； 1台 8) PESX-L2 工频滤波电感； 1台 9) PESX-T 高频变压器； 1台 控制电路模块

19、 ：1) PESX21 控制电源箱； 1台 2) PESX22 电压传感器箱； 1台 3) PESX23 IGBT驱动单元箱； 1台 4) PESX24 三相整流控制箱； 1台 5) PESX25 PWM控制箱； 1台 6) PESX26 单片机控制箱； 1台 7) PESX27 DSP控制箱； 1台 负载 ：1) PESX-LA 可调负载电阻箱； 1台 2) PESX-DAM 交直流机组 1台传感器 1)补偿式电流传感器 30A 3只 2)电压传感器（10mA/ 25mA） 3只 3)高频电流互感器（20A/100 mA） 1只 4)光电编码器（1000线） 1只 5)力矩传感器（50NM）

20、 1只 5.2斩波控制箱接线l PESX-25 PWM控制箱接线PESX-25 PWM控制箱左上角一排+15、-15V、+GND三个接线端子分别接到PESX-21控制电源箱的+15、AGND、-15V、AGND、注意将电源箱的两个模拟地连在一起。输出的反馈电流信号通过电流传感器输出接到MHA1,由于电流传感器额定电流为30A，在测量小电流的情况下，为了获得较大的电流反馈信号，也可将输出电流联线在电流传感器上绕35匝。输出反馈电压信号经过电压传感器箱接入UF。输出的PWM信号经过DRA和DRB接出，如果需要增大占空比，可将DRA和DRB出现端并联在一起。PWM波形发生器SG3525，其振荡频率由

21、电阻R19、R21和电容C11决定，近似计算公式为：两路输出脉冲间设有一个互锁时间也叫死区，以防止用作桥式变换器驱动时一个桥臂的上下两个功率管直通短路。脉冲死区时间大约为：在降压斩波器中，可以将DRA和DRB连在一起，增大占空比范围。升压斩波器中最好只用一路脉冲。l PESX-28 多相IGBT驱动箱接线本箱体内装4路完全独立的IGBT驱动器，可任选一路使用。假设使用A路驱动器。将A路驱动器的+15V、GND两个接线端子分别与PESX-21控制电源箱+15、AGND相连。若进行降压斩波实验，从PWM控制箱输出的信号接到INA1，GND与驱动电路的GND相连。若进行升压斩波实验，从PWM控制箱输

22、出的信号接到INA2，GND与驱动电路的GND相连。l 斩波脉冲接线把PESX-28 多相IGBT驱动箱A路输出的C1，G1，E1和C2，G2，E2分别接入PESX-07多相逆变桥的C1，G1，E1和C2，G2，E2。一般地，对于未使用的IGBT，要求用零电平或负电平将其封锁，对于驱动箱中驱动器，当工作模式设定为直接方式后，若某一路没有输入信号，其输出自然为-10V。为了防止干扰G1与E1，G2与E2 双绞。l 电流传感器接线首先，把电流传感器右侧+、-极两个接线端子分别接到PESX-21控制电源箱的+15V、-15 V接线端子。电流传感器中间接线端子接入PESX-25 PWM控制箱的中上一排

23、的MHA1接线端子。l 电压传感器接线电压传感器箱用于测量任意波形电压。当原边输入电流10mA时，次边输出25mA。本实验箱中一共有三个相同的电压传感器，每个电压传感器接线相同。首先，把PESX-22电压传感器的+15V、-15V、MHV1接线端子分别按标号对应接到PESX-23 PWM控制箱的中上一排+15V、-15V、UF接线端子。PESX-22电压传感器箱中一共有三个电压传感器，本实验只需要一个电压传感器。把PESX-22电压传感器的U11、U12接线柱分别接到直流输出侧的正极、负极，输出的反馈电压信号经过电压传感器MHV接线端子接入PESX25 PWM控制箱的UF接线端子。如果反馈信号比较小的话，可以选择性的把R2和R4，或者R1和R3用线短路；如图4-1所示。另外两路，类似处理。5.3开环实验主电路接线正确时，将PESX-25 PWM控制箱跳线器JUP2和JUP4接通,进行开环实验。电路开环输入输出电压及脉冲给定波形如图5-1，5-2所示。图5.1图5.2以上实验波形及数据可以整理得到开环实验的数据如表5-1所示。表5-1 开环实验数据开环改变输入电压控制信号 T=78us输入电压UiV输出电压UoV导通时间usUoUi占空比图（1）2401023442.5%43.5%图（3）240401417.