直流脉宽调速课程设计正文

1、第1章 概述电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换个控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。第2章 系统工作内容及原理2.1 设计内容本课题要通过电力电子技术来实现直流脉宽可调，可采用三相桥式PWM型逆变电路来得到直流输出的电压然后通过对其晶闸管导通角的调节来实现输出电压脉宽的调节，然后输出到直流电动机上来显示结果。2.2设计要求1）用斩控方式实现直流调压调速。2）电

2、路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM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GTR、IGBT或MOSFET；4）系统具有完善的保护；2.3 总体原理 采用三相桥式PWM型逆变电路，通过PWM技术使三相交流电源逆变成直流得到直流电压，然后进行脉宽控制，然后输出到直流电动机上来显示结果2.4结构与调速原理的说明直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙

3、磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。直流电机斩波调速控制系统的原理框图如图1-1所示：转速调整器电流调整器 触发电路驱动电路整流电路 MH桥电路测速电路图2-1原理框图直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信

4、号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。2.5调速电路方案本电机调速系统采用脉宽调制方式,与晶闸管调速相比技术先进,可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路,另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。2.6 控制方案的选择直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。随着电力电子技术的进步,发展了许多新的电枢电压控制方法。如:由交流电源供电,使

5、用晶闸管进行相控调压；使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电,再由PWM 斩波器进行斩波调压等。PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较,具有下列优点 需用的大功率可控器件少,线路简单；调速范围宽；电流波形系数好,附加损耗小；功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本系统是基于PWM 控制的直流电机控制系统。第3章 主电路的设计与分析3.1主电路的各个部分电路:主电路主要环节是：整流电路、斩波电路及保护电路图3-1 调速系统直流脉宽调速系统的组成如图3-1所示，由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流

6、电阻，C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它是由四个功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。3.2整流电路晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。图3-2 整流电路3.3斩波调速电路直流电动机往往需要正、反向运行，而且有电动和制动工作状态，这就需要四象限斩波变换电路为电动

7、机供电。图2-3给出了四象限斩波调速主电路原理图。T1T4组成了全桥电路，又称H桥型电路；TA1检测母线的电流大小和方向，TA2检测电动机的电流大小和方向；电容C用来减小开关过程引起的电压波纹压敏电阻Rv用来抑制电压尖峰。电机的工作状态同供电方式和负载有关。电机正向电动状态运行时，变换器工作在第一象限，使T4导通，T2、T3关断，根据转速要求对T1进行PWM调制，此时变换器等效一个降压斩波电路，能量由直流电源供向负载。如果希望电机运行于正想制动状态，可使T4导通，T1、T3关断，变换器等效一个升压斩波电路；调控T2电动机的反电动势升压变换得到一个略大于Ud的电压，使得电动机输出电流反向，电磁转

8、矩反向，直流电动机运行在发电制动状态，电动机的能量就回馈到电网，转速下降。同理，T2导通，T1、T4关断，调控T3，电动机可以运行在反向电动状态；T2导通，T1、T3关断，调控T4，电动机可以运行在反向制动状态。3.4保护电路的设计:1）斩波器的散热设计：热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统，热管的主要特点：高效的导热性，高度的等温性，热流密度变换能力强，结构多样灵活、重量轻。由于IGBT模块的开关频率高，开关损耗大，特别是对大功率IGBT模块，一般普通型材散热器难以满足要求。热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功

9、率IGBT模块散热。目前适合于大功率IGBT模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下。2）过电流保护电路：过电流保护采用的是在主电路中串联一个1的电阻，在其两端并联电磁继电器的线圈。 过流保护信号取自电阻两端的电压， 当主电路的电流高于一定数值时，电磁继电器的开关闭合，接通低电平，该过电流信号还送到SG3525的脚10。在SG3525内部由于T3基极与A端线相连，A端线由低电压上升为逻辑高电平，经过SG3525A的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号

10、到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。IGBT的保护设计：在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对IGBT的保护。所以重要的是怎么设计好对开关管IGBT的保护方案。在设计对IGBT的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。3）IGBT的过电流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.21.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达810倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦

11、动作后，要通过复位才能恢复正常工作。 IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5s，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15s，45V时可达30s以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。 通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的

12、抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 IGBT开关过程中的过电压保护 关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较

13、高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/s。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。3.5电路参数及选型: 1） Ud=160V 考虑占空比为90%，则 Us=Ud

14、/0.9=180V 取 Us=1.2U2 U2=Us/1.2= 102V 考虑到10%的裕量 U2=1.1×102V=113V 一、二次电流计算 I2=Id=13A 变比 K=U1/U2=220/113=1.95 I1=I2/K=13/1.08=12A 考虑空载电流，取 I1=1.05×12=12.6A 变压器容量计算 S1=U1×I1=220×12.6=2772VA S2=U2×I2=113×13=1469VA S=(S1+S2)/2=2120.5VA 整流元件选择 二极管承受反向最大电压 UDM=1.414U2=1.414

15、5;113160V 考虑3倍裕量，则 UTN=3×160=480V 取500V 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=0.5×13=6.5A ID=Id/1.414=13/1.414=9.2A ID(AV)=2ID/1.57=2×9.2/1.57=11.7A2）滤波电容选择 C1一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 uF以上。因该系统负载不大，故 取 C1=2200 uF 耐压 1.5UDM=1.5×160

16、=240V取250V 即选用2200uF、250V电容器。 IGBT的选择 因为Us=123V，取3倍裕量，选耐压为400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用50A,额定电压1600V左右的IGBT 续流二极管的选择 根据 得知 续流二极管应选IcmA、额定电压为的Urm二极管第4章 控制电路的设计与分析4.1 触发电路的设计与分析：锯齿波同步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成。4.2 脉宽调制（PWM）控制的设计与分析：根据IGBT的特点，本设计用脉宽调制（

17、PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是脉宽调制器SG3525。要改变输出脉冲PWM的占空比， 只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现 。SG3525的引脚及其内部框图如图4-1它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。4.3 欠压锁定功能：基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc的影响，当Vc低于7V或严重欠压时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为 P1=P2=0 ,SG3525的13脚输出电平，功率

18、驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。4.4 波形的产生及控制方式分析：锯齿波作为载波信号Ut，调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP上的电压信号Ur和外加的给定信号Ug叠加而成，RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，Ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。11脚、14脚与12脚连接。PWM脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，UtUr时，比较器输

19、出的PWM波形由逻辑低电平变为高电平，UtUr时，比较器输出的PWM波形由逻辑高电平变为低电平。为保证PWM波宽不至于太窄，用PWM锁存器锁存高电平值，并在CP脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。第 5 章 系统实验测试5.1 整体调试按总电路图将电路连接好，检查电流保护与过压保护是否正常。检查正常后，闭合开关。正转时：将开关打到正转位置，调节RP1（即改变输入IGBT信号占空比），可改变电动机的转速（额定转速1500n/min）。反转时：将开关打到反转位置，调节RP2（即改变输入IGBT信号占空比），可改变电动机的转速。下表为占空比与转速关系。占空比与转速反转100011001

20、200正转100011001200占空比20%15%10%占空比75%80%85%占空比为89%时：图5-1-1 转速为1500r/min 图5-1-2正转，转速为，输入到VT1、VT4与VT2、VT3的驱动信号比较： 图5-1-3（上面波形为输入到VT1、VT4的信号波形，下面波形为输入到VT2、VT3的信号波形）5.2 性能测试把电机、直流电源，接入系统，电动机、发电机加额定励磁。缓慢增加给定电压Ug,使电机升速,调节给定电压Ug和负载Rg使电动机(DJ15)的电枢电流Id=1.1A,转速达到1200rpm。在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将

21、其记入下面的表格：n(rpm)120012501300140015001600I(A)0.450.460.480.50.530.55然后将电机反转，增加给定Ug（负给定）使电机反向升速，调节给定电压Ug和负载Rg使电动机(DJ15)的电枢电流Id=1.1A,转速分别达到-1200rpm。在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：n(rpm)120012501300140015001600I(A)0.450.460.470.50.520.55占空比与转速：反转100011001200正转10001100120020%15%10%75%80

22、%85%波形图： 图 5-2-1 图5-2-2 图5-2-3总结这次我所做的课题是直流脉宽可调电源的设计,该设计电路的功能是用PWM调制方式来实现直流输出电压可调。电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。在主电路中电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。在本课程设计中，我是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM型逆变电路来得到脉宽可调的直流直流电压的。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来