控式交流调压调速系统

1、河南机电高等专科学校目录第一章 设计内容与设计要求11.1. 设计内容11.1.2. 控制电路设计与分析11.2 设计要求1第二章 主电路工作原理及器件选择22.1 系统总体方案确定22.2 主要技术条件及要求52.3 开关器件的选择52.3.1 开关管IGBT的选择52.3.2 续流二极管的选择62.3.3具体参数计算62.4 交流斩波调压的基本原理72.5 主电路原理72.6 主电路结构设计82.7 主电路保护设计9第三章 控制及驱动电路原理113.1主控制芯片的详细说明113.1.1芯片的选择113.1.2芯片的详细介绍113.1.3 芯片的工作原理133.2 驱动电路设计及工作原理14

2、第四章 保护电路及设计164.1 过零检测及续流触发电路164.2 输出限流电路174.3输入过压电路17第五章 数据分析及结论181第一章 设计内容与设计要求1.1. 设计内容1.1.1电路功能1） 用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。 2） 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。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。 1.1.2. 控制电路设计与分析 1）检测电路设计。2）功能单元电路设计。 3)控制电路

3、波形观察。4)交流调压性能测试。 1.2 设计要求1.比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的调压原理、特征及其功率因数？2.采用何种方式可提高斩控式交流调压电路输出电压的稳定度？3.对斩控式交流调压电路的输出电压波形作谐波分析？ 4.分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。 5.绘制总电路图。6.写出设计报告。20第二章 主电路工作原理及器件选择2.1 系统总体方案确定交流调压的控制方式有三种：1磁饱和式调压器；2机械式调压器；3电子式调压器。整周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器

4、两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。 相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管

5、承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。 斩波控制调压使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4是斩波控

6、制的交流调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须

7、采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相交流调压。图5 晶闸管斩控式阻感调压电路图5 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用

8、V4 给负载电流提供续流通道。设载波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。 图5给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1(也就是负载电流)的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期 T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接近1。 本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图6所示，首先是交流输入电压为220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波，输出电压为0160 V

9、，然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时钟震荡器及脉宽PWM调制均由芯片形成控制部分。图6 电路的结构框图2.2 主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流220V，输出电压要求是0160 V，最大输出电流为200A，功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测及过压过流等一些故障的保护。2.3 开关器件的选择2.3.1 开关管IGBT的选择开关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于交流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影

10、响，开关管集射级间电压U按下式选取： 当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB 可由下式求得，取开关管的截止时间为2S： 式中I0为负载的电流，Uwi为整流输出电压，toff为开关管的截止时间。2.3.2 续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管传输到负载由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。本实验续流管仍然选用的是IGBT。2.3.3具体参数计算给定参数为U1=200V,I

11、d=18A1、 U0的计算U0最小值为0，最大值为220V。这里选取200V。则电阻为R=U0/Id=10功率因素=U0/U1=0.992、二极管参数计算二极管承受反向最大电压Udm=1.414U1=282V，考虑2倍裕量，则 Uvd=2*282=564V 取600V。 VD1、VD2的有效电流IVT=0.5*Id=9A，考虑2倍裕量，因此取Id=18A。 VD3、VD4的有效电流为0，因为VD3、VD4属于续流部分，此部分输出电压为0，固电流也为0。 4、IGBT及续流管的选择因为U1=200V，取3倍裕量，选耐压为600V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

12、四倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用72A,额定电压600V左右的IGBT。因为续流管也是IGBT，固可以同上。2.4 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图7所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f0，其基本谐波频率为土50Hz。改变占空比，即可改变输出电压。 利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地构成交流斩波调压电路。图7 交流斩波调压的原理波形2.5 主电路原理斩控式交流调压电路的原理图如图8所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电

13、路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4 给负载电流提供续流通道。设载波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。图8 斩控式交流调压主电路原理图图8给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1(也就是负载电流)的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期

14、 T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接近1。2.6 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图8所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOS管和D1D3三个二极管组成的全控整流电路实现对交流输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电流流经VD1、Q3、VD3；当交流输入处于负半周时，电流流经VD2、Q3、VD4、；Q3始终处于正向电压作用下，当在Q3源栅极之间加入触发信号时，Q3处于开关状态。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3处于开关状态，且VMOS管具有很小的关断时间，只要适当选择较低的饱和压降，Q3的功耗可以做

15、得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由Q1、Q2及D1、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压处于正半周时，Q2导通，Q1关断，流经负载的电流通过Q2、D1续流。在电压负半周 ，Q1导通，Q2关断，流经负载的电流通过Q1、D2续流。为防止Q1、Q 2、Q3同时导通而引起较大的短路电流，对加在Q1和Q2上的触发信号有一定要求，这在过零触发电路中讨论。图中L1、C1为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对外线路的干扰。L2、C2为输出滤波环节，由于本机调制频率取得较高，所以L2和C2只需很小值即可。其中每个VMOS管都有保护装置如图所示。图9 主电路图其中Q

16、3的PWM波控制由PWM波发生器通过对给定的调整产生，输出占空比一定的PWM波。2.7 主电路保护设计为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的主电路图设计中，在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保护，在后面的控制电路中将会介绍。第二类是外部保护电路，主要包括过流保护装置（如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等）、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路（或R、C、VD型吸收电路）、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计采用接触器的

17、方式，具体电路如下图所示。图10 主电路保护在主电路上有一个线圈 KM的常闭触点，在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压与比较器上设定的正5伏电压相比较，如果电路出现了过电压的现象，输出电压就会高于设定值，比较器就会输出电压，使三极管导通，这样就会使线圈KM的保护电路接通，线圈就会被通电，KM在主电路的常闭触点就会断开，从而达到保护主电路的作用。第三章 控制及驱动电路原理3.1主控制芯片的详细说明3.1.1芯片的选择本次课程设计由芯片SG3525产生脉冲，来控制MOSFET来实现斩波调压，它具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用。3.1

18、.2芯片的详细介绍随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分：军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变

19、化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 SG3525引脚功能及特点简介其原理图如图4.13下：1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步

20、信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高

21、电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12)：信号地。 13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下： （1）工作电压范围宽：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz¬400K

22、Hz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置软启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。3.1.3 芯片的工作原理SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。 在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要

23、一个外接定时电容。 SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，P

24、WM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此

25、外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。 3.2 驱动电路设计及工作原理采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理框图如图121。 输入交流电压为220V，经过同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为180°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525进行调制（调制频率约为2.5kHz）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。 工作过程为：当输入交流电处于正半波时，经调解制的方波信号施加于VT2

26、的栅极和源极，VT1的控制电压为0V，交流电经L、R、VT2、VD1构成回路；当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1、VT2控制电压为0，交流电经过VT1、VD2、R、L构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。第四章 保护电路及设计4.1 过零检测及续流触发电路当负载为阻感负载时，电路必须有续流环节，续流环节由Q1和Q2两个MOSFET来控制，当电压处于正半周时通过Q2,在负半周时通过Q1,但Q1与Q2之间如何进行转变这必须有一个正确的判断，这就需要过零检测电路。如下图所示，交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和负向过零点

27、，故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中的Q1和Q2两个MOSFET管控制端。图4.1过零检测及续流触发电路 为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流。4.2 输出限流电路到COMP端图4.2 输出限流电路 为了防止输出电流超过额定电流，控制电路中设置了输出限流电路，如上图所示，该电路采用PI调节器。5V基准电压经电位器RV2分压后作为输出电流限制值给定。输出电流由磁环构成的电流互感器T201检测。4.3输入过压电路VIN端到电流检测端同输入欠压一样，当发生输入过压时，比较器输出高电平。图4.3 输入过压保护电路经二极管接到同输入欠压电路一样，当发生过压时，比较器输出高电平，通过二极管接至CS端，关断所有输出。