中南大学电力电子课程设计

1、前言：电力电子课程设计的意义：电力电子课程设计是电气工程及其自动化专业学生在整个学习过程中一项 综合性实践环节， 复习巩固本课程及其他课程的有关内容， 对学生的实践能力的 培养和实践技能的训练具有相当重要的意义。 通过设计获得电力电子技术必要的 基本理论、 基本分析方法以及基本技能的培养和训练， 为学习后续课程以及从事 与电气工程及其自动化专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础， 也便于 学生加深理解和灵活运用所学的理论， 提高学生独立分析问题、 解决问题的能力， 为毕业后的工程实践打下良好的基础。直流斩波可逆调速系统简介：自从全控型电力电子器件问世以后， 就出现了采用脉冲宽度调制的高频开

2、关 控制方式， 形成了脉宽调制变换器 直流电动机调速系统， 简称直流脉宽调速系 统或直流PWM调速系统。与VM系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优 越性：1. 主电路简单，需用的功率器件少；2. 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都比较小；3. 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达 1:10000 左右；4. 若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰 能力强；5. 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适中时，开关 损耗也不大，因而装置效率高；6. 直流电流采用不控整流，电网功率因素比相控整流器高。由于以上优点直流 PWM 系统应用日益广

3、泛， 特别是在中小容量的高动态性 能系统中，已完全取代了 VM 系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电 动机都是在闭环控制下运行， 且经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负 反馈。目录：一、课程设计内容与要求 3二、主电路 42.1 主电路的设计 42.2 主电路器件选择与参数计算 72.2.1 电动机参数计算 72.2.2 整流电路变压器的选择 82.2.3 电力二极管参数 92.2.4 滤波电容选择 9225 MOSFET 的选择92.2.6 续流二极管的选择 102.2.7 主电路电感的选择 10三、缓冲电路与保护电路 113.1 缓冲电路 113.11 缓冲电路设计 113.1

4、.2 缓冲电路元件选择 133.2 保护电路 14四、驱动电路 16五、控制策略的选择 205.1 系统的控制方式 205.2 H型变换器的控制方式选择 225.3 控制电路设计 245.3.1 转速调节器， 245.3.2 电流调节器 255.3.3PWM 波发生器 26六、系统工作原理分析 27七、波形分析与 MATLAB 仿真 28八、总结 33九、参考文献 34十、附图 35、课程设计内容与要求题目：直流斩波可逆调速系统的设计1. 直流电动机的参数： P=1.5KW, U=220V, I=8.7A, N=1500; 他逆，励磁电压U=200V, 电动机最大起动电流倍数 1.52. 设计

5、内容 主回路设计，参数计算，开关器件选择； 缓冲电路及保护电路的设计和元件的选择； 驱动电路的设计； 控制策略选择； 系统工作原理分析及波形分析。3. 设计基本要求根据设计题目要求，认真复习教材，阅读有关文献，设计手册及资料，独立 按时完成任务，设计说明书要求简洁，通顺，计算正确，图表、图纸规范， 符合工程设计要求。4. 编写课程设计说明书： 1.前言 2.目录 3.正文 4.结论 5.参考文献二、主电路2.1主电路的设计直流斩波可逆调速系统首先要得到直流电源，因此在主电路中，要有将电网 的交流电变换为直流电的整流电路。整流电路的选择：整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式、三相半波、三相桥式

6、等多种整 流电路。其中单相半波整流电路简单，但变压器二次侧电流中含有直流分量，造 成变压器铁心直流磁化，因而不采用；单相全波、单相桥式整流电路也有电路简 单的优点，但是输出脉动大。三相半波整流电路的主要缺点也是其变压器二次侧 电流中含有直流分量，为此很少应用。选择电容滤波的三相桥式不可控整流电路，其电路图如下：图2-1三相桥式不可控整流电路可逆PWM变换器主电路选择:可逆PWM变换器主电路的结构形式有 H型、T型等，T型电路由两个可控 电力电子器件和两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于 引出反馈，适用于作为电压低于 50V的电动机的可控电压源；但是 T型电路需要 正负对称的

7、双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压， 在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为 H型电路的一半。T型电路图如下：图2-2 T型电路H型电路是实际上广泛应用的可逆 PWM变换器电路，它由四个可控电力电 子器件和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电 力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型电路图如下:图2-3 H型电路因此总体主电路由电容滤波三相不可控整流电路和H型可逆PWM变换器电路组成。总体主电路图如下：HVD1JVD3： VD5VT1VT3udTCUb1VT2|_|Ub2VD27；VD3VDUb3VT4Ub4图2

8、-3主电路图2.2主电路器件选择与参数计算221电动机参数计算玲=1.5KW 厶:一匚8.7A;；二“:kn 他励励磁方式，励磁电压!,：200V最大起动电流倍数为则有:(1)估算电枢电阻Ra :Ra 231 UnIn Pn 10220 8.7 1.5 103iN8.722.73(2)计算Ce NC UnCe N1 N RanN220匹 0.1315008.7(3)计算Ct nCt N9.55Ce N 1.24(4)计算空载转速n0UnCe N2200.131692rpm(5)计算启动电流l0l0 In 1.5 8.7A13.05A222整流电路变压器的选择 变压器变比-考虑占空比为90%则吗

9、=/0.8=275V取1 丄=2.34、1；= ：/2.34=117.5V考虑到10%的裕量Vj,=1.1*117.5=129.3V一、 二次线圈电流1=0.816 小；於=5.68A变比K=g矶 g =220/129.3=1.7 ii= J ? =3.34A考虑空载电流取'_=1.05*3.34=3.51A 变压器容量计算.=3*匸 iii-i=3*220*3.51=2316.6VA曲=3* 2)4=3*129.3*5.68=2203.3VAS=® 卜逼)/2=2060VA取变压器容量为1 =2000VA 变压器连接方式变压器一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网，变压

10、器二次侧接成 星形，即选用D/Y接法223电力二极管参数 电力二极管的反向重复峰值电压 二.由以上计算_ =129.3V，电力二极管承受的反向重复峰值电压为 2.45倍,同时考虑23倍的安全裕量，贝® "3*2.45*129.3=950V.取厂 =1000V。 电力二极管的正向平均电流:t),f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，只是电流裕量要适当取大些。-=0.577 二=0.577*8.7*0.8=4.02A1时,叨=2*),/1.57=2*4.02/1.57=5.12A滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，

11、要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000以上。因该系统负载不大，故取：一_为2500。电容的额定工作电压，-.取1.5倍电压峰值。即：叫=1.5*C U ° J =1.5*1.414*129.3*1.732=453.8V .取-=500V .2.2.5 MOSFET 的选择MOSFET所承受的最大正反电压：、討一一二 一*129.3=302.6V考虑到3倍余量有，MOSFET勺电压定额为:i 3一 =3*302.6=908V经过MOSFE的平均电流为-二=fh*.=8.25A,因此流过MOSFE的电流有效值为8.25A，考虑到2倍的电流余量，则MOSFE的电流定额为：-=2/

12、1.57=10.51A所以，选择MOSFE的参数为，其电压定额为大于等于 846V,电流定额大于等于10.51A 的 MOSFET即可。续流二极管的选择MOSFET承受的最大正反电压：计犖 *= _*129.3=302.6V考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为：一3 =3*302.6=908V考虑2倍余量有，续流二极管额定电流为：曲讪=2* * /i£7=7.84A7.84A,额定电压大于等于因此，续流二极管可以选择其额定电压大于等于846V。主电路电感的选择为保证直流电机在可逆调速过程中电流连续范围比较大， 可以选择电感值较 大的电感，这里我们选择30mH的大电感。三、缓冲电

13、路与保护电路3.1缓冲电路3.11缓冲电路设计MOSFET的常用缓冲电路有以下两种形式川MOSFET .VD2CT孑图3-3图3-2开通缓冲电路的选择器件开通时，串联电感可以抑制电流的上升率 di/dt，减少开关损耗，但是由 于电感元器件体积庞大，一般情况下MOSFET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改善。关断缓冲电路结构的选择一般而言，在桥式功率电路中，应该选择桥式缓冲电路，以简化电路结构，改善缓冲效果。对于不同功率等级的应用，应考虑选择不同的缓冲电路结构，尽 可能使电路结构简化。在中小功率容量的应用中，往往可并联一个吸收电容。若 线路电感较小，也可

14、以只在直流侧加 du/dt抑制电路。设计如下图所示的缓冲电路Rs图3-4 MOSFET桥型接法缓冲电路缓冲电路元件选择为了防止因电路存在杂散电感：而产生的瞬时过电压，应在漏极和源极两端 采用RC缓冲电路进行过电压的保护。如下图所示，用于MOSFET漏源过电压保护的缓冲电路的电路图。该电路中利用电容两端电压不能突变的特点，来起到缓 冲作用。其中所串的电阻 甌丈用于限制缓冲电路所允许的最大电流。1. 缓冲二极管的选择：缓冲二极管是RCD缓冲电路中的关键器件。缓冲二极管的选择错误，可能产 生较高的尖峰电压并在缓冲二极管反向恢复时，电压产生震荡。缓冲二极管必须选择快恢复二极管，要选择过渡正向电压低、逆

15、向恢复时间短、逆向恢复特性较 软的快恢复二极管。对于额定电流，至少不小于主电路期间的1/10。所以选择额定电流为2A的快恢复二极管。2. 缓冲电容的选择：缓冲电容及缓冲电阻的取值可实验确定也可以参考工程手册。缓冲电容要选 用高频特性优良的电容如薄膜电容器。 一般而言，除需要满足必须的电压等级之 外，缓冲电容所必须的容量值可按下式估算口口公式中：L是主电路的分布电感；一一是MOSFET断时的集电极电流；叫”是缓冲 电容电压的最终值；U是直流母线电压。3. 缓冲电阻的选择：对于缓冲电阻性能的要求是：在 MOSFET行关断动作时，能将缓冲电容上 积聚的电荷及时放电。如果将缓冲电阻值设定得过低，缓冲电

16、路中可能产生振荡。MOSFET关断时，以放电90%的积聚电荷为条件，可以用以下公式估算出缓冲电阻值' -疼企强公式中：f是功率期间的开关频率。3.2保护电路保护电路过电压保护、过电流保护、短路保护。主电路中过电压主要是泵升电压问题， 在电气传动系统中，当电动机由于减 速等原因而处于再生制动状态，传动系统中所储存的机械能会经过电动机转换成 电能，并通过功率器件回馈到直流母线侧。 这些能量一般储存在功率主电路的储 能元件中，如不存在能量释放电路，将会导致直流母线侧电压升高，升高的这部 分电压称为泵升电压。除此之外，还存在由于功率器件开关所导致的瞬时过电压。 瞬时过电压主要是关断过电压以及换

17、相过电压。 关断过电压是在主功率器件关断 时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压；换相过电压是与主功率器件反方向并联的二极管在换相结束后不能立即恢复阻断，有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件 两端感应出过电压。过电压保护电路英具有抑制以上各种过电压的能力。过电流保护电路过电流保护可以分为过载保护和短路保护两种情况。功率主电路中串联快速熔断器，快速熔断器作为第一保护措施，一般仅在短 路电流较大的区域起到保护作用。有电流检测环节、比较器、交流接触器及其线圈控制电路等构成过电流保护 电路，一般的方式是，当检测电流为非正常过载电流使比较器翻

18、转，进而切断交 流接触器的控制线圈通电回路，使交流接触器断开，从而实现主电路与电源的完 全分断。在这样的过电流保护电路中，一般需要通过光电耦合电路将交流接触器 控制线圈的驱动电路和其保护电路隔离。保护电路图如下图所示:图3-5保护电路接线图四、驱动电路鉴于对 mosfet 的驱动，由于其开关速度快，工作频率高，且为电压驱动， 选择驱动电路时， 最重要的是选择其驱动频率能够满足要求， 正常的驱动 mosfet 管。因此在这里我们选用光耦合器进行驱动，由于TLP521工作频率低，工作速度慢，转换电流大等原因，而高速耦合器 6N137 可以克服以上的缺点，因此我 们选择了 6N 1 37作为本系统的

19、驱动芯片。光耦合器的优点： 信号单向传输， 输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离， 输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传 输效率高。光耦合器现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、 开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪 表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 （SSR、） 仪器仪表、通信设备及微机 接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节 控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光耦合器的性能： 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、 光接 收器为光敏三极管。 当有电流通过

20、发光二极管时， 便形成一个光源， 该光源照射 到光敏三极管表面上， 使光敏三极管产生集电极电流， 该电流的大小与光照的强 弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。 由于光耦合器的输入端和输出端 之间通过光信号来传输， 因而两部分之间在电气上完全隔离， 没有电信号的反馈 和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（ 2pf 左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Q）,对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的 电气性能。6N137驱动芯片介

21、绍：6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AIGaAs LE环口一个集成检测器组成，其检测器由一个 光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TT兼容，高速（典型为10MBd）, 5mA的极小输入电流。特性：转换速率高达10MBit/s;摆率高达10kV/us;扇出系数为8;逻辑电平 输出;集电极开路输出；6N137的工作原理及用法:6N137图4-16N137内部结构6N137的结构原理如图所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管，经片内 光通道传到光敏二极管，反向偏置

22、的光敏二极管光照后导通， 经电流电压转换后 送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。 当输入信号电流小于触发阈 值或使能为低时，输出高电平，脚 6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻 RL 虽然输出地点平时可吸收电路达13mA,但仍应当根据后级输入电路的需要选择 阻值。因为电阻太小会使 6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无 法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。一般可选4.7k欧姆，若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，则用47k欧姆或15k欧姆 也行。使用中6N137有两种逻辑输出

23、，简单原理如下图所示，若以脚2为输入，脚3接地，则相当于非门的传输，若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。其中RF为限流电阻，一般可取500欧姆左右。需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管教旁应有一个0.1uF的去耦电容。 在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的额电容器，如陶瓷电容或钽电容， 并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已 有上拉电阻，无需再接上拉电阻。在本系统设计中我们选择逻辑传输状态不变的接法，级3脚接输入，2脚接高电平，用RF进行限流，选择470欧姆的限流电阻。在本系统设计中我们选择逻辑传输状态不变的接法，级3脚接输

24、入，2脚接高电平，用RF进行限流，选择470欧姆的限流电阻。接法如下图所示:图4-2 6N137接线图五、控制策略的选择5.1系统的控制方式直流斩波可逆调速系统的控制方式有开环控制、速度反馈单闭环控制、速度电流双闭环控制等，一下比较各种控制方式的优缺点，选择最佳控制方案。开环控制开环系统的原理框图如下：速度给定 速度控制器 PWM发生器 驱动器 H桥 电机图5-1开环控制系统原理图开环系统优缺点：开环控制系统的输出量不反送到输入端参与控制，即输出速度与输入速度给定之间没有任何直接的联系。开环系统结构简单、成本低、输入量与输出量之间 的关系是固定的。在内部参数和外部负载等干扰因素不大的情况下，可

25、以采用开 环控制系统。但是，当各种无法预计的扰动因素，是被调量产生的偏差超过允许 的限度时，则不能采用开环控制而要采用闭环控制系统。速度反馈单闭环控制系统速度反馈单闭环控制系统原理框图如下：速度给定速度输出图5-2速度反馈单闭环控制系统原理图速度反馈单闭环系统优缺点：开环调速系统的机械特性较软，满足不了较高的调速要求，根据生产工艺要 求，通常对某些生产机械的电力拖动装置提出更高的要求，速度反馈单闭环系统 提高了系统静态特性的硬度。但是由于电动机机械惯性大，因此速度反馈的单闭环系统反应速度慢， 存在 调节滞后、延时的问题。速度、电流双闭环控制系统速度、电流双闭环控制系统原理框图如下:速度、电流输

26、出图5-3速度、电流双闭环控制系统原理图速度给定速度、电流反馈双闭环控制系统特点速度、电流反馈的双闭环控制系统很好的满足了动、 静态性能，因此一般动、静态性能较好的调速系统都是采用转速、电流双闭环控制方案。5.2 H型变换器的控制方式选择一下分析各种H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式,方式的特点，并选择一种合适的控制方式。（1）双极式可逆PWM变换器VT3Ub3VT4Ub4图5-4 PWM变换器四个电力晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即 匚也令，VT1和VT4同时 导通和关断;S , VT2和VT3同时

27、导通和关断。而且州竹，一-和_ 相位相反，在一个开关周期内 VT1 , VT4和VT2 , VT3两组晶体管交替地导通 和关断，变换器输出电压叫沪在一个周期内有正负极性变化，这是双极式 PWM 变换器的特征，也是 双极性”名称的由来。双极式可逆PWM变换器的优点是：电流一定连续，可以使电动机实现四象 限动行；电动机停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区；低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于折可靠导通；低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。双极式可逆PWM变换器存在如下缺点；在工作过程中，四个电力 电子器件都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两只电力电子器件 直通的事故，降

28、低了设备的可靠性。（2）单极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器和双极式变换器在电路构成上完全一样，不同之处在于 驱动信号不一样。左边两个电力电子器件的驱动信号比工-卄：，具有和双极式 一样的正、负交替的脉冲波形，使 VT1和VT2交替导通；右边两个器件 VT3、 VT4的驱动信号则按电动机的转向施加不同的控制信号：电动机正转时，使矗恒为负，：嘔,恒为正，VT3截止VT4常通；电动机反转时，则使1辰、恒为正，一恒 为负，VT3常通VT4截止。这种驱动信号的变化显然会使不同阶段各电力电子 器件的开关情况和电流流通的回路与双极式变换器相比有不同。当电动机负载较重时电流方向连续不变；负载较轻时，

29、电流在一个开关周期内也会变向。（3）受限单极式可逆PWM变换器单极式变换器在减少开关损耗和提高可靠性方面比双极式比双极式变换器好，但是还是有一对晶体管 -和妁誉交替导通和关断，仍有电源直通的危险。当电机正转时，在0琲期间，一:是一直截止的。同样，当电动机反转时,让恒为负，一一一直截止，这样，就不会产生 家一.号直通的故障了。受限单极式可逆变换器在负载较重时，电流i:在一个方向内连续变化，所 有电压、电流波形都和一般单极式变换器一样。但是在负载较轻时，由于有两个 晶体管一直处于截止状态，不肯能导通，因而不会出现电流变向的情况，在连续 期间电流衰减到零时，波形便中断了，这是电枢两端电压跳变到_“=

30、E这种轻载电流断续的现象将使变换器的外特性变软。它使PWM调速系统静、动态性能变差。经过综合比较，双极式可逆PWM变换器的控制方式简单，利集成芯片SG3525 SG3524等可以方便实现，且可以保证上下 MOSFET不同时导通，即保 证了可靠性。5.3控制电路设计转速调节器，转速调节器，转速反馈电路图如下，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波图5-5转速调节器532电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示。电流调节器如下图所示：图5-6电流调节器波发生器设计PWM波发生器由专用的PWM控制芯片

31、SG3525为核心构成，控制电路 输出占空比可调的矩形波，其占空比受"控制。其具体接线图如下：其中口是给定与速度反馈比较后经ACR其输出与电流反馈比较经过ASR 其输出即为：VCC图5-7 PWM波发生电路六、系统工作原理分析EiFl一止图6-1 主电路图图6-2 控制电路图双闭环直流调速系统原理图如上图所示。 在该双闭环直流调速系统中主电路 采用H桥式电路，控制电路中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调 节器的输入，电流调节器的输出控制直流斩波器的触发装置， 从而对直流电动机进行可逆调速。电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样 就形成转速、电流双闭环调速系

32、统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流 两个调节器都采用PI调节器。转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出 限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最 大电流，从而加快动态过程，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值， 起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。七、波形分析与 MATLAB仿真整流电路 电网380三相电压经过整流变压器，由三相不可控整流电路实现整流,其MATLAB仿真电路如下:一&#

33、174;一 一feC -J lta£j= S=urs2£i远 7 iEAiQ： HiunteZ=二：Fl整流后波形如下:经过电容滤波后波形如下:桥式直流PWM变流器（双极性调制）的MATLAB仿真模型如下图所示：j/Olt-riQS Sc-J-Ct1Curler: hleesiunerr-ent；E-eriei «l£rn=e哺0l<IIP&-V :hage Pflensusc .''aba e&de耳桥式直流PWM变流器中VT1、VT4驱动脉冲如下:BJgg El 二BE3»®S 0:I lit