直流斩波可逆调速系统课程设计

电力电子课程设计报告直流斩波可逆调速系统学院：信息科学与工程学院班级：姓名：学号：指导教师：完成时刻：2020年6月26日前言：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进程中一项综合性实践环节，温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育和实践技术的训练具有相当重要的意义。通过设计取得电力电子技术必要的大体理论、大体分析方式和大体技术的培育和训练，为学习后续课程和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必然的基础，也便于学生加深明白得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，就显现了采纳脉冲宽度调制的高频开关操纵方式，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V—M系统相较，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易持续，谐波少，电机损耗及发烧都比较小；低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；假设是与快速响应的电机配合，那么系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；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，因此装置效率高；直流电流采纳不控整流，电网功率因素比相控整流器高。由于以上优势直流PWM系统应用日趋普遍，专门是在中小容量的高动态性能系统中，已完全取代了V—M系统。为达到更好的机械特性要求，一样直流电动机都是在闭环操纵下运行，且常常采纳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 4二、主电路 52.1主电路的设计 5主电路器件选择与参数计算 8电动机参数计算 8整流电路变压器的选择 9电力二极管参数 10滤波电容选择 102.2.5MOSFET的选择 10续流二极管的选择 11主电路电感的选择 11三、缓冲电路与爱惜电路 123.1缓冲电路 12缓冲电路设计 12缓冲电路元件选择 14爱惜电路 15四、驱动电路 17五、操纵策略的选择 21系统的操纵方式 215.2H型变换器的操纵方式选择 23操纵电路设计 25转速调剂器， 25电流调剂器 26波发生器 26六、系统工作原理分析 28七、波形分析与MATLAB仿真 29八、总结 34九、参考文献 35十、附图 36一、课程设计内容与要求题目：直流斩波可逆调速系统的设计直流电动机的参数：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设计内容=1\*GB3①主回路设计，参数计算，开关器件选择；=2\*GB3②缓冲电路及爱惜电路的设计和元件的选择；=3\*GB3③驱动电路的设计；=4\*GB3④操纵策略选择；=5\*GB3⑤系统工作原理分析及波形分析。设计大体要求依照设计题目要求，认真温习教材，阅读有关文献，设计手册及资料，独立按时完成任务，设计说明书要求简练，通顺，计算正确，图表、图纸标准，符合工程设计要求。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第一要取得直流电源，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，因此不采纳；单相全波、单相桥式整流电路也有电路简单的优势，可是输出脉动大。三相半波整流电路的要紧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，组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；可是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求经受两倍的电源电压，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2-2T型电路H型电路是事实上普遍应用的可逆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，可是组成调速系统的电动机电枢两头浮地。H型电路图如下：图2-3H型电路因此整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。整体主电路图如下：图2-3主电路图主电路器件选择与参数计算电动机参数计算PN；UN=220V;UL=200V;最大起动电流倍数为那么有：估算电枢电阻：计算计算计算空载转速计算启动电流2.2.2整流电路变压器的选择=1\*GB3①变压器变比Ud=220则US=Ud/0.8=取USU2=U考虑到10％的裕量U2二次线圈电流I2Id变比K=UI1=I考虑空载电流取I=2\*GB3②变压器容量计算S1=3*US2=3*US=(S1+取变压器容量为SN=2000=3\*GB3③变压器连接方式变压器一次侧接成三角形，幸免3次谐波电流流入电网，变压器二次侧接成星形，即选用D/Y接法。2.2.3电力二极管参数=1\*GB3①电力二极管的反向重复峰值电压URRM由以上计算U2V，电力二极管经受的反向重复峰值电压为倍U2，同时考虑2—3倍的平安裕量，那么U取URRM=1000V=2\*GB3②电力二极管的正向平均电流IF(AV)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。IDIdIF(AV)=2*I2.2.4滤波电容选择C1一样依照放电的时刻常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一样不做严格计算，多取2000μF以上。因该系统负载不大，故取C1为2500μF。电容的额定工作电压，UN取倍电压峰值。即：UN=1.5*2UMOSFET的选择MOSFET所经受的最大正反电压：um=6*U考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为：UVT=3通过MOSFET的平均电流为ID=0.9*IN，因此流过MOSFET的电流有效IVT因此，选择MOSFET的参数为，其电压定额为大于等于846V，电流定额大于等于A的MOSFET即可。续流二极管的选择=1\*GB3①MOSFET所经受的最大正反电压：um=6*U2=考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为：UVT=3u=2\*GB3②考虑2倍余量有，续流二极管额定电流为：IV(AT)=2*0.5*I因此，续流二极管能够选择其额定电压大于等于A,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进程中电流持续范围比较大，能够选择电感值较大的电感，那个地址咱们选择30mH的大电感。三、缓冲电路与爱惜电路3.1缓冲电路缓冲电路设计加入缓冲电路前后，MOSFET开通与关断时输出特性如以下图所示：图3-1加入缓冲电路后波形MOSFET的经常使用缓冲电路有以下两种形式图3-2图3-3=1\*GB3①开通缓冲电路的选择器件开通时，串联电感能够抑制电流的上升率di/dt，减少开关损耗，可是由于电感元器件体积庞大，一样情形下MOSFET开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗能够通过改善栅极驱动条件来加以改善。=2\*GB3②关断缓冲电路结构的选择一样而言，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，改善缓冲成效。关于不同功率品级的应用，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。假设线路电感较小，也能够只在直流侧加du/dt抑制电路。设计如以下图所示的缓冲电路图3-4MOSFET桥型接法缓冲电路3.1.2缓冲电路元件选择为了避免因电路存在杂散电感Ls而产生的瞬时过电压，应在漏极和源极两头采纳RC缓冲电路进行过电压的爱惜。如以下图所示，用于MOSFET漏源过电压爱惜的缓冲电路的电路图。该电路中利用电容两头电压不能突变的特点，来起到缓冲作用。其中所串的电阻R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。缓冲二极管必需选择快恢复二极管，要选择过渡正向电压低、逆向恢复时刻短、逆向恢复特性较软的快恢复二极管。关于额定电流，至少不小于主电路期间的1/10。因此选择额定电流为2A的快恢复二极管。缓冲电容的选择：缓冲电容及缓冲电阻的取值可实验确信也能够参考工程手册。缓冲电容要选用高频特性优良的电容如薄膜电容器。一样而言，除需要知足必需的电压品级之外，缓冲电容所必需的容量值可按下式估算Cs=公式中：L是主电路的散布电感；I0是MOSFET关断时的集电极电流；UCEF是缓冲电容电压的最终值；U缓冲电阻的选择：关于缓冲电阻性能的要求是：在MOSFET进行关断动作时，能将缓冲电容上积聚的电荷及时放电。若是将缓冲电阻值设定得太低，缓冲电路中可能产生振荡。MOSFET关断时，以放电90％的积聚电荷为条件，能够用以下公式估算出缓冲电阻值RS≤公式中：f是功率期间的开关频率。爱惜电路爱惜电途经电压爱惜、过电流爱惜、短路爱惜。主电路中过电压主若是泵升电压问题，在电气传动系统中，当电动机由于减速等缘故此处于再生制动状态，传动系统中所贮存的机械能会通过电动机转换成电能，并通过功率器件回馈到直流母线侧。这些能量一样贮存在功率主电路的储能元件中，如不存在能量释放电路，将会致使直流母线侧电压升高，升高的这部份电压称为泵升电压。除此之外，还存在由于功率器件开关所致使的瞬时过电压。瞬时过电压主若是关断过电压和换相过电压。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头感应出的过电压；换相过电压是与主功率器件反方向并联的二极管在换相终止后不能当即恢复阻断，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头感应出过电压。过电压爱惜电路英具有抑制以上各类过电压的能力。过电流爱惜电途经电流爱惜能够分为过载爱惜和短路爱惜两种情形。功率主电路中串联快速熔断器，快速熔断器作为第一爱惜方法，一样仅在短路电流较大的区域起到爱惜作用。有电流检测环节、比较器、交流接触器及其线圈操纵电路等组成过电流爱惜电路，一样的方式是，当检测电流为非正常过载电流使比较器翻转，进而切断交流接触器的操纵线圈通电回路，使交流接触器断开，从而实现主电路与电源的完全分断。在如此的过电流爱惜电路中，一样需要通过光电耦合电路将交流接触器操纵线圈的驱动电路和其爱惜电路隔离。爱惜电路图如以下图所示：图3-5爱惜电路接线图四、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知足要求，正常的驱动mosfet管。因此在那个地址咱们选用光耦合器进行驱动，由于TLP521工作频率低，工作速度慢，转换电流大等缘故，而高速耦合器6N137能够克服以上的缺点，因此咱们选择了6N137作为本系统的驱动芯片。光耦合器的优势：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阻碍，抗干扰能力强，工作稳固，无触点，利用寿命长，传输效率高。光耦合器现已普遍用于电断气缘、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、级距离离、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组成光耦反馈电路，通过调剂操纵端电流来改变占空比，达到周密稳压目的。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，因此两部份之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳固，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份供电电源间的绝缘电阻。另外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器组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850nm波长AlGaAsLED和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/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。特性：①转换速度高达10MBit/s;②摆率高达10kV/us;③扇出系数为8;④逻辑电平输出;⑤集电极开路输出;6N137的工作原理及用法：图4-16N137内部结构6N137的结构原理如下图，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。尽管输出地址平常可吸收电路达13mA，但仍应当依照后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻过小会使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，乃至把尖峰噪声带到地线上。一样可选欧姆，假设后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，那么用47k欧姆或15k欧姆也行。利用中6N137有两种逻辑输出，简单原理如以下图所示，假设以脚2为输入，脚3接地，那么相当于非门的传输，假设希望在传输进程中不改变逻辑状态，那么从脚3输入，脚2接高电平。其中RF为限流电阻，一样可取500欧姆左右。需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管束旁应有一个的去耦电容。在选择电容类型时，应尽可能选择高频特性好的额电容器，如陶瓷电容或钽电容，而且尽可能靠近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。在本系统设计中咱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。在本系统设计中咱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。接法如以下图所示：图4-26N137接线图五、操纵策略的选择系统的操纵方式直流斩波可逆调速系统的操纵方式有开环操纵、速度反馈单闭环操纵、速度电流双闭环操纵等，一下比较各类操纵方式的优缺点，选择最正确操纵方案。开环操纵开环系统的原理框图如下：速度给定电机H桥驱动器PWM发生器速度控制器电机H桥驱动器PWM发生器速度控制器图5-1开环操纵系统原理图开环系统优缺点：开环操纵系统的输出量不反送到输入端参与操纵，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、本钱低、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形下，能够采纳开环操纵系统。可是，当各类无法估量的扰动因素，是被调量产生的误差超过许诺的限度时，那么不能采纳开环操纵而要采纳闭环操纵系统。速度反馈单闭环操纵系统速度反馈单闭环操纵系统原理框图如下：速度给定速度输出速度反馈速度控制器PWM发生器H桥电机驱动器速度反馈速度控制器PWM发生器H桥电机驱动器图5-2速度反馈单闭环操纵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，知足不了较高的调速要求，依照生产工艺要求，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。可是由于电动机机械惯性大，因此速度反馈的单闭环系统反映速度慢，存在调剂滞后、延时的问题。速度、电流双闭环操纵系统速度、电流双闭环操纵系统原理框图如下：电流反馈ACRASRH桥驱动器PWM发生器电机速度反馈速度给定速度、电流输出电流反馈ACRASRH桥驱动器PWM发生器电机速度反馈图5-3速度、电流双闭环操纵系统原理图速度、电流反馈双闭环操纵系统特点速度、电流反馈的双闭环操纵系统专门好的知足了动、静态性能，因此一样动、静态性能较好的调速系统都是采纳转速、电流双闭环操纵方案。5.2H型变换器的操纵方式选择H型变换器在操纵方式上分为双极式、单极式和受限单极式，一下分析各类方式的特点，并选择一种适合的操纵方式。（1）双极式可逆PWM变换器

图5-4PWM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Ub1=Ub4，VT1和VT4同时导通和关断；Ub2=Ub3，VT2和VT3同时导通和关断。而且Ub1，Ub4和Ub2，Ub3相位相反，在一个开关周期内VT1，VT4和VT2，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Ub1=-Ub2，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Ub3恒为负，Ub4恒为正，VT3截止VT4常通；电动机反转时，则使Ub3恒为正，（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靠得住性方面比双极式比双极式变换器好，可是仍是有一对晶体管VT1和VT2交替导通和关断，仍有电源直通的危险。当电机正转时，在0≤t≤ton期间，VT2是一直截止的。一样，当电动机反转时，让Ub1恒受限单极式可逆变换器在负载较重时，电流id在一个方向内持续转变，所有电压、电流波形都和一样单极式变换器一样。可是在负载较轻时，由于有两个晶体管一直处于截止状态，不肯能导通，因此可不能显现电流变向的情形，在持续期间电流衰减到零时，波形便中断了，这是电枢两头电压跳变到UAB=E,这种轻载电流断续的现象将使变换器的外特性变软。它使通过综合比较，双极式可逆PWM变换器的操纵方式简单，利集成芯片SG3525、SG3524等能够方便实现，且能够保证上下MOSFET不同时导通，即保证了靠得住性。操纵电路设计.1转速调剂器，转速调剂器，转速反馈电路图如下，由测速发电机取得的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。图5-5转速调剂器电流调剂器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不阻碍调剂器的输入，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。电流调剂器如以下图所示：图5-6电流调剂器PWM波发生器设计PWM波发生器由专用的PWM操纵芯片SG3525为核心组成，操纵电路输出占空比可调的矩形波，其占空比受uco其具体接线图如下：其中uco是给定与速度反馈比较后经ACR，其输出与电流反馈比较通过ASR，其输出即为图5-7PWM波发生电路六、系统工作原理分析图6-1主电路图图6-2操纵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纳H桥式电路，操纵电路中设置了两个调剂器，转速调剂器的输出看成电流调剂器的输入，电流调剂器的输出操纵直流斩波器的触发装置，从而对直流电动机进行可逆调速。电流调剂器在里面称作内环，转速调剂器在外面称作外环，如此就形成转速、电流双闭环调速系统。为了取得良好的静、动态性能，转速和电流两个调剂器都采纳PI调剂器。转速调剂器是调速系统的主导调剂器，它使转速跟从其给定电压转变，稳态时实现转速无静差，对负载转变起抗扰作用，其输出限幅值决定电机许诺的最大电流。电流调剂器使电流牢牢跟从其给定电压转变，对电网电