電力電子課程設(shè)計許彪

1、天 津 理 工 大 學(xué)自動化學(xué)院課程設(shè)計報告題目：雙極模式直流PWM電動機驅(qū)動電源的設(shè)計學(xué)生姓名 許彪 學(xué)號 20120775 年 級 2012 班級 電氣2班 指導(dǎo)教師 陳鵬 專業(yè)電氣工程及其自動化 說 明1. 課程設(shè)計文本材料包括設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書三部分，其中任務(wù)書、指導(dǎo)書由教師完成。按設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書順序裝訂成冊。2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達的任務(wù)書、指導(dǎo)書完成課程設(shè)計工作。3. 設(shè)計報告內(nèi)容建議主要包括：設(shè)計概述、設(shè)計原理、設(shè)計方案分析、軟硬件具體設(shè)計、調(diào)試分析、總結(jié)以及參考資料等內(nèi)容。4. 設(shè)計報告字數(shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙設(shè)計應(yīng)采用電子繪圖。文字規(guī)范，正文采用宋

2、體、小四號，1.25倍行距。5.課程設(shè)計成績由平時表現(xiàn)（30%）、設(shè)計報告（40%）和答辯成績（30%）組成。課程設(shè)計評語及成績匯總表成績平時成績報告成績答辯成績總評成績課程設(shè)計評語16設(shè)計概述1 主電路設(shè)計說明1.0 主電路設(shè)計說明 二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。四只功率器件?gòu)成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到正或負的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺已事先已經(jīng)由學(xué)校做好做好，因此主電路部分只需要進行理論設(shè)計，而不用實際制作。主電路設(shè)計原理圖如圖1所示。該電路由兩部分構(gòu)成：單相不控橋式整流電路和全橋全控可逆斬波電路。交流市電220V經(jīng)變壓器降壓后通過四只二極管構(gòu)成的

3、整流橋整流為直流電，經(jīng)電容濾波后可作為直流電壓源，作為主電路的工作電源及控制電路的穩(wěn)壓電源輸入電壓。閉合開關(guān)S1、S2，四只功率器件（如IGBT）構(gòu)成的H橋斬波電路在PWM脈沖驅(qū)動信號控制下，根據(jù)占空比的不同，在電機兩端產(chǎn)生或正或負、電壓值不等的驅(qū)動電壓，從而控制電機的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。圖1 直流PWM驅(qū)動電源的主電路設(shè)計原理圖雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖中四個功率場效應(yīng)管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓Ub1=Ub4；VT2和VT3同時動作，其驅(qū)動電壓Ub2=Ub3= Ub1。它們的波形見圖2。圖2雙極式PWM變換器電壓和電流波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，當0t

4、ton時，Ub1和Ub4為正，功率場效應(yīng)管VT1和VT4導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負，VT2和VT3截止。這時，Us加在電樞AB兩端，UABUs，電樞電流id沿回路1流通。 tontT時，Ub1和Ub4變負，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3變正，但VT2、VT3并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，id沿回路2經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，在VD2、VD3上的壓降使VT2和VT3ce極承受著反壓，這時，UABUb。UAB在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形示于圖3。由于電壓UAB 的正、負變化，使電流波形存在兩種情況，如圖3中的id1和id2。id1相當于電動

5、機負載較重的情況，這時平均負載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電機始終工作在第一個象限的電動狀態(tài)。id2相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是VT2和VT3兩端失去反壓，在負的電源電壓（Us）和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在0tton期間，當負載輕時，電流也有一次倒向。這樣看來，雙極式可逆PWM變換器的電流波形和不可逆但有制動電流通路的PWM變換器也差不多，怎樣才能反映出“可逆”的作用呢？這要視正、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬時，tonT2，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉(zhuǎn)。當正脈沖

6、較窄時，tonT2，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，tonT2，平均電壓為零，則電動機停止。圖3所示的電壓、電流波形都是在電動機正轉(zhuǎn)時的情況。雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓用公式表示為：以UdUs來定義PWM電壓的占空比，則與ton的關(guān)系為： 調(diào)速時，的變化范圍變成11。當為正值時，電動機正轉(zhuǎn)；為負值時，電動機反轉(zhuǎn)；0時，電動機停止。在0時，雖然電機不動，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流卻都不是零，而是交變的。這個交變電流平無值為零，不產(chǎn)生增均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗。但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換

7、器的優(yōu)點如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個功率場效應(yīng)管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證功率場效應(yīng)管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達20000左右。雙極式PWM變換器的缺點是：在工作過程中，四個功率場效應(yīng)管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩管直通（即同時導(dǎo)通）的事故，降低了裝置的可靠性。為了防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時，本設(shè)計邏輯延時時間為5us。1.1 整流電路設(shè)計電動機的額定電壓為20V，額定電流為1A，查閱ps21564-p的數(shù)據(jù)手冊可知當驅(qū)

8、動電路電源為15V，PWM波幅值為5V時，開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)通壓降約為1.6V，所以有：同時由全橋整流電路（由二極管構(gòu)成，觸發(fā)角=0），有電容濾波且濾波電容選擇合適時, 輸出電壓平均值近似取值為變壓器負邊電壓平均值的1.2倍，即可知由變壓器能量傳遞可知代入數(shù)據(jù)得即，綜合考慮在電流到達負載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降，設(shè)計整流變壓器、選擇整流橋時以此參數(shù)進行考慮即可。由電動機參數(shù)可知，圖5中的整流電路的負載。為了使整流電路獲得較為平滑的輸出，一般情況下，取放電時間常數(shù)為：電流頻率50Hz時周期T=20ms，代入得即所以濾波電容可以選擇容值2000uF、耐壓40V左右的電解電容。1.2

9、H橋可逆斬波電路設(shè)計可逆斬波電路中的H橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實現(xiàn)。由圖4可以看出，該模塊含有六只三對IGBT，主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計中只采用其中U、V兩相即可驅(qū)動直流電機。圖4 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 控制電路設(shè)計說明2.0 控制電路設(shè)計SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)（通過改變2腳電壓）的脈沖波形（占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.10.9），同時頻率可通過充放電時間的不同而改變。經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時間為5S左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動四只功率器件，其中V1、V4驅(qū)動信號相同，V2、V3驅(qū)動信號相同。2.1 脈寬調(diào)制電路設(shè)計

10、采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路，其中集成芯片SG3525選擇DIP封裝形式。脈沖的頻率定為5KHz（是根據(jù)IPM中IGBT的開關(guān)速度而確定的），設(shè)定頻率的電阻可采用電位器，以便于調(diào)試。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊和使用明可以知道，輸出頻率由下式?jīng)Q定(5、7腳短接，放電電阻Rd = 0)：（注：指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.1F）。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補形式，在本設(shè)計中其輸出應(yīng)并聯(lián)使用（即11，14管腳短接，從13管腳通過外部上拉電阻輸出V1、V4驅(qū)動脈沖，利用后續(xù)門電路反相后再驅(qū)動V2、V3），以達到01.0的占空比調(diào)整范圍，如圖3所示。SG3525的8管腳接電容，以

11、實現(xiàn)軟啟動功能。軟起動時間可按下式來計算：由兩秒的軟起動時間可以確定軟起動電容器取33uF.圖5 脈寬調(diào)制電路原理設(shè)計圖2.2 脈寬分配電路設(shè)計本次課程設(shè)計設(shè)計采用H型雙極模式可逆直流PWM控制方式，開關(guān)管的控制方式如圖6所示。在該模式下，2個橋臂協(xié)調(diào)控制，即V1、V4組和V2、V3組互補導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)速也可改變電機方向。圖6 雙極性控制方式示意圖由前述脈寬調(diào)制電路可以產(chǎn)生一路PWM信號，為驅(qū)動H橋逆變器，需要將此PWM信號分為兩路互補的PWM信號。脈寬分配電路原理如圖7所示。同時，為防止同一橋臂上下兩管在驅(qū)動信號翻轉(zhuǎn)時出現(xiàn)瞬時直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計兩路驅(qū)動信號的開通延時電

12、路。即利用RC移相電路后，為每路驅(qū)動信號產(chǎn)生5s左右的開通延時。這部分電路中的門電路采用6反向器74LS04；移相環(huán)節(jié)中的R和C的取值，應(yīng)根據(jù)5s的延遲時間來計算，其中R可采用電位器，以便于調(diào)試。（注：指定移相電路中C的取值為0.01F，二極管建議選用IN4148。）具體而言，由SG3525產(chǎn)生的負脈沖經(jīng)過一個非門變成幅值為5V正脈沖信號，當信號為高電平時對電容充電，而只有當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時，輸出才變?yōu)楦唠娖?，由此達到了延時的目的。所需延遲時間為5us。圖7 脈沖分配電路原理設(shè)計圖3 IPM接口電路設(shè)計說明3.0 IPM接口電路設(shè)計DIP-IPM 是面向AC100200V 級小

13、容量馬達變頻驅(qū)動，采用傳遞型封裝結(jié)構(gòu)將功率電路和驅(qū)動保護電路集成于一體的小型智能功率模塊。IPM中集成了功率器件的驅(qū)動電路，因此在控制電路中不需要設(shè)計驅(qū)動電路；而且為了簡化設(shè)計，隔離環(huán)節(jié)也取消。IPM模塊控制部分的接口信號中除了H橋中4個器件的驅(qū)動信號外，還應(yīng)提供集成在IPM內(nèi)部的4個器件的驅(qū)動電路的供電電源，為了簡化設(shè)計，上橋臂兩個器件，即V1和V3的驅(qū)動電源采用單電源的自舉式供電。這樣整個模塊的控制部分只采用1個15V電源供電即可，而不必采用3路獨立的電源，簡化了設(shè)計。（注：自舉電路中的二極管建議選用IN5819。）IPM接口電路原理設(shè)計如圖8所示。圖8 IPM接口電路原理設(shè)計圖4 DC1

14、5V控制電源設(shè)計說明4.0 LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路設(shè)計需要設(shè)計一個DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。穩(wěn)壓源電路原理如圖7所示。為了減小損耗，采用LM2575T-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。（注：濾波電路中的二極管建議選用IN5819。）圖9 DC15V控制電源電路原理設(shè)計圖通過芯片的使用說明書得：系統(tǒng)原理圖如下圖10收獲和體會 雖然這次課程設(shè)計只有短短的幾天

15、，卻讓我們收獲了許多課堂上學(xué)不到的東西。一方面，我們學(xué)會了如何將從書本上學(xué)到的知識應(yīng)用到工程實踐中，如H橋雙極性PWM控制方式的實現(xiàn)，這使我們在對理論知識有了更深刻認識的同時，也懂得了如何將電力電子技術(shù)與電機控制技術(shù)結(jié)合在一起；另一方面，對于軟件和硬件的操作也更加熟練和得心應(yīng)手，如用軟件繪制電路原理圖、并調(diào)試硬件電路。此外，由于課程設(shè)計的過程涉及了SG3525、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我們的自己動手查找資料解決問題的能力也得到了提升。課程設(shè)計任務(wù)書、指導(dǎo)書課程設(shè)計題目：雙極模式直流PWM電動機驅(qū)動電源的設(shè)計.課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作量）

16、1課程設(shè)計的內(nèi)容直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖1a所示,圖1b為控制原理框圖，它包括整流電路和H橋可逆斬波電路的設(shè)計。二極管整流橋把輸入交流電變?yōu)橹绷麟?，H橋逆變器則根據(jù)IGBT驅(qū)動信號占空比的不同，得到不同的直流電壓，并將其加在電動機上。主電路圖（1）整流部分采用四個二極管構(gòu)成整流橋模塊；（2）逆變器部分采用IGBT或三極管構(gòu)成。該電路主要為單相逆變橋；（3）根據(jù)負載要求，計算出交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設(shè)計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。由于該電路整流輸出電壓較低，所以在計算變壓器副邊電壓時應(yīng)考慮在電流到達負載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。2課程設(shè)計的要求課程設(shè)計的主

17、要任務(wù)是設(shè)計一個直流電動機的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為雙極性。 被控直流永磁電動機參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機能夠可逆運行。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動功能，軟啟動時間約為2s。1）主電路的設(shè)計，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計和H橋可逆斬波電路的設(shè)計。2）PWM控制電路的設(shè)計。3）驅(qū)動接口電路設(shè)計。4）DC15V 控制電源的設(shè)計。二、課程設(shè)計參考資料1 王兆安.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,20072 王芳主.電子線路Protel 99 SE實用教程.長沙:中南大學(xué)出版社,20053 龍志文.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,20054 陳堅編.電力電子學(xué).北京：高等教育出版社,20015 趙炳良.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.課程設(shè)計指導(dǎo)書一、課程設(shè)計要點、設(shè)計步驟用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖。電路設(shè)計過程的詳細說明書及焊裝。調(diào)試通過的控制電路板。二、主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路設(shè)計主要可劃分為以下幾個部分:整流電路設(shè)計,整流部分采