電力電子課程設(shè)計(jì)

1、2004級(jí)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 專 業(yè)： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2007-7升降壓斬波電路在直流可逆電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用摘要：文章分析了升降壓斬波電路的工作原理，介紹了集成芯片SG3525的應(yīng)用特點(diǎn)，并對(duì)由SG3525控制，通過(guò)升降壓斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電路進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：升降壓斬波電路 SG3525 直流脈寬調(diào)速本文介紹了通過(guò)斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電路，此斬波電路由基本的降壓型變換器和升壓型變換器相組合，選用全控型器件MOSFET，當(dāng)此變換器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，只要對(duì)MOSFET進(jìn)行實(shí)時(shí)的PWM 控制，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。此斬波電路中I

2、GBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試。1 電路組成及系統(tǒng)分析直流脈寬調(diào)速電路原理如圖1所示，其中直流斬波電路可看成降壓型變換器和升壓型變換器的串聯(lián)組合，采用IGBT作為自關(guān)斷器件，利用集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。圖1 電路原理圖 11 主電路工作原理三相127 V交流電經(jīng)橋式整流電路，濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點(diǎn)間，直流斬波電路上端接P點(diǎn)，下端接N點(diǎn)，中點(diǎn)公共端(COM)(如圖1所示)。若使COM端與電機(jī)電樞繞組A端相接，B端接N，可

3、使電機(jī)正轉(zhuǎn)。若T2截止，T1周期性地通斷，在T1導(dǎo)通的T。 時(shí)間內(nèi)，形成電流回路PT1一AB-N，此時(shí)UAB>0， AB>0；在T1截止時(shí)由于電感電流不能突變，電流 AB經(jīng)D2續(xù)流形成回路為A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)(第一象限)，T1，D2構(gòu)成一個(gè)Buck變換器。若T1截止，T2周期性地通斷，在T2導(dǎo)通的T。 時(shí)間內(nèi)，形成電流回路AT2一B_A；在T2截止時(shí)，由于電感電流不能突變，電流 AB經(jīng)D1續(xù)流形成回路為AD1一PN A，此時(shí)UAB>()，lABd0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)(第二象限)，T2，D1構(gòu)成一個(gè)Boost變

4、換器。只要改變T1，T2導(dǎo)通時(shí)間的大小，即改變給T1，T2所加門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的寬度，即可改變UAB和IAB的大小調(diào)控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。若使COM 端與電機(jī)電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)(I，象限)，若使COM端與B相接而A端接N，可使電機(jī)工作在反轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)(II，IV象限)。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)電機(jī)電樞繞組的連接通過(guò)狀態(tài)開關(guān)進(jìn)行切換。這樣僅用兩個(gè)開關(guān)器件就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)以及FBS(轉(zhuǎn)速變換器)輸出到ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)，作為ASR的輸入并和給定電壓比較，組成系統(tǒng)的外環(huán)，ASR的輸出作為ACR(電流調(diào)節(jié)器)的輸入并和主電路電流

5、反饋信號(hào)進(jìn)行比較作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。由于電流調(diào)節(jié)器的輸出接到SG3525的第2腳，R2為限流電阻，所以要求電流調(diào)節(jié)器再通過(guò)一個(gè)反號(hào)器的輸出電壓的極性必須為正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定則又要求其輸出電壓信號(hào)為正，最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定選擇了負(fù)極性的可調(diào)電壓，如圖1所示。ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，利用電流負(fù)反饋與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)能夠快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小，具有較好的加速特性。 1.2 電容濾波的三相不可控整流電路    在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，一下圖給出了其電路及理想的工作波

6、形。    1.基本原理    該電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。    設(shè)二極管在距線電壓過(guò)零點(diǎn)角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開始導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線電壓為      uab= U2sin()    而相電壓為   &#

7、160;  ua= U2sin(/6)    在t = 0時(shí)，二極管VD6和VD1開始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于uac。這兩段導(dǎo)通過(guò)程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的，如圖1所示，另一種是VD1一直導(dǎo)通，交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id恰好連續(xù)。由前面所述“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在t2/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生。   

8、60;以上討論過(guò)程中，忽略了電路中諸如變壓器漏抗、線路電感等的作用。另外，實(shí)際應(yīng)用中為了抑制電流沖擊，常在直流側(cè)串入較小的電感，成為感容濾波的電路，如圖4a所示。此時(shí)輸出電壓和輸入電流的波形如圖4b所示，由波形可見(jiàn)，ud波形更平直，而電流i2的上升段平緩了許多。這對(duì)于電路的工作是有利的。當(dāng)L與C的取值變化時(shí)，電路的工作情況會(huì)有很大的不同，這里不再詳細(xì)介紹?？傻?           這就是臨界條件。RC > 和RC 分別是電流id 斷續(xù)和連續(xù)的條件。圖2給出了RC等于和小于 時(shí)的

9、電流波形。對(duì)一個(gè)確定的裝置來(lái)講，通常只有R是可變的，它的大小反映了負(fù)載的輕重。因此可以說(shuō)，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是R= （C）。    RC > 時(shí)，交流側(cè)電流和電壓波形如圖1所示，其中和的求取可仿照單相電路的方法。和確定之后，即可推導(dǎo)出交流側(cè)線電流 ia 的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上可對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行諧波分析。由于推導(dǎo)過(guò)程十分繁瑣，這里不再詳述。    以上分析的是理想的情況，未考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。當(dāng)考慮上述電感時(shí)，電路的工作情況發(fā)生

10、變化,其電路圖和交流側(cè)電流波形如圖3所示，其中圖3a為電路原理圖，圖3b、c分別為輕載和重載時(shí)的交流側(cè)電流波形。將電流波形與不考慮電感時(shí)的波形比較可知，有電感時(shí)電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負(fù)載的加重,電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)電流波形逐漸接近。2.主要數(shù)量關(guān)系    (1)輸出電壓平均值 空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為 。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至RC = 進(jìn)入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為Ud=2.34U2。可見(jiàn)，Ud在2.34U22.45U2之間變化。   

11、 與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比，Ud的變化范圍小得多，當(dāng)負(fù)載加重到一定程度后，Ud就穩(wěn)定在2.34U2不變了。    (2) 電流平均值 輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R     與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此： Id=IR    在一個(gè)電源周期中，id有6個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流平均值為Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3    (3) 二極管承受的電

12、壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 。13 控制電路控制電路以SG3525為核心構(gòu)成，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源，斬波器的控制。其內(nèi)部包含精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等，并含有欠壓鎖定電路，閉鎖控制電路和軟起動(dòng)電路。SG3525外圍電路接線圖見(jiàn) 圖2。圖2 SG3525外圍電路接線圖LM1413是一種復(fù)合晶體管(達(dá)林頓電路)陣列驅(qū)動(dòng)器，增益和耗散功率大，可靠性高。本電路中用它來(lái)放大SG3525第11，14引腳輸出到MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并防止誤驅(qū)動(dòng)。SG3525的內(nèi)部電路和參數(shù)：LM1413內(nèi)部電路和參數(shù)14 實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR

13、，本系統(tǒng)是給定為負(fù)極性，反饋為正極性。當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器反饋的電壓極性總是為正極性，因此電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)FBS單元的輸出應(yīng)總是正電壓。本系統(tǒng)中的FBS單元有兩個(gè)輸出電壓為不同極性的端子，閉環(huán)時(shí)FBS單元輸出為正電壓的一端應(yīng)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋。因此本系統(tǒng)在加上雙環(huán)之前要進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)以確定FBS單元的輸出極性哪一個(gè)為正，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)把面板上的鈕子開關(guān)撥到開環(huán)，并把ASR單元的給定電壓直接接到PWM單元的輸人端(在面板上用導(dǎo)線短接)，F(xiàn)BS單元的輸人接到測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出，逐漸加大給定電壓并用萬(wàn)用表測(cè)出FBS兩個(gè)輸出端(A)，(B)的極性哪一個(gè)為正，并記錄；(2)加上雙環(huán)，把面板上

14、的鈕子開關(guān)撥到閉環(huán)，F(xiàn)BS單元的正極性的輸出端接到ASR 的反饋端，ASR單元的輸出接到ACR單元的給定端，ACR的輸出接到PWM單元的輸人；(3)接通控制電路電源，用示波器分別觀察鋸齒波和PWM信號(hào)的波形，記錄波形、頻率和幅值；(4)分別觀察兩個(gè)脈沖變壓器二次側(cè)的電壓波形，記錄波形、周期、最大脈寬、幅值；(5)接通主電路電源，觀察IGBT的門極和發(fā)射極間的電壓波形；(6)分別加上“正向”和“反向”給定信號(hào)，起動(dòng)電機(jī)，并逐步加上額定負(fù)載進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)。注意觀察給定電壓，導(dǎo)通比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路：此圖給出了電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路，它包裹電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平，V1導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)有信號(hào)輸入A時(shí)輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路主電路采用可逆PWMM的雙極式H型電路。運(yùn)用4個(gè)C2655晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，靠晶體管導(dǎo)通和關(guān)閉的占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的，輸出端的電位極性不同可以使電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。應(yīng)用中應(yīng)盡量提高斬波頻率，減少電流的脈動(dòng)。14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3，圖4是本直流脈寬調(diào)速雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負(fù)載，突減負(fù)載時(shí)的電流，轉(zhuǎn)速波形圖，可以看出系統(tǒng)突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降低，具有較硬的機(jī)械特性和較好的抗干擾性，而且運(yùn)