電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告--可逆直流pwm驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）</p><p>　　課程名稱(chēng)：電力電子技術(shù) </p><p>　　設(shè)計(jì)題目：可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) </p><p>　　院 系：電氣工程系 </p><p>　　班 級(jí)：

2、 </p><p>　　設(shè) 計(jì) 者： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　同 組 人： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

3、 </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間：2013年06月 </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　雙極模式直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1.主電路設(shè)計(jì)</b></p>

4、<p><b>　　主電路設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　直流PWM驅(qū)動(dòng)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(jì)。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(dòng)信號(hào)占空比的不同，得到不同的直流電壓，并將其加在電動(dòng)機(jī)上。</p><p><b>　　a主電路圖</b&g

5、t;</p><p><b>　　b 控制原理框圖</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　（1）整流部分采用四個(gè)二極管構(gòu)成整流橋模塊；</p><p>　?。?）逆變器部分采用IPM（智能功率模塊）PS21564構(gòu)成。該電路主要為三相逆變橋，此處采用其中的U、V兩相；

6、</p><p>　　（3）根據(jù)負(fù)載要求，計(jì)算出交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設(shè)計(jì)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(jì)算變壓器副邊電壓時(shí)應(yīng)考慮在電流到達(dá)負(fù)載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。</p><p>　　1.2 整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　整流部分采用4個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋模塊。電動(dòng)機(jī)的額定電壓為20V，通

7、過(guò)查閱該型號(hào)IPM的數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)壓降為2V左右，可知電壓為24V，由全橋整流電路可知：</p><p>　　整流橋中二極管的管壓降為1V，可知變壓器副邊電壓及變壓器的變比，濾波電容選擇耐壓40V左右，容值450uF左右。</p><p><b>　　1.H型逆變橋設(shè)計(jì)</b></p><p>　　該部分電路在IPM模塊內(nèi)部集成，

8、不需要設(shè)計(jì)。它的主電路是三相逆變橋，此處采用其中的U、V兩相。</p><p>　　2 .控制電路設(shè)計(jì)說(shuō)明</p><p>　　SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍為0~1的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)移相后，輸出兩組相位相反，死區(qū)時(shí)間為5μS左右的脈沖，分別驅(qū)動(dòng)V1、V4和V2、V3的開(kāi)通和關(guān)斷。</p><p>　　2.1脈沖信號(hào)電路的設(shè)計(jì)</p>

9、<p>　　設(shè)計(jì)中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號(hào)。5腳接一個(gè)0.02uf的電容，6腳接滑動(dòng)變阻器，兩者組成RC振蕩電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值使脈沖的頻率為設(shè)計(jì)要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊(cè)公式計(jì)算可得當(dāng)R=15K、C=0.02uF時(shí)，輸出頻率為5kHz，為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動(dòng)變阻器。通過(guò)改變2腳輸入電壓的大小調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。為使電機(jī)具有軟啟動(dòng)功能，在8腳需要接電容。根據(jù)芯片手冊(cè)軟啟動(dòng)時(shí)間和電容大小

10、的關(guān)系：60ms/uF。為了使電機(jī)軟啟動(dòng)為2s，所選的電容應(yīng)為33uF，同時(shí)，10腳應(yīng)該接地。在輸出端，13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11和14腳短接，脈沖由13腳引出。電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示：</p><p><b>　　圖2 脈沖產(chǎn)生電路</b></p><p>　　2.2脈沖分配電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)是雙極性PWM驅(qū)

11、動(dòng)。由SG3525產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)變成0V、5V信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)電容充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到非門(mén)的開(kāi)啟電壓2V時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖?，由此達(dá)到了延時(shí)的目的。所需延遲時(shí)間為5us，有三要素公式計(jì)算得，當(dāng)選定電容為0.01uf時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻為978.8Ω。為了方便調(diào)節(jié)，選擇5K的滑動(dòng)變阻器。此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號(hào)。具體脈沖分配電路如圖3：</p><p><b>　　圖

12、3 脈沖分配電路</b></p><p><b>　　2.3自舉電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件V1 和V3 的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源自舉式供電，這樣整個(gè)模塊的控制部分只需采用1 個(gè)15V 電源供電即可。</p><p>　　自舉電路中的二極管選用IN5819，電容值為10uF，電阻值為5歐左右。如圖4

13、所示。</p><p><b>　　圖4 自舉電路</b></p><p>　　2．4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)直流 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。為減小損耗，采用LM2575T－ADJ系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線(xiàn)電壓33V作為輸入，通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM

14、2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。TTL電路的5V工作電源可以直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。濾波電路中的二極管選用IN5819。如圖5所示。</p><p>　　圖5 15V穩(wěn)壓電源電路</p><p><b>　　查閱芯片手冊(cè)知：</b></p><p><b>　　可得：</b></p>

15、<p>　　為使電路方便調(diào)試， 使用定值電阻， 使用電位器。</p><p>　　3 調(diào)試過(guò)程及結(jié)果分析</p><p><b>　　3.1調(diào)過(guò)試程：</b></p><p>　　（1）.控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路的調(diào)試</p><p>　　將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7都不連接。再將LM

16、2575T插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開(kāi)S2開(kāi)關(guān)，閉合S1開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為15V直流電壓。</p><p>　　（2）.脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路的調(diào)試</p><p>　　將SG3525插在電路板上。在模擬盒上斷開(kāi)S2，閉合S1，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在0～1之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號(hào)。</p><

17、p>　?。?）.兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)通延時(shí)電路的調(diào)試</p><p>　　給控制板上電后，調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，觀察兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：</p><p>　　圖6 兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的死區(qū)時(shí)間</p><p>　　兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有5us左右的的開(kāi)通延時(shí)，即5us的死區(qū)時(shí)間。</p><p>　?。?）.測(cè)試IPM中上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電

18、路</p><p>　　將主電路板和控制板的J6和J7接口相連，在模擬盒上斷開(kāi)S2，閉合S1，給控制板上電。</p><p>　　（5）.測(cè)試電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)</p><p>　　在模擬盒上斷開(kāi)S2，閉合S1，給控制板上電。先將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比調(diào)到50％附近。閉合S2開(kāi)關(guān)，接通H橋的直流電源，調(diào)節(jié)占空比使電機(jī)啟動(dòng)起來(lái)。通過(guò)占空比的調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)

19、。電機(jī)控制系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能。</p><p><b>　　3.2結(jié)果分析</b></p><p><b>　　3.2.1電機(jī)負(fù)載</b></p><p>　?。?）. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍</p><p>　　調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比使之達(dá)到最大值和最小值，最大占空比約為0.9；最小占空比約為0.1。

20、</p><p>　　其中最大占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為19V，最小占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為-22V。</p><p>　?。?）. 負(fù)載電壓和電流的波形</p><p>　　電機(jī)負(fù)載的電壓和電流波形如圖7和8所示所示，可看出當(dāng)電機(jī)兩端電壓為正時(shí)，流過(guò)電樞的電流上升，電感儲(chǔ)能。當(dāng)電機(jī)兩端電壓為負(fù)時(shí)，流過(guò)電樞的電流下降，電感釋放能量。</p>

21、<p>　　圖7 電機(jī)負(fù)載，正轉(zhuǎn)時(shí)，電壓（下）和電流（上）的波形</p><p>　　圖8 電機(jī)負(fù)載，反轉(zhuǎn)時(shí)，電壓（下）和電流（上）的波形</p><p>　　（3）. 直流母線(xiàn)上電壓和電流的波形：其電壓波形如圖9所示：</p><p>　　圖9電機(jī)負(fù)載直流母線(xiàn)上電壓波形</p><p>　?。?）.H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的

22、波形：其波形如圖10所示，其中V1，V4為一組V2，V3為一組。</p><p>　　圖10電機(jī)負(fù)載時(shí)，H橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)</p><p>　　3.2.2 電阻負(fù)載</p><p>　　（1）. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍：</p><p>　　其占空比的有效調(diào)節(jié)范圍與輸出電壓平均值與電機(jī)負(fù)載情況時(shí)基本相同。最大占空比約為0.9，最小占空比約為0.1

23、。</p><p>　　其中最大占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為24.5V，最小占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為-26.1V。</p><p>　?。?）. 負(fù)載電壓和電流的波形：</p><p>　　電阻負(fù)載的電壓和電流波形如圖11所示,電阻性負(fù)載的電壓與電流波形同相。隨開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，其電壓電流值在正負(fù)之間交替。</p><p>　　

24、a 占空比大約50%</p><p>　　B 占空比小于50%</p><p>　　圖11電阻性負(fù)載的電壓和電流波形</p><p>　?。?）. 直流母線(xiàn)上電壓和電流的波形：電阻負(fù)載時(shí)，直流母線(xiàn)電壓波形如圖12所示：</p><p>　　圖12電阻性負(fù)載直流母線(xiàn)電壓</p><p>　?。?）. H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)

25、動(dòng)控制信號(hào)的波形如圖13所示：其驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形同電機(jī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。V1，V4為一組V2，V3為一組。 </p><p>　　圖13 電阻負(fù)載時(shí)，H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)</p><p><b>　　4.收獲和體會(huì)</b></p><p>　　此次電力電子課程設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了很多知識(shí)，不但對(duì)理論知識(shí)更加清楚，對(duì)實(shí)際電路操作也有了一定的掌握。通過(guò)完成可逆直流

26、PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，我對(duì)電力電子器件（IGBT）驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生和分配也有了熟悉的掌握。同時(shí)，對(duì)之前學(xué)習(xí)的數(shù)電模電知識(shí)又有了溫習(xí)。設(shè)計(jì)好電路后，焊接電路、調(diào)試電路，尤其是調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了各種各樣的小問(wèn)題，我們通過(guò)理論分析、查閱相關(guān)資料和請(qǐng)教老師，最終順利完成調(diào)試工作?？傊@次課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到很多東西。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>