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

1、<p>　　課程設(shè)計(jì)說明書（論文）</p><p>　　課程名稱：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： </p><p>　　班 級(jí)： </p><p

2、>　　設(shè) 計(jì) 者： A </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任

3、務(wù)書</b></p><p>　　H型雙極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　技術(shù)指標(biāo)：被控直流永磁電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。詳細(xì)設(shè)計(jì)要求見附錄2.</p><p><b>　　整體方案設(shè)計(jì)</b&

4、gt;</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源由四部分組成：主電路，H型雙極性同頻可逆PWM控制電路，IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時(shí)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間為2s左右?？刂圃砣鐖D1所示：</p><p>　　圖1 直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的控制原理框圖</p><p>　　脈寬調(diào)制電路以SG3525為核心，產(chǎn)生頻率為5KHz的方波控制信號(hào)，

5、占空比可調(diào)。經(jīng)用門電路實(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路，轉(zhuǎn)換成兩列對(duì)稱互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)具有5us的死區(qū)時(shí)間，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)Ｈ型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件，控制直流永磁電動(dòng)機(jī)。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，通過調(diào)整電位器，使其穩(wěn)定輸出15V直流電源。</p><p>　　表1 控制板器件清單</p><p><b>　　主電路設(shè)計(jì)</b></p>

6、<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2所示。此部分電路的設(shè)計(jì)包括整流電路和H橋可逆斬波電路。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(jī)上可得到不同的直流電壓。</p><p>　　主電路部分的設(shè)計(jì)要求如下：</p><p>

7、　　1）整流部分采用4 個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊。</p><p>　　2）斬波部分H 橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實(shí)現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采用其中U、V 兩相即可。</p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p>　　3）在主電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，計(jì)算

8、出整流部分的交流側(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)。該電路的整流輸出電壓較低，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><b>　　整流電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整流部分采用4個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊。電動(dòng)機(jī)的額定電壓為20V，通過查閱該型號(hào)IPM的數(shù)據(jù)手冊(cè)

9、可知開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)通壓降為2V左右，故可知電壓為24V，由全橋整流電路可知：</p><p>　　考慮整流橋中二極管壓降為1V，故可知變壓器副邊電壓，從而可知變壓器的變比。濾波電容選擇耐壓40V左右，容值為450uF左右即可。</p><p><b>　　H型逆變橋設(shè)計(jì)</b></p><p>　　IPM內(nèi)部集成該部分電路，參數(shù)可參考手冊(cè)。該

10、模塊為三相逆變橋，只使用其中的U、V兩相即可。</p><p><b>　　控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)利用SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.1~0.9的脈沖信號(hào)，經(jīng)過移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時(shí)間為5μS左右的脈沖，分別驅(qū)動(dòng)V1，V4和V2，V3的開通和關(guān)斷。</p><p>　　3.1脈沖產(chǎn)

11、生電路的設(shè)計(jì)</p><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

12、。根據(jù)芯片手冊(cè)軟啟動(dòng)時(shí)間和電容大小的關(guān)系：60ms/uF。要使電機(jī)軟啟動(dòng)為2s，則所選的電容為33uf。在輸出端，13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11、14腳短接，脈沖由13腳引出。電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示：</p><p>　　圖3 脈沖產(chǎn)生電路圖</p><p>　　3.2脈沖分配電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是雙極性PWM驅(qū)動(dòng)。由SG3525產(chǎn)

13、生的脈沖經(jīng)過一個(gè)非門變成0V、5V信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)電容充電，只有當(dāng)電容電壓達(dá)到非門的開啟電壓2V時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖剑纱诉_(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)電阻為978.8ohm。為了調(diào)節(jié)方便選擇5K的滑動(dòng)變阻器。經(jīng)過此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號(hào)。脈沖分配電路如圖4所示：</p><p><b>　　圖4 脈沖分配電路&

14、lt;/b></p><p><b>　　3.3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，即V1 和V3 的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源的自舉式供電，詳細(xì)設(shè)計(jì)可參考IPM 的設(shè)計(jì)手冊(cè)。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采用1 個(gè)15V 電源供電即可，而不必采用3 路獨(dú)立的電源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，自舉電路

15、中的二極管建議選用IN5819，電容值為10uF，電阻值為5歐左右。電路圖如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 自舉電路</b></p><p><b>　　3.4穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。為了減小損耗，采用LM2575T－

16、ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V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。濾波電路中的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖6所示。</p><p>　　圖6 15V穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　通過查閱芯片手冊(cè)知：</p&

17、gt;<p>　　本設(shè)計(jì)中，,,,得：</p><p>　　為方便實(shí)際電路的調(diào)試， 使用定值電阻，采用電位器。</p><p><b>　　調(diào)試過程及結(jié)果分析</b></p><p><b>　　4.1調(diào)制過程：</b></p><p>　　1.調(diào)試控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路：<

18、;/p><p>　　只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7均不連接。再將LM2575T插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為所需15V直流電壓。</p><p>　　2.調(diào)試脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路：</p><p>　　將SG3525插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控

19、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><p>　　3.調(diào)試兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路：</p><p>　　給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，觀察兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可見驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：</p><p>　　圖7 兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形</p><p>　　可見兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有5us的開通延時(shí)，

20、即死區(qū)時(shí)間為5us。</p><p>　　4.測(cè)試IPM中上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路</p><p>　　將控制板的J6和J7接口與主電路板相連。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，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S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比調(diào)整到50％附

21、近。閉合S2開關(guān)，接通H橋的直流電源，調(diào)節(jié)占空比使電機(jī)啟動(dòng)起來并隨占空比的調(diào)節(jié)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能。</p><p><b>　　4.2結(jié)果分析</b></p><p><b>　　4.2.1電機(jī)負(fù)載</b></p><p>　　1. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍</p><p>

22、　　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如圖：</p><p>　　圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大占空比</p><p>　　最小占空比約為0.1如圖：</p><p>　　圖9 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最小占空比</p><p>　　其中最大占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為22.9V，最小占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為-23.0V。</

23、p><p>　　2. 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，可以看出當(dāng)電機(jī)兩端電壓為正時(shí)，流過電樞的電流上升，電感儲(chǔ)能。當(dāng)電機(jī)兩端電壓為負(fù)時(shí)，流過電樞的電流下降，電感能量釋放。</p><p>　　圖10 電機(jī)負(fù)載的電壓和電流的波形</p><p>　　3. 直流母線上電壓和電流的波形：其電壓波形如圖所示：<

24、;/p><p>　　圖11電機(jī)負(fù)載直流母線上電壓波形</p><p>　　4.H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形：其波形如圖所示，其中V1，V4為一組V2，V3為一組。兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間留有5us的死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　圖12電機(jī)負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)波形</p><p>　　4.2.2 電阻性負(fù)載</p><p>

25、;　　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。</p><p>　　2. 負(fù)載電壓和電流的波形：</p><p>　　電阻性負(fù)載的電壓和電流波形如圖,可見電阻性負(fù)載的電壓與電流波形基本同相。隨開關(guān)器件的開通和關(guān)斷其電壓電流值在正負(fù)之間交替。</p><p>　　圖13

26、電阻性負(fù)載的電壓和電流波形</p><p>　　3. 直流母線上電壓和電流的波形：電阻性負(fù)載直流母線電壓為：</p><p>　　圖14電阻性負(fù)載直流母線電壓</p><p>　　4. H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形：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，且兩組之間留有5us的死區(qū)時(shí)間，如圖：</p><p

27、>　　圖15 電阻性負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形</p><p><b>　　收獲和體會(huì)</b></p><p>　　本次電力電子課程設(shè)計(jì)讓我從實(shí)踐上鞏固了本學(xué)期所學(xué)的電力電子知識(shí)，在準(zhǔn)備過程和設(shè)計(jì)電路的過程中我對(duì)PWM單極性和雙極性控制有了更深的學(xué)習(xí)和理解。同時(shí)我也還有很多書本之外的收獲，自舉電路的設(shè)計(jì)是我第一次接觸，之前的課程的學(xué)習(xí)中時(shí)我就對(duì)橋臂的上半部分器件的驅(qū)動(dòng)

28、有過疑惑，但是也沒有仔細(xì)的琢磨下去，通過自舉電路的學(xué)習(xí)，我對(duì)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)及供電有了更好的理解。</p><p>　　在課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)習(xí)了一些所需的芯片，例如SG3525、LM2575等，對(duì)這些芯片的學(xué)習(xí)提高了我對(duì)英文參考資料的閱讀學(xué)習(xí)能力，了解各管腳的功能，對(duì)芯片使用時(shí)的一些保護(hù)方法有了基本的掌握，例如我在穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中使用SG2575時(shí)，我一號(hào)管腳的輸入處串聯(lián)了一個(gè)電阻，防止焊接不當(dāng)時(shí)造成通路燒毀芯片，在我

29、調(diào)試正常后，我將該串聯(lián)電阻短路掉，使電路正常工作且減少了損壞的可能。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)我對(duì)電路的調(diào)試有了一些初步的了解，通過老師所給的調(diào)試步驟，我逐漸明白了電路的調(diào)試要從最基礎(chǔ)做起，比如這次實(shí)驗(yàn)，一定要先看一下穩(wěn)壓電路的輸出是否為15V，如果最開始的這部分供電電路有問題，那電路肯定不能正常工作。接下調(diào)試SG3525部分，首先我先檢查了一下16號(hào)管腳是否輸出了一個(gè)5V電壓，如果沒有5V電壓，那么

30、我也可以確定SG3525部分出現(xiàn)了錯(cuò)誤，一切正常，在查看一下13號(hào)管腳的輸出是否為頻率和占空比可調(diào)的方波。之后再測(cè)量一下延時(shí)和反向電路是否為互補(bǔ)且有死區(qū)時(shí)間的兩組方波。自舉電路正常后，便可通電調(diào)試電機(jī)的正反轉(zhuǎn)了。我也深刻的感受到了一個(gè)正確的調(diào)試方法在實(shí)驗(yàn)過程中所起的重要作用。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中非常感謝助教對(duì)我們的幫助，無論我們是缺少器件還是調(diào)試中出現(xiàn)問題，助教總是耐心細(xì)致的幫我們解決問題，真的非常感謝

31、他們給我的幫助。</p><p>　　附 錄 主電路圖和控制電路原理圖</p><p><b>　　主電路</b></p><p><b>　　控制電路</b></p><p><b>　　15V穩(wěn)壓電源</b></p><p><b>　　自