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文檔簡介
1、<p> 第1章 概述</p><p> 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體地說,就是使用電力電子器件對電能進行變換個控制的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成,故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的“電力”,功率可以大到數(shù)百MW甚至GW,也可以小到數(shù)W甚至1W以下。信息電子技術(shù)主要用于信息處理,而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。</p><p>
2、 第2章 系統(tǒng)工作內(nèi)容及原理</p><p><b> 2.1 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p> 本課題要通過電力電子技術(shù)來實現(xiàn)直流脈寬可調(diào),可采用三相橋式PWM型逆變電路來得到直流輸出的電壓然后通過對其晶閘管導(dǎo)通角的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出電壓脈寬的調(diào)節(jié),然后輸出到直流電動機上來顯示結(jié)果。</p><p><b> 2.2設(shè)計要
3、求</b></p><p> 1)用斬控方式實現(xiàn)直流調(diào)壓調(diào)速。</p><p> 2)電路由主電路與控制電路組成,主電路主要環(huán)節(jié):主電力電子開關(guān)與續(xù)流管。控制電路主要環(huán)節(jié):脈寬調(diào)制PWM電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、檢測與故障保護電路;</p><p> 3)主電路電力電子開關(guān)器件采用GTR、IGBT或MOSFET;</p>&l
4、t;p> 4)系統(tǒng)具有完善的保護;</p><p><b> 2.3 總體原理</b></p><p> 采用三相橋式PWM型逆變電路,通過PWM技術(shù)使三相交流電源逆變成直流得到直流電壓,然后進行脈寬控制,然后輸出到直流電動機上來顯示結(jié)果</p><p> 2.4結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理的說明</p><p> 直
5、流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成,其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件,由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器(又稱整流子)和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成,在其外圓處均勻分布著齒槽,電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部
6、件。由換向片疊成圓筒形后,以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。</p><p> 直流電機斬波調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-1所示:</p><p><b> 圖2-1原理框圖</b></p><p> 直流電機斬波調(diào)速原理是利用可控硅整流調(diào)壓來達(dá)直流電機調(diào)速的目的,利用交流電相位延遲一定
7、時間發(fā)出觸發(fā)信號使可控硅導(dǎo)通即為斬波,斬波后的交流電經(jīng)電機濾波后其平均電壓隨斬波相位變化而變化。為了達(dá)到控制直流電機目的,在控制回路加入了速度、電壓、電流反饋環(huán)路和PID調(diào)節(jié)器來防止電機由于負(fù)載變化而引起的波動和對電機速度、電壓、電流超常保護。</p><p><b> 2.5調(diào)速電路方案</b></p><p> 本電機調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式,與晶閘管調(diào)速相比
8、技術(shù)先進,可減少對電源的污染。為使整個系統(tǒng)能正常安全地運行, 設(shè)計了過流、過載、過壓、欠壓保護電路,另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運行。</p><p> 2.6 控制方案的選擇</p><p> 直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類。隨著電力電子技術(shù)的進步,發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如:由交流電源供電,使用晶閘管進行相控調(diào)壓;使用硅整流器將交流電整
9、流成直流或由蓄電池等直流電源供電,再由PWM 斬波器進行斬波調(diào)壓等。PWM 驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動裝置比較,具有下列優(yōu)點 需用的大功率可控器件少,線路簡單;調(diào)速范圍寬;電流波形系數(shù)好,附加損耗??;功率因數(shù)高??梢詮V泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機伺服系統(tǒng)中。本系統(tǒng)是基于PWM 控制的直流電機控制系統(tǒng)。</p><p> 第3章 主電路的設(shè)計與分析</p><p> 3.1主電路的各個部分電路:&
10、lt;/p><p> 主電路主要環(huán)節(jié)是:整流電路、斬波電路及保護電路</p><p><b> 圖3-1 調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p> 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖3-1所示,由主電路、控制及保護電路、信號檢測電路三大部分組成。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?,電阻R1為起動限流電阻,C1為濾波電容??赡鍼WM變換器主電路系采用MOS
11、FET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式,它是由四個功率IGBT管(VT1、VT2、VT3、VT4)和四個續(xù)流二極管(VD1、VD2、VD3、VD4)組成的雙極式PWM可逆變換器,根據(jù)脈沖占空比的不同,在直流電機M上可得到正或負(fù)的直流電壓。</p><p><b> 3.2整流電路</b></p><p> 晶體二極管橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路,只要增加兩只
12、二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu),便具有全波整流電路的優(yōu)點,而同時在一定程度上克服了它的缺點。</p><p><b> 圖3-2 整流電路</b></p><p><b> 3.3斬波調(diào)速電路</b></p><p> 直流電動機往往需要正、反向運行,而且有電動和制動工作狀態(tài),這就需要四象限斬波變換電
13、路為電動機供電。圖2-3給出了四象限斬波調(diào)速主電路原理圖。T1~T4組成了全橋電路,又稱H橋型電路;TA1檢測母線的電流大小和方向,TA2檢測電動機的電流大小和方向;電容C用來減小開關(guān)過程引起的電壓波紋壓敏電阻Rv用來抑制電壓尖峰。電機的工作狀態(tài)同供電方式和負(fù)載有關(guān)。</p><p> 電機正向電動狀態(tài)運行時,變換器工作在第一象限,使T4導(dǎo)通,T2、T3關(guān)斷,根據(jù)轉(zhuǎn)速要求對T1進行PWM調(diào)制,此時變換器等效一個
14、降壓斬波電路,能量由直流電源供向負(fù)載。</p><p> 如果希望電機運行于正想制動狀態(tài),可使T4導(dǎo)通,T1、T3關(guān)斷,變換器等效一個升壓斬波電路;調(diào)控T2電動機的反電動勢升壓變換得到一個略大于Ud的電壓,使得電動機輸出電流反向,電磁轉(zhuǎn)矩反向,直流電動機運行在發(fā)電制動狀態(tài),電動機的能量就回饋到電網(wǎng),轉(zhuǎn)速下降。</p><p> 同理,T2導(dǎo)通,T1、T4關(guān)斷,調(diào)控T3,電動機可以運行在
15、反向電動狀態(tài);T2導(dǎo)通,T1、T3關(guān)斷,調(diào)控T4,電動機可以運行在反向制動狀態(tài)。</p><p> 3.4保護電路的設(shè)計:</p><p> 1)斬波器的散熱設(shè)計:</p><p> 熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國際較流行的散熱方式,國內(nèi)近年來發(fā)展較快,被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體”,已廣泛用于車輛電傳動系統(tǒng),熱管的主要特點:高效的導(dǎo)熱性,高度的等溫性,熱流密度變換能力強,
16、結(jié)構(gòu)多樣靈活、重量輕。由于IGBT模塊的開關(guān)頻率高,開關(guān)損耗大,特別是對大功率IGBT模塊,一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率IGBT模塊散熱。目前適合于大功率IGBT模塊的熱管散熱器的熱阻可以達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)以下。</p><p> 2)過電流保護電路:</p><p> 過電流保護采用的是在主電路中串聯(lián)一個1£的電阻,在其兩端并聯(lián)電磁繼電器的線
17、圈。 過流保護信號取自電阻兩端的電壓, 當(dāng)主電路的電流高于一定數(shù)值時,電磁繼電器的開關(guān)閉合,接通低電平,該過電流信號還送到SG3525的腳10。在SG3525內(nèi)部由于T3基極與A端線相連,A端線由低電壓上升為邏輯高電平,經(jīng)過SG3525A的13腳輸出為高電平,功率驅(qū)動電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失。在電路中,過流保護環(huán)節(jié)還輸出一個信號到與門的輸入端,當(dāng)出現(xiàn)過流信號時,檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號到與門的輸入端,使脈
18、沖消失,與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護。</p><p> IGBT的保護設(shè)計:</p><p> 在斬波電路中對斬波器的保護,實際上就是對IGBT的保護。所以重要的是怎么設(shè)計好對開關(guān)管IGBT的保護方案。在設(shè)計對IGBT的保護系統(tǒng)中,主要是針對過電流保護和開關(guān)過程中的過電壓保護。</p><p> 3)IGBT的過電流保護</p>
19、<p> IGBT的過流保護電路可分為2類:一類是低倍數(shù)的(1.2~1.5倍)的過載保護;一類是高倍數(shù)(可達(dá)8~10倍)的短路保護。</p><p> 對于過載保護不必快速響應(yīng),可采用集中式保護,即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流,當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn),封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖,使輸出電流降為零。這種過載電流保護,一旦動作后,要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT能承受很短
20、時間的短路電流,能承受短路電流的時間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān),隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5μs,而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達(dá)15μs,4~5V時可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低,IGBT的阻抗也降低,短路電流同時增大,短路時的功耗隨著電流的平方加大,造成承受短路的時間迅速減小。 通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷
21、指在過流和短路時,直接關(guān)斷IGBT。但是,軟關(guān)斷抗騷擾能力差,一旦檢測到過流信號就關(guān)斷,很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力,可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時,不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升,大大增加了功率損耗,同時還會導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了,器件仍然壞了。 </p><p> IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護 </p><p>
22、; 關(guān)斷IGBT時,它的集電極電流的下降率較高,尤其是在短路故障的情況下,如不采取軟關(guān)斷措施,它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓,導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮,希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說,集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流,能減小開通
23、損耗,承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感,其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。</p><p> 3.5電路參數(shù)及選型:</p><p> 1) Ud=160V</p><p> 考慮占空比為90%,則 Us=Ud/0.9=180V</p><p> 取
24、 Us=1.2U2</p><p> U2=Us/1.2= 102V</p><p> 考慮到10%的裕量 U2=1.1×102V=113V</p><p> 一、二次電流計算 I2=Id=13A</p><p> 變比 K=U1/U2=220/113=1.95&l
25、t;/p><p> I1=I2/K=13/1.08=12A</p><p> 考慮空載電流,取 I1=1.05×12=12.6A</p><p> 變壓器容量計算 S1=U1×I1=220×12.6=2772VA</p><p> S2=U2×I2=113×13=14
26、69VA</p><p> S=(S1+S2)/2=2120.5VA</p><p><b> 整流元件選擇</b></p><p> 二極管承受反向最大電壓 UDM=1.414U2=1.414×113=160V</p><p> 考慮3倍裕量,則 UTN=3×160=480V
27、 取500V</p><p> 該電路整流輸出接有大電容,而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載,但為了簡化計算,仍可按電感計算,只是電流裕量要可適當(dāng)取大些即可。</p><p> IdD=0.5Id=0.5×13=6.5A</p><p> ID=Id/1.414=13/1.414=9.2A</p><p> ID(AV)=2ID/1.
28、57=2×9.2/1.57=11.7A</p><p><b> 2)濾波電容選擇</b></p><p> C1一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算,負(fù)載越大,要求紋波系數(shù)越小,一般不做嚴(yán)格計算,多取2000 uF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大,故</p><p> 取 C1=2200 uF</p>
29、;<p> 耐壓 1.5UDM=1.5×160=240V取250V</p><p> 即選用2200uF、250V電容器。</p><p><b> IGBT的選擇</b></p><p> 因為Us=123V,取3倍裕量,選耐壓為400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且
30、穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系,故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜,因此選用50A,額定電壓1600V左右的IGBT</p><p><b> 續(xù)流二極管的選擇</b></p><p><b> 根據(jù) </b></p><p> 得知 續(xù)流二極管應(yīng)選IcmA、額定電壓為的Urm二極管</p&g
31、t;<p> 第4章 控制電路的設(shè)計與分析</p><p> 4.1 觸發(fā)電路的設(shè)計與分析:</p><p> 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路由同步檢測,鋸齒波形成,移相控制,脈沖形成,脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。</p><p> 4.2 脈寬調(diào)制(PWM)控制的設(shè)計與分析:</p><p> 根據(jù)IGBT的特點,本設(shè)計用脈寬調(diào)
32、制(PWM)控制方式對開關(guān)管的占空比進行控制。采用的芯片是脈寬調(diào)制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比, 只要改變調(diào)制信號Ur的電壓大小即可實現(xiàn) 。SG3525的引腳及其內(nèi)部框圖如圖4-1它主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、震蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動電路、輸出電路構(gòu)成。</p><p> 4.3 欠壓鎖定功能:</p><p> 基準(zhǔn)電壓調(diào)整器
33、受15端的外加直流電壓Vc的影響,當(dāng)Vc低于7V或嚴(yán)重欠壓時,基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度值就得不到保證,由于設(shè)置了欠壓鎖定電路,當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時,欠電壓鎖定功能使A端線由低電壓上升為邏輯高電平經(jīng)過或非門輸出轉(zhuǎn)化為 P1=P2=0 ,SG3525的13腳輸出電平,功率驅(qū)動電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失,逆變器無電壓輸出。</p><p> 4.4 波形的產(chǎn)生及控制方式分析:</p><p&
34、gt; 鋸齒波作為載波信號Ut,調(diào)制信號由9腳輸入,此圖中,調(diào)制信號由可調(diào)電位器RP上的電壓信號Ur′和外加的給定信號Ug疊加而成,RP上的電壓信號用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比,Ug可正可負(fù),用于控制逆變器輸出電壓的大小和極性,Ug也可以由摸擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出來控制,構(gòu)成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。</p><p> 集成控制器SG3525的輸出側(cè)采用推拉式電路,可使關(guān)斷速度加快。11腳、14腳與12腳連接。PWM
35、脈沖由13腳輸出,這樣能夠保證13腳的輸出與鎖存器的輸出一致。鋸齒波與調(diào)制波的交點比較功能由比較器完成,Ut〉Ur時,比較器輸出的PWM′波形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?,Ut〈Ur時,比較器輸出的PWM′波形由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?。為保證PWM′波寬不至于太窄,用PWM鎖存器鎖存高電平值,并在CP脈沖下跳時對鎖存器清零,以進行下一個比較點的鎖存。</p><p> 第 5 章 系統(tǒng)實驗測試</p>
36、<p><b> 5.1 整體調(diào)試</b></p><p> 按總電路圖將電路連接好,檢查電流保護與過壓保護是否正常。檢查正常后,閉合開關(guān)。正轉(zhuǎn)時:將開關(guān)打到正轉(zhuǎn)位置,調(diào)節(jié)RP1(即改變輸入IGBT信號占空比),可改變電動機的轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速1500n/min)。反轉(zhuǎn)時:將開關(guān)打到反轉(zhuǎn)位置,調(diào)節(jié)RP2(即改變輸入IGBT信號占空比),可改變電動機的轉(zhuǎn)速。下表為占空比與轉(zhuǎn)速關(guān)系。&
37、lt;/p><p><b> 占空比與轉(zhuǎn)速</b></p><p><b> 占空比為89%時:</b></p><p> 圖5-1-1 轉(zhuǎn)速為1500r/min</p><p><b> 圖5-1-2</b></p><p> 正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為,輸入
38、到VT1、VT4與VT2、VT3的驅(qū)動信號比較:</p><p><b> 圖5-1-3</b></p><p> ?。ㄉ厦娌ㄐ螢檩斎氲絍T1、VT4的信號波形,下面波形為輸入到VT2、VT3的信號波形)</p><p><b> 5.2 性能測試</b></p><p> 把電機、直流電源,
39、接入系統(tǒng),電動機、發(fā)電機加額定勵磁。緩慢增加給定電壓Ug,使電機升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負(fù)載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速達(dá)到1200rpm。</p><p> 在測試過程中逐步增大負(fù)載電阻Rg的阻值就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f(I2),將其記入下面的表格:</p><p> 然后將電機反轉(zhuǎn),增加給定Ug(負(fù)給定)使電機反向升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負(fù)載Rg使
40、電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速分別達(dá)到-1200rpm。</p><p> 在測試過程中逐步增大負(fù)載電阻Rg的阻值就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f(I2),將其記入下面的表格:</p><p><b> 占空比與轉(zhuǎn)速:</b></p><p><b> 波形圖:</b></p><
41、;p><b> 圖 5-2-1</b></p><p><b> 圖5-2-2</b></p><p><b> 圖5-2-3</b></p><p><b> 總結(jié)</b></p><p> 這次我所做的課題是直流脈寬可調(diào)電源的設(shè)計,該設(shè)
42、計電路的功能是用PWM調(diào)制方式來實現(xiàn)直流輸出電壓可調(diào)。電路由主電路與控制電路組成,主電路主要環(huán)節(jié):主電力電子開關(guān)與續(xù)流管??刂齐娐分饕h(huán)節(jié):脈寬調(diào)制PWM電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、檢測與故障保護電路。在主電路中電力電子開關(guān)器件采用GTR、IGBT或MOSFET。在本課程設(shè)計中,我是采用IGBT作為開關(guān)器件的三相橋式PWM型逆變電路來得到脈寬可調(diào)的直流直流電壓的。</p><p> 通過這次課程設(shè)計使我懂
43、得了理論與實際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來,從理論中得出結(jié)論,才能真正為社會服務(wù),從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題,可以說得是困難重重,這畢竟第一次做的,難免會遇到過各種各樣的問題,同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處,對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固。</p><p> 課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,
44、發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。因此在以后的課程設(shè)計中我會更加投入,好把握這些來之不易的機會。</p><p><b> 附錄</b></p><p><b> 總電路圖: </b></p><p> 圖1 直流脈寬調(diào)速電源</p>&l
45、t;p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> 1)石玉 栗書賢.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo).機械工業(yè)出版社,1998</p><p> 2)王兆安 黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)(第4版).機械工業(yè)出版社,2000</p><p> 3)浣喜明 姚為正.電力電子技術(shù).高等教育出版社,2000</p><p>
46、; 4)莫正康.電力電子技術(shù)應(yīng)用(第3版).機械工業(yè)出版社,2000</p><p> 5)鄭瓊林.耿學(xué)文.電力電子電路精選.機械工業(yè)出版社,1996</p><p> 6)劉定建朱丹霞.實用晶閘管電路大全.機械工業(yè)出版社,1996</p><p> 7)劉祖潤 胡俊達(dá).畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo).機械工業(yè)出版社,1995</p><p> 8)
47、劉星平.電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng).校內(nèi),1999</p><p> 電氣信息學(xué)院課程設(shè)計評分表</p><p> 指導(dǎo)教師簽名:________________</p><p> 日 期:________________ </p><p> 注:①表中標(biāo)*號項目是硬件制作或軟件編程類課題必填內(nèi)容;</p
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