電力電子實訓(xùn)20111650

1、電氣工程學(xué)院2011級電力電子與電力傳動實訓(xùn)報告項目名稱： 直流降壓斬波電壓源(110v/500w) 項目負(fù)責(zé)人： 伍翔20111650 項目成員： 吳兵彭開晟 負(fù)責(zé)老師： 郭育華 盧國濤 指導(dǎo)老師： 郭育華 2014年 12月 31項目成績：評閱人：指導(dǎo)老師： 年 月 日項目負(fù)責(zé)人：姓名 伍翔 學(xué)號20111650 項目成員：姓名 吳兵 學(xué)號20111647項目成員：姓名 彭開晟 學(xué)號20111662直流降壓斬波實驗摘要本項目完成了110V/534W直流降壓（Buck電路）斬波實驗中電壓的開環(huán)和閉環(huán)控制實驗。實驗項目初始階段主要進(jìn)行Buck降壓電路方案的理論研究以及電路初始設(shè)計。接著利用Ma

2、tlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真，通過對電路參數(shù)多次的調(diào)整和修正，最后得到符合要求的仿真波形。完成仿真設(shè)計后經(jīng)預(yù)約進(jìn)入實驗室，對電路設(shè)計進(jìn)行實物驗證。在實驗臺進(jìn)行電路實物連接，并不斷調(diào)試，最終得到電壓開環(huán)和閉環(huán)控制較為穩(wěn)定的輸出。最后測量所需的實驗數(shù)據(jù)，并記錄相應(yīng)的實驗波形。關(guān)鍵字： Buck電路 開環(huán) 閉環(huán)目錄、項目技術(shù)目標(biāo)11.1指標(biāo)1、項目的主電路設(shè)計1.方案確定1.主電路設(shè)計方案2.工作原理3.4參數(shù)選擇4、項目的控制電路設(shè)計6.控制電路方案6.控制電路工作原理10、系統(tǒng)仿真104.1 開環(huán)控制10.閉環(huán)控制125、實驗分析135.實驗平臺介紹135.1.1系統(tǒng)參數(shù)145.1

3、.2系統(tǒng)構(gòu)成155.2斬波控制箱接線165.3開環(huán)實驗195.4閉環(huán)實驗206實驗總結(jié)體會2223電力電子與電力傳動實訓(xùn)報告直流斬波電壓源、 項目技術(shù)目標(biāo)本項目為降壓型斬波實驗，實驗?zāi)繕?biāo)為將輸入電壓源降壓后輸出，并穩(wěn)定輸出電壓，負(fù)載大小變化和輸入電壓產(chǎn)生較大波動時，依舊能夠保持負(fù)載兩端的電壓穩(wěn)定。采用電壓反饋控制模式實現(xiàn)穩(wěn)壓。1.1指標(biāo)系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)目標(biāo)：輸入電壓：DC200V，電壓波動±15%輸出電壓：DC110V ,輸出功率：1kW恒壓精度：優(yōu)于5%電壓調(diào)整率：優(yōu)于5%負(fù)載整率：優(yōu)于5%、 項目的主電路設(shè)計.方案確定電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電

4、路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路，設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2.1 Buck斬波電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主

5、電路工作。控制電路中的保護(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。.主電路設(shè)計方案根據(jù)所選課題設(shè)計要求設(shè)計一個降壓斬波電路，可運用IGBT開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的Buck降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。Buck降壓電路如圖2-2所示：圖2.2 Buck降壓電路.工作原理直流降壓斬波主電路使用一個全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓，電感電流I上升。電路工作時波形圖如圖2-3所示：圖2.3 B

6、uck降壓電路波形圖工作狀態(tài)1（0t1時段）：開關(guān)S處于t0時刻接通，并保持通態(tài)到t1時刻，在這一階段，電感點段的電壓UL=Ui-Uo，由于Ui>Uo，故電感L的電流不斷增長。二極管處于斷態(tài)。工作狀態(tài)2（t1t2時段）：開關(guān)S于t1時刻斷開，二極管D導(dǎo)通，電感兩端的電壓UL=-Uo，電感通過D徐留，電感電流不斷減小。直到t2時刻開關(guān)S再次接通，下一個開關(guān)周期開始。根據(jù)上面的分析可得出電感兩端的電壓平均值為 (2-1)式中，UL為電感兩端的電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值；TS為開關(guān)周期，TS=ton+toff；ton為開關(guān)處于通態(tài)的時間。根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件下電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)平均值為零的

7、基本原理，在電感電流連續(xù)的條件下，可以推導(dǎo)出降壓型直直變換器電路的輸出、輸入電壓比與開關(guān)通、斷時間比間的關(guān)系。令=0有 （2-2）式中，D為占空比，定義為開關(guān)到同時間與開關(guān)周期的比，即D=ton/TS。由于，因此，降壓型電路的輸出電壓不可能高于其輸入電壓，且與輸入電壓極性相同。.4參數(shù)選擇考慮到實驗安全性的原則加上現(xiàn)已有實驗設(shè)備各元件參數(shù)，結(jié)合電路需要進(jìn)行各元件參數(shù)選擇。2.4.1電源電壓源：200V2.4.2開關(guān)電子開關(guān)：選用已有的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為開關(guān)。因IGBT綜合了雙極性GTR導(dǎo)通壓降低、阻斷電壓高、電流容量大以及單極性PMOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定好的優(yōu)

8、點，目前已廣泛應(yīng)用于500kw以下的中等功率變換器，如逆變器、高頻整流器、直流穩(wěn)壓電源以及UPS系統(tǒng)中。IGBT的單管容量可達(dá)400A-600A/1200V-1800V，開關(guān)頻率可達(dá)20KHz，通態(tài)壓降可降至1.5V。大容量、高頻化是IGBT發(fā)展的主要方向本次實驗取Ts=1KHz2.4.3二極管其承受最大反壓200V，其承受最大電流趨近于10A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。這里取選用快速恢復(fù)二極管。2.4.4電感根據(jù)電感電流連續(xù)時電感量臨界值條件Lc=1-DR2TS=(1-110200)×252×11000=5.6mh經(jīng)過閉環(huán)電路的調(diào)試L取6mh可以基本達(dá)到要求2.4

9、.5電容由于本次實驗要求電壓波動±15% ，根據(jù)電壓波動公式 得LC2.6uFH經(jīng)過調(diào)試取L=510uf2.4.6負(fù)載因為當(dāng)輸出電壓為110V左右時，假設(shè)輸出2-5A由 可得負(fù)載電阻阻值22-55歐姆之間，取實驗室最小負(fù)載252.4.7 限幅額度上閾值1V，下閾值0V。2.4.8 三角波頻率頻率取值為1kHz、 項目的控制電路設(shè)計.控制電路方案控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：1.保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間，稱為脈沖寬度調(diào)制；2.保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，成

10、為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3.導(dǎo)通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因為斬波電路有這三種控制方式，又因為PWM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行控制。對于控制電路的設(shè)計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因要求輸出電

11、壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生芯片，我們選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖3.1所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。圖3.1 SG3525引腳圖其SG3525的11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級

12、差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。SG3525有過流保護(hù)的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護(hù)電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進(jìn)行過流保護(hù)，同理也可以用10端進(jìn)行過壓保護(hù)。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負(fù)載輸出電壓，通過1端的變

13、位器得到它的一個基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)生變化時能夠通過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得1端得到不同的基準(zhǔn)電位，控制輸出脈寬的占空比。由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ： 式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。需要頻率為1kHz，所以由上式可取=0.4F, = ,=?？傻胒=1kHz 圖3.2 控制電路.控制電路工作原理預(yù)設(shè)電壓與通過電壓傳感器傳回負(fù)載兩端的電壓Uo做比較，差值通過PI調(diào)節(jié)后進(jìn)行限幅，送入比較器與方波進(jìn)行比較。從比較器輸出

14、比較結(jié)果的PWM波（A處）送入IGBT驅(qū)動電路，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通關(guān)斷。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓高于預(yù)設(shè)電壓時，得到一個負(fù)電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)與限幅后，比較器講之與方波做比較，得到一個周期不變，占空比減小的PWM信號。根據(jù)公式2-2，可知，Uo將降低。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓低于預(yù)設(shè)電壓時，得到一個正電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)與限幅后，比較器講之與方波做比較，得到一個周期不變，占空比變大的PWM信號。根據(jù)公式2-2，可知，Uo將升高。由上可得，通過反饋控制電路自動工作，負(fù)載電壓將穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓附近，從而保證輸入電壓和負(fù)載變化的情況下，輸出電壓的穩(wěn)定。、 系統(tǒng)仿真4.1 開環(huán)控制圖4.1開環(huán)控制電路 輸出電壓109.6V占

15、空比55%.閉環(huán)控制圖4.2閉環(huán)控制圖4.3閉環(huán)的波形設(shè)定輸入電壓220V，參考電壓為110V，得到的閉環(huán)輸出電壓為110V左右。但功率還在500W左右，閉環(huán)控制所得波形與開環(huán)波形對比可知加入PI調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)的動靜態(tài)特性得到了明顯的改善，輸出帶負(fù)載能力較強，輸出較為穩(wěn)定。開環(huán)的系統(tǒng)由于阻尼系數(shù)比較小，所以出現(xiàn)了震蕩環(huán)節(jié)，而校正后的閉環(huán)曲線在很短的時間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定，即系統(tǒng)的快速性比較好5、實驗分析5.實驗平臺介紹“PESX-電力電子與電力傳動開發(fā)平臺”是為研究電力電子與電力傳動技術(shù)而研制的通用開發(fā)平臺。開發(fā)平臺由主電路模塊、負(fù)載模塊、傳感器、電源模塊、驅(qū)動模塊和控制模塊六大類構(gòu)成，其中控制模塊

16、分為專用芯片控制、單片機控制和DSP控制三種層次。常用的電力電子與電力傳動系統(tǒng)（如整流電源、斬波電源、逆變器電源、大功率開關(guān)電源、三相 PWM整流器、 H型斬波器、直流傳動、交流傳動等）都可以在平臺上實現(xiàn)，控制系統(tǒng)可根據(jù)開發(fā)者個人能力和喜好來選取。開發(fā)平臺具有如下特點： 1)采用模塊式結(jié)構(gòu)。主電路、控制、電源、傳感器等模塊都采用獨立的模塊結(jié)構(gòu)，且模塊完全開放，開發(fā)可根據(jù)自己需要，象積木一樣搭建自己的系統(tǒng)。 2)控制系統(tǒng)多層次?？刂颇K由專用控制器（TC787/SG3525）、單片機（MCU+CPLD）和 DSP（F2812）三類組成，滿足多種主電路結(jié)構(gòu)和不同層次的開發(fā)要求。 3)采用先進(jìn)技術(shù)。

17、平臺中除有傳統(tǒng)技術(shù)之外，還采用先進(jìn)的技術(shù)和器件。主模塊采用 IGBT。IGBT采用 Concept公司的專用驅(qū)動（國際上使用最廣泛）、控制器采用高性能單片 MCU和 DSP，平臺適用于先進(jìn)技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)。 4)考慮多種輔助功能。開發(fā)平臺可提供多種輔助功能，如隔離的示波器供電電源、交直流電流和電壓表、連接導(dǎo)線等，給開發(fā)者提供方便。 5.1.1系統(tǒng)參數(shù) 1)輸入電壓：三相 AC380V+地； 2)總功率：5KVA； 3)整流變壓器：3.5KVA； 4)隔離變壓器：1KVA； 5)勵磁變壓器：500VA。 5.1.2系統(tǒng)構(gòu)成 實驗平臺用于擺放各種實驗箱，內(nèi)部配保險、隔離開關(guān)、主電源開關(guān)、電源指

18、示、變壓器等，面板配交流電流表（380V 3只）、交流電壓表（380V 3只）、直流電壓表（300V、750V各 1只）、直流電流表（30A 2只）、可調(diào)勵磁電源，實驗臺下部用于存放各種電路功能模塊。主電路模塊：1) PESX01 三相全控橋； 1臺 2) PESX02 三相逆變橋； 1臺 3) PESX03 單相/三相整流橋； 1臺 4) PESX04 交直流電容組件； 1臺 5) PESX05 脈沖功放； 1臺 6) PESX06 同步變壓器； 1臺 7) PESX-L1 高頻濾波電感； 1臺 8) PESX-L2 工頻濾波電感； 1臺 9) PESX-T 高頻變壓器； 1臺 控制電路模塊

19、 ：1) PESX21 控制電源箱； 1臺 2) PESX22 電壓傳感器箱； 1臺 3) PESX23 IGBT驅(qū)動單元箱； 1臺 4) PESX24 三相整流控制箱； 1臺 5) PESX25 PWM控制箱； 1臺 6) PESX26 單片機控制箱； 1臺 7) PESX27 DSP控制箱； 1臺 負(fù)載 ：1) PESX-LA 可調(diào)負(fù)載電阻箱； 1臺 2) PESX-DAM 交直流機組 1臺傳感器 1)補償式電流傳感器 30A 3只 2)電壓傳感器（10mA/ 25mA） 3只 3)高頻電流互感器（20A/100 mA） 1只 4)光電編碼器（1000線） 1只 5)力矩傳感器（50NM）

20、 1只 5.2斬波控制箱接線l PESX-25 PWM控制箱接線PESX-25 PWM控制箱左上角一排+15、-15V、+GND三個接線端子分別接到PESX-21控制電源箱的+15、AGND、-15V、AGND、注意將電源箱的兩個模擬地連在一起。輸出的反饋電流信號通過電流傳感器輸出接到MHA1,由于電流傳感器額定電流為30A，在測量小電流的情況下，為了獲得較大的電流反饋信號，也可將輸出電流聯(lián)線在電流傳感器上繞35匝。輸出反饋電壓信號經(jīng)過電壓傳感器箱接入UF。輸出的PWM信號經(jīng)過DRA和DRB接出，如果需要增大占空比，可將DRA和DRB出現(xiàn)端并聯(lián)在一起。PWM波形發(fā)生器SG3525，其振蕩頻率由

21、電阻R19、R21和電容C11決定，近似計算公式為：兩路輸出脈沖間設(shè)有一個互鎖時間也叫死區(qū)，以防止用作橋式變換器驅(qū)動時一個橋臂的上下兩個功率管直通短路。脈沖死區(qū)時間大約為：在降壓斬波器中，可以將DRA和DRB連在一起，增大占空比范圍。升壓斬波器中最好只用一路脈沖。l PESX-28 多相IGBT驅(qū)動箱接線本箱體內(nèi)裝4路完全獨立的IGBT驅(qū)動器，可任選一路使用。假設(shè)使用A路驅(qū)動器。將A路驅(qū)動器的+15V、GND兩個接線端子分別與PESX-21控制電源箱+15、AGND相連。若進(jìn)行降壓斬波實驗，從PWM控制箱輸出的信號接到INA1，GND與驅(qū)動電路的GND相連。若進(jìn)行升壓斬波實驗，從PWM控制箱輸

22、出的信號接到INA2，GND與驅(qū)動電路的GND相連。l 斬波脈沖接線把PESX-28 多相IGBT驅(qū)動箱A路輸出的C1，G1，E1和C2，G2，E2分別接入PESX-07多相逆變橋的C1，G1，E1和C2，G2，E2。一般地，對于未使用的IGBT，要求用零電平或負(fù)電平將其封鎖，對于驅(qū)動箱中驅(qū)動器，當(dāng)工作模式設(shè)定為直接方式后，若某一路沒有輸入信號，其輸出自然為-10V。為了防止干擾G1與E1，G2與E2 雙絞。l 電流傳感器接線首先，把電流傳感器右側(cè)+、-極兩個接線端子分別接到PESX-21控制電源箱的+15V、-15 V接線端子。電流傳感器中間接線端子接入PESX-25 PWM控制箱的中上一排

23、的MHA1接線端子。l 電壓傳感器接線電壓傳感器箱用于測量任意波形電壓。當(dāng)原邊輸入電流10mA時，次邊輸出25mA。本實驗箱中一共有三個相同的電壓傳感器，每個電壓傳感器接線相同。首先，把PESX-22電壓傳感器的+15V、-15V、MHV1接線端子分別按標(biāo)號對應(yīng)接到PESX-23 PWM控制箱的中上一排+15V、-15V、UF接線端子。PESX-22電壓傳感器箱中一共有三個電壓傳感器，本實驗只需要一個電壓傳感器。把PESX-22電壓傳感器的U11、U12接線柱分別接到直流輸出側(cè)的正極、負(fù)極，輸出的反饋電壓信號經(jīng)過電壓傳感器MHV接線端子接入PESX25 PWM控制箱的UF接線端子。如果反饋信號比較小的話，可以選擇性的把R2和R4，或者R1和R3用線短路；如圖4-1所示。另外兩路，類似處理。5.3開環(huán)實驗主電路接線正確時，將PESX-25 PWM控制箱跳線器JUP2和JUP4接通,進(jìn)行開環(huán)實驗。電路開環(huán)輸入輸出電壓及脈沖給定波形如圖5-1，5-2所示。圖5.1圖5.2以上實驗波形及數(shù)據(jù)可以整理得到開環(huán)實驗的數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1 開環(huán)實驗數(shù)據(jù)開環(huán)改變輸入電壓控制信號 T=78us輸入電壓UiV輸出電壓UoV導(dǎo)通時間usUoUi占空比圖（1）2401023442.5%43.5%圖（3）240401417.