電力電子課程設計

1、2004級電力電子技術課程設計報告姓 名： 學 號： 班 級： 指導老師： 專 業(yè)： 設計時間： 2007-7升降壓斬波電路在直流可逆電動機的運用摘要：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的應用特點，并對由SG3525控制，通過升降壓斬波電路來實現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電路進行了分析和實驗。關鍵詞：升降壓斬波電路 SG3525 直流脈寬調(diào)速本文介紹了通過斬波電路來實現(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，當此變換器對直流電動機供電時，只要對MOSFET進行實時的PWM 控制，就可實現(xiàn)電機的四象限運行。此斬波電路中I

2、GBT的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設計及調(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)制信號作為驅(qū)動信號，由兩個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兩點間，直流斬波電路上端接P點，下端接N點，中點公共端(COM)(如圖1所示)。若使COM端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可

3、使電機正轉。若T2截止，T1周期性地通斷，在T1導通的T。 時間內(nèi)，形成電流回路PT1一AB-N，此時UAB>0， AB>0；在T1截止時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，電機工作在正轉電動狀態(tài)(第一象限)，T1，D2構成一個Buck變換器。若T1截止，T2周期性地通斷，在T2導通的T。 時間內(nèi)，形成電流回路AT2一B_A；在T2截止時，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UAB>()，lABd0，電機工作在正轉制動狀態(tài)(第二象限)，T2，D1構成一個Boost變

4、換器。只要改變T1，T2導通時間的大小，即改變給T1，T2所加門極驅(qū)動信號脈沖的寬度，即可改變UAB和IAB的大小調(diào)控直流電動機的轉速和轉矩。若使COM 端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機工作在正轉電動或制動狀態(tài)(I，象限)，若使COM端與B相接而A端接N，可使電機工作在反轉電動或制動狀態(tài)(II，IV象限)。正轉或反轉狀態(tài)電機電樞繞組的連接通過狀態(tài)開關進行切換。這樣僅用兩個開關器件就可實現(xiàn)電機的四象限運行。電機的轉速經(jīng)測速發(fā)電機以及FBS(轉速變換器)輸出到ASR(轉速調(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、反饋信號進行比較作為系統(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)器再通過一個反號器的輸出電壓的極性必須為正，轉速調(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為正，最后轉速調(diào)節(jié)器的給定選擇了負極性的可調(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，突加負載動態(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構，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，當某一對二極管導通時，輸出直流電壓等于交流側線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。    設二極管在距線電壓過零點角處開始導通，并以二極管VD6和VD1開始導通的時刻為時間零點，則線電壓為      uab= U2sin()    而相電壓為   &#

7、160;  ua= U2sin(/6)    在t = 0時，二極管VD6和VD1開始同時導通，直流側電壓等于uab；下一次同時導通的一對管子是VD1和VD2，直流側電壓等于uac。這兩段導通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時導通之前VD6和VD1是關斷的，交流側向直流側的充電電流id是斷續(xù)的，如圖1所示，另一種是VD1一直導通，交替時由VD6導通換相至VD2導通，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。假設在t2/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)生。   

8、60;以上討論過程中，忽略了電路中諸如變壓器漏抗、線路電感等的作用。另外，實際應用中為了抑制電流沖擊，常在直流側串入較小的電感，成為感容濾波的電路，如圖4a所示。此時輸出電壓和輸入電流的波形如圖4b所示，由波形可見，ud波形更平直，而電流i2的上升段平緩了許多。這對于電路的工作是有利的。當L與C的取值變化時，電路的工作情況會有很大的不同，這里不再詳細介紹?？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 時的

9、電流波形。對一個確定的裝置來講，通常只有R是可變的，它的大小反映了負載的輕重。因此可以說，在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是R= （C）。    RC > 時，交流側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，即可推導出交流側線電流 ia 的表達式，在此基礎上可對交流側電流進行諧波分析。由于推導過程十分繁瑣，這里不再詳述。    以上分析的是理想的情況，未考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。當考慮上述電感時，電路的工作情況發(fā)生

10、變化,其電路圖和交流側電流波形如圖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的交流側電流波形。將電流波形與不考慮電感時的波形比較可知，有電感時電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負載的加重,電流波形與電阻負載時的交流側電流波形逐漸接近。2.主要數(shù)量關系    (1)輸出電壓平均值 空載時，輸出電壓平均值最大，為 。隨著負載加重，輸出電壓平均值減小，至RC = 進入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡線，其平均值為Ud=2.34U2。可見，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，當負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    在一個電源周期中，id有6個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，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為核心構成，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關電源，斬波器的控制。其內(nèi)部包含精密基準源、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電路。SG3525外圍電路接線圖見 圖2。圖2 SG3525外圍電路接線圖LM1413是一種復合晶體管(達林頓電路)陣列驅(qū)動器，增益和耗散功率大，可靠性高。本電路中用它來放大SG3525第11，14引腳輸出到MOSFET的驅(qū)動信號并防止誤驅(qū)動。SG3525的內(nèi)部電路和參數(shù)：LM1413內(nèi)部電路和參數(shù)14 實驗方法對于轉速調(diào)節(jié)器ASR

13、，本系統(tǒng)是給定為負極性，反饋為正極性。當電機正反轉時要求轉速調(diào)節(jié)器反饋的電壓極性總是為正極性，因此電機正反轉時FBS單元的輸出應總是正電壓。本系統(tǒng)中的FBS單元有兩個輸出電壓為不同極性的端子，閉環(huán)時FBS單元輸出為正電壓的一端應作為轉速調(diào)節(jié)器的反饋。因此本系統(tǒng)在加上雙環(huán)之前要進行開環(huán)實驗以確定FBS單元的輸出極性哪一個為正，具體實驗步驟如下：(1)把面板上的鈕子開關撥到開環(huán)，并把ASR單元的給定電壓直接接到PWM單元的輸人端(在面板上用導線短接)，F(xiàn)BS單元的輸人接到測速發(fā)電機的輸出，逐漸加大給定電壓并用萬用表測出FBS兩個輸出端(A)，(B)的極性哪一個為正，并記錄；(2)加上雙環(huán)，把面板上

14、的鈕子開關撥到閉環(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信號的波形，記錄波形、頻率和幅值；(4)分別觀察兩個脈沖變壓器二次側的電壓波形，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，起動電機，并逐步加上額定負載進行調(diào)速實驗。注意觀察給定電壓，導通比與轉速的關系。MOSFET驅(qū)動電路：此圖給出了電力MOSFET的一種驅(qū)動電路，它包裹電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V1導通輸出負驅(qū)動電壓。當有信號輸入A時輸出正電平，V2導通輸出正驅(qū)動電壓。 電機正反轉控制電路主電路采用可逆PWMM的雙極式H型電路。運用4個C2655晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路，靠晶體管導通和關閉的占空比D來實現(xiàn)電動機調(diào)速的目的，輸出端的電位極性不同可以使電機正轉和反轉。應用中應盡量提高斬波頻率，減少電流的脈動。14 實驗結果圖3，圖4是本直流脈寬調(diào)速雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負載，突減負載時的電流，轉速波形圖，可以看出系統(tǒng)突加負載動態(tài)速降低，具有較硬的機械特性和較好的抗干擾性，而且運