西南交大電力電子與電力傳動實訓(xùn)報告

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：75.1V/200W 半橋DC/DCFF關(guān)電壓源項目負(fù)責(zé)人： * 濤項目成員： 負(fù)責(zé)老師： 指導(dǎo)老師： 2014年12月11日項目成績：評閱人： 指導(dǎo)老師：年 月 日項目負(fù)責(zé)人:姓名學(xué)號項目成員：姓名學(xué)號項目成員：學(xué)號電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分， 其性能優(yōu)劣直接關(guān)系 到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。 由于開關(guān)電源本身消 耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍， 被廣泛用于電 子計算機(jī)、通訊、家電等各個行業(yè)。它的效率可達(dá)85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點， 是一種較理想的

2、穩(wěn)壓電源。本項目對半橋開關(guān)電壓源進(jìn)行了主電路、控制電路設(shè)計，進(jìn)行了開、閉環(huán)特性研究。項目根據(jù)電力電子技術(shù)課程對半橋 DC/DCfe壓源 主電路進(jìn)行了建模，采用控制策略為電壓單閉環(huán) PI控制。在建模的 基礎(chǔ)上在PSIM軟件中搭建模塊進(jìn)行了開、閉環(huán)仿真，開環(huán)仿真占空 比變化，輸出電壓平均值變化，通過改變占空比能線性調(diào)節(jié)輸出電壓； 閉環(huán)仿真下，輸入電壓變化時，半橋開關(guān)電源能恒定輸出給定電壓值， PWMf空比有變化，負(fù)載變化時，能輸出給定電壓值。在PESX-II電力電子與電力傳動開發(fā)平臺上構(gòu)建整個電路， 在不同條件下研究了開 關(guān)電源開、閉環(huán)性能，完成了實物實驗。在實物實驗下，開環(huán)系統(tǒng)能 輸出穩(wěn)定的直流

3、電壓，輸出電壓線性可調(diào)，閉環(huán)系統(tǒng)對輸入電壓變化 能穩(wěn)定輸出電壓，對負(fù)載變化能穩(wěn)定輸出電壓，驗證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。1、項目技術(shù)目標(biāo) 31.1 指標(biāo) 31.1.1 電壓 31.2 采用的技術(shù) 32、項目的主電路設(shè)計 42.1 主電路結(jié)構(gòu) 42.2 工作原理 42.3 器件參數(shù) 63、項目控制電路設(shè)計 73.1 控制電路設(shè)計基本原理 73.2 控制電路原理圖 73.3 工作原理 83.4 參數(shù)選擇 174、系統(tǒng)仿真 174.1 PSIM軟件介紹 174.2 主電路和控制電路模型 184.3 系統(tǒng)仿真 184.3.1 開環(huán)仿真 184.3.2 閉環(huán)仿真 214.3.3 開環(huán)與閉環(huán)對比 245、實驗

4、分析 255.1 電力電子與電力傳動開發(fā)平臺介紹 255.2 采用模塊 255.2.1 PESX-02 三相逆變橋 255.2.2 PESX-03 單相/三相整流橋 265.2.3 PESX-04 電容組件 275.2.4 PESX-T高頻變壓器 275.2.5 PESX-L1高頻濾波電抗器 285.2.6 PESX-21控制電源箱 285.2.7 PESX-22 電壓傳感器箱 295.2.8 PESX-23 IGBT 驅(qū)動箱 295.2.9 PESX-25 PWM控制箱 305.3 實驗過程 305.3.1 開環(huán)實驗 305.3.2 閉環(huán)實驗 326、結(jié)論、問題和體會 356.1 結(jié)論 35

5、6.2 問題 366.3 體會 361、項目技術(shù)目標(biāo)本項目半橋開關(guān)電壓源輸入為直流電，經(jīng)變換電路輸出可調(diào)直流電。閉環(huán)系統(tǒng)下能穩(wěn)定輸出給定電壓。1.1 指標(biāo)1.1.1 電壓輸入電壓：DC408V電壓波動土 15%輸出電壓：DC75.1V恒壓精度：優(yōu)于5%電壓調(diào)整率：優(yōu)于5%負(fù)載調(diào)整率：優(yōu)于5%輸出功率：200W1.2 采用的技術(shù)1）輸入直流電由三相交流電經(jīng)二極管整流橋得到；2）控制系統(tǒng)為電壓單閉環(huán)控制；3） PWM控制板以專用PWM控制芯片SG3525為核心，可用于多種 DC/DC 電源變換器控制（升壓斬波器、降壓斬波器、反激開關(guān)電源、正激開關(guān)電源、半 橋開關(guān)電源和橋式開關(guān)電源）和直流電機(jī)調(diào)速系

6、統(tǒng)控制，可以實現(xiàn)各種信號的監(jiān) 測、保護(hù)和反饋，控制板上有多種跳線，可實現(xiàn)開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)多種控制 功能；4） IGBT驅(qū)動電路以2SD315-AI專用IGBT驅(qū)動模塊為核心，外加工作電源過 欠壓檢測、短路保護(hù)設(shè)置、上下橋臂信號互鎖以及故障信號恒流源變換等功能；5）電壓傳感器采集輸出電壓，使用的傳感器是 NV25-P,它采用霍爾感應(yīng)原理，可測量任意波形電壓。2、項目的主電路設(shè)計2.1 主電路結(jié)構(gòu)圖2-1主電路主電路變壓器輸入兩個橋臂一個是電容橋臂，另一個是IGBT橋臂，變壓器二次側(cè)用聯(lián)。電容兩端輸出電壓。2.2 工作原理當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時，電源及電容 C2上儲能經(jīng)變壓器傳遞到二次側(cè)，同

7、時電源經(jīng)變壓器、S2向C1充電，C1儲能增加；反之,S1開通、S2關(guān)斷時，電 源及C1上儲能經(jīng)變壓器傳遞到二次側(cè)，此時電源經(jīng) S1、變壓器向C2充電，C2 儲能增加。S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為 Ui/2的交流電壓， 變壓器二次側(cè)電壓經(jīng)D1、D2整流，L、C濾波后即得到直流輸出電壓。改變開關(guān) 的占空比，就可改變二次側(cè)整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uoo S1、 S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為 Ui。電流連續(xù)時工作過程：工作狀態(tài)1:開關(guān)S1導(dǎo)通時，二極管D1處于通態(tài)，電感電流流經(jīng)變壓器繞 組2、二極管D1和濾波電容C及負(fù)載R,電感電流增長。工作狀態(tài)2:開關(guān)S1、S2都處于

8、斷態(tài)，變壓器繞組1中的電流為零，根據(jù) 變壓器的磁動勢平衡方程，繞組 2和繞組2'中的電流大小相等、方向相反，所 以D1和D2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。電感 L的電流逐漸下降。工作狀態(tài)3:開關(guān)S2導(dǎo)通時，二極管D2處于通態(tài)，電感電流流經(jīng)變壓器繞組2'、二極管D2和濾波電容C及負(fù)載R,電感電流增長圖2-2工作原理波形由于電容的隔直作用，半橋型電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成 的變壓器一次側(cè)典雅的直流分量有自動平衡的作用，因此，該電路不容易發(fā)生 變壓器偏磁個直流磁飽和的問題。為了避免上下兩開關(guān)在換相過程中發(fā)生短暫的同時導(dǎo)通而造成短路損壞開 關(guān)，每個開關(guān)各自的占空比不能超過

9、50%,并留有裕量。當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時Uo=w2*ton/(w1*Ts)*Ui2.3 器件參數(shù)快恢復(fù)二極管：由于半橋開關(guān)電源電壓變化快，所以為了使輸出電壓恒定，減少紋波，選用快恢復(fù)二極管。根據(jù)實驗室的現(xiàn)有設(shè)備， 選用的型號如下：型號：DSEI 2X101V_RRM : 1200V I_FAVM : 2X91A Trr : 40ns普通三相整流橋：型號：MDS100-12V_RRM 1200V I_D : 100A 輸入橋臂電容：/&入電壓為650V,橋臂電容對稱，每個電容需承受650/2=325V的電壓。根據(jù)實驗室的現(xiàn)有的器件，選用電 容為： 型號：930C12W3-3K 額定電壓：

10、DC1200V 額定容量：3uF 額定紋波電流：5.6A(20kHz , 85 C)IGBT型號：輸入電壓為650V,在半橋開關(guān)電源中，IGBT工作時所需承受的最大電壓為輸入電壓為 Ui,即為650V,所以根據(jù) 實驗室的條件，IGBT選用型號如下： BSM50GB120DN2 最高輸入直流電壓： 700V 門極控制電壓：± 20V高頻變壓器：由于半橋開關(guān)電源屬于高頻變換電源， 開關(guān)電壓較高，所以需要高頻變壓器，根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，選用型號如下： 額定功率：3kW(®率 16KHZ) 額定輸入電壓：265V(方波幅值) 輸入電壓范圍：265V± 10%額定輸入電流：

11、16A 次邊輸出電壓1： DC110V（欠邊并聯(lián)）次邊輸出電流1： 32A（次邊并聯(lián)）次邊輸出電壓2: DC220V（欠邊串聯(lián)）次邊輸出電流2: 16A（次邊串聯(lián)）輸出濾波電感：0.9mH輸出濾波電容：560uF3、項目控制電路設(shè)計3.1 控制電路設(shè)計基本原理圖3-1控制電路基本原理控制系統(tǒng)為電壓單閉環(huán)控制。給定電壓與輸出電壓比較輸入PI控制器，得到占空比信號，與三角波比較后得到 PWMF號,PWM1號經(jīng)驅(qū)動電路輸出到主電 路控制開關(guān)。PI能根據(jù)輸出電壓變化自動調(diào)節(jié)占空比，從而控制輸出電壓達(dá)到 給定電壓值。3.2 控制電路原理圖電路圖由電源指示和保護(hù)單元、給定單元、給定積分器、電壓/速度調(diào)節(jié)器

12、、PWM空制器、輸出電壓檢測和保護(hù)單元、故障鎖定單元、直流電壓檢測和圖3-2控制電路原理圖保護(hù)單元、電流檢測和保護(hù)單元組成。如圖 3-2所示、1 :舂=''.三3.3工作原理圖3-3電源指示和保護(hù)單元原理圖電源指示和保護(hù)單元的原理如圖 3-3所示。輸入VCC+15V)和VSS(-15V)都經(jīng)F1和F2可恢復(fù)保險后有兩個防反二極管 D8和D9,電源接反時，電源經(jīng)防 反二極管短路，保險斷開，保護(hù)了控制板和電源。電源接線正常時，電源指示燈 L1和L2亮?？刂瓢宄霈F(xiàn)短路或過載時，保險斷開，保護(hù)電源。給定單元：圖3-4是給定單元的原理圖。給定單元的電壓是由 SG3525內(nèi)部 產(chǎn)生一個穩(wěn)定

13、性能穩(wěn)定的5V電壓源，有板上給定和面板給定兩個，兩個給定通 過兩個二極管取大輸出。當(dāng)調(diào)試時，可采用板上給定，調(diào)節(jié)電位器RP1調(diào)節(jié)給定 的大小，給定由D1輸出。采用外部給定時，可將 PR1的輸出調(diào)到0V,外部給定 由V-ref通過D2輸出為給定。外部給定可以用一個電位器接上 JK1上調(diào)節(jié)。Vtuf 5 V來自35 25的5V就四川玉：R 1RPI給定V mF圖3-4給定單元給定積分單元：給定積分器的功能是讓給定信號按一定的上升或下降斜率加 到調(diào)節(jié)器的輸入作為參考指令 Ur,以防止上升指令變化太快對大慣性系統(tǒng)的沖 擊。上升斜率小，上升時參考指令慢慢增大，下降斜率大，下降指令快速減小。 這樣既能限制

14、指令上升速度，減小上升時的電流沖擊，又能保證減速時的安全。給定圖3-5給定積分器給定積分器的原理可以由上升和下降兩個過程來分析。其中三個運行放大器分別用作比較器（U1A、積分器（U1。和反向器（U1A。給定為0時，三個放 大器輸出都0V,當(dāng)給定為某一值U1時運行放大器U1A輸出最小值-13.8V,二極 管D3導(dǎo)通，電容C1經(jīng)D3 R8恒流充電，放大器U1C的輸出由0線性增大，放 大器U1B是反向器，其輸出將由0V線性減小。當(dāng)U1B的輸出與給定大小相等方 向相反時，U1A的輸入為0,輸出也為0V,又tC1的充電流停止，C1兩端電壓不 變，輸出Ur也不變，此時輸出Ur與給定相等。只要給定不變，輸出

15、一直不變。二極管導(dǎo)通電壓按0.7V計算，則上升斜率可計算為：13.8-0.72xl06x4xl0-=1.64(K/S)給定減小到0V時，放大器U1A的輸出為最大值13.8V, C1由D4和R7反充 電，開始下降過程。放大器U1C的輸出線性減小，放大器U1B的輸出負(fù)線性增大， 當(dāng)U1B的輸出為0V時，U1A的輸出為0V, C1反充電停止，U1C的輸出維持為0 不變。下降斜率可計算為：_13.8-07200x10?x4xl0-6=0.164(17$)可見下降速度上升速度的10倍。圖3-5中R13與WD晌成輸出電壓限位，將輸出電壓限制在-0.75V。電壓/速度調(diào)節(jié)器：電壓/速度調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，將

16、給定信號Ur和和反饋 信號Uf之差通過比例積分運算，生成控制量UC*控制電壓/速度達(dá)到給定值。圖 3-6中R14 R17和C3構(gòu)成PI參數(shù)，R14與R17之比為比例系數(shù)，R14和C13之 積的倒數(shù)為積分系數(shù)。圖3-6 PI調(diào)節(jié)器圖中R16的電阻值很大，主要是控制運放的增益，抑制振蕩， C4容值很小 起到高頻濾波作用，輸出R18和穩(wěn)壓管WD如成輸出電壓限位，讓其控制在-0.7 5V之間。PWM6制器：PWM6制器采用的是常用SG3525 是PWM6制器的典型代表。 其能生產(chǎn)100kH-500HzM路互補(bǔ)PWMc沖信號，開關(guān)頻率和兩路脈沖死區(qū)可調(diào)節(jié)。 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，內(nèi)部集成

17、輸入電壓欠壓保護(hù)、5.1V精密參考 電源、頻率振蕩器、誤差放大器、PWMI號生成和分配器、推挽輸出，還集成了 軟起動端和電源開關(guān)控制功能。SG3525的這些結(jié)構(gòu)和功能可滿足多種 DC/DC變 換器用途（半橋、全橋、正激、反激、斬波控制），應(yīng)用非常廣泛。具應(yīng)用電路 如圖3-7。誤差放大器：誤差放大器實際是一個單電源高寬帶的運算放大器，可以連接 成一個PI調(diào)節(jié)器。圖3-8中構(gòu)成一個PI調(diào)節(jié)器，圖中在誤差放大的輸出端增加 了一個電容C13用作頻率補(bǔ)償，相當(dāng)于積分器的作用。GIUMKD 12，上1.； IS03 WRFumjitj 1ft j 4h YNL JJ NOH7J-LLJUTVU1 A_TL

18、fMrm'I H- JuVtrrJVTTU1 %Lf，rtrn-c'T it圖3-7 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)El!流環(huán)和開環(huán)選擇SYNC(nil*2 2nFL>SC<-TRTJIS< IISOTTJUP4CH"IlkR2U6 J CQVWI fC IDV4 (LN414B35OUTAIkMl-wrCMInFLuR24 50k CBut'_|_DlbAIN4L4IC7一| 崢，Rzl Mik心圖3-8 SG3525的應(yīng)用電路振蕩器和死區(qū)：電阻R19 R21和電容C11決定開關(guān)頻率，近似計算公式 為：/=!CJ0.7 凡g+3&J兩路輸出

19、脈沖間設(shè)有一個互鎖時間或叫死區(qū)， 以防止用作橋式開關(guān)電源驅(qū)動時一 個橋臂上的兩個功率管直通短路。脈沖死區(qū)時間大約為：33c軟啟動：軟起動端外接一個電容器 C12,電源通電起動時，內(nèi)部一個恒流源 給電容充電，控制輸出脈沖慢慢由窄變寬。軟起動的功能是防止起動時引起的電 流沖擊，在用于開關(guān)電源控制時，軟起動還可防止起動過程引起的磁通飽和。軟 起動端也可用作故障保護(hù)對電源實施關(guān)閉。 此控制板的電壓、電壓保護(hù)信號都是 在軟起動端進(jìn)行保護(hù)的。當(dāng)故障要保護(hù)時，將軟起動端拉為低電平。采用軟起動 端對電源進(jìn)行關(guān)斷可在故障清除后下次電源重新起動時實現(xiàn)軟起動。電源欠壓保護(hù)：由一個帶有回滯的電源比較器對輸入電源進(jìn)行監(jiān)

20、控，當(dāng)輸入 電壓低于7V時，電源停止工作參考電源：將外部供電電源穩(wěn)壓在 835V時，片內(nèi)內(nèi)置一個電壓5.1V,精 度±1%勺低溫漂精密電壓源，可向外提供 50mA電流。此電源經(jīng)常作為輸出電壓 的給定信號，外接一個濾波電容 C9濾除諧波，保證電源給定脈動小。電源控制端：對電源進(jìn)行起?？刂疲诒Ｗo(hù)電源控制端加上高電平時， 電源 停止工作，當(dāng)加上低電平時，電源開始工作。由電源控制端對電源進(jìn)行控制起動 時，沒有軟起動過程，因此控制板中沒有用電源控制控制電源起停， 直接用一個 電阻R22接地。PW嘛出極：兩個PW喻出極采用圖騰柱結(jié)構(gòu)，輸出信號是互補(bǔ)，并且有死 區(qū)，輸出峰值電流達(dá)500mA輸出極

21、的這種結(jié)構(gòu)形式使其用于驅(qū)動 MOSFE時十 分方便，同時對小功率應(yīng)用，通常不要外接驅(qū)動器，由PWM1制器直接驅(qū)動或加 隔離脈沖變壓器驅(qū)動。當(dāng)然也可為大功率 IGBT驅(qū)動器提供控制信號?？刂瓢迨?用于給IGBT驅(qū)動器提供PWM&號，電路中分別電阻R25和R26,其輸出的是10mA 電流信號給驅(qū)動器的光耦輸入極。兩個PW喻出極還各用有一個二極管， 這樣兩個輸出極可以分別驅(qū)動IGBT 驅(qū)動器，也可以直接并聯(lián)驅(qū)動一個IGBT驅(qū)動器（斬波器時用一個驅(qū)動器）。二極 管的作用上防止兩輸出直接并聯(lián)時，兩個 PWM&號間電流，增加了電源的損耗。輸出電壓保護(hù)單元過壓指示圖3-9電壓檢測和保護(hù)單元圖

22、3-9是輸入電壓檢測和保護(hù)的原理圖，其用于DC/DC空制時對輸出電壓進(jìn) 行過電壓保護(hù)。電路分電壓檢測、電壓比輸和故障信號輸出三個部分組成。電壓檢測：電壓檢測由運算放大器 U2A電阻R3。R31、R32和R33構(gòu)成一 個差模放大器，其中 R30=R31 R32=R33輸出電壓直接檢測是通過大阻值電阻 R31和R31先將電電壓轉(zhuǎn)化為電流信號，再利用運算放大器原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。U2A的輸出電壓為：A30R32其中Uin是加在+OU林口-OUT間的電壓差。二極管D10和D11將運算放大器的輸出電壓嵌位在土 0.7V,對運放進(jìn)行保護(hù)。電壓比較：比較器由運算放大器 U2B電阻R34 R36 R37 R3s R

23、38和R39 組成，是一個帶有滯環(huán)的比較器。 R36和R37將電源電壓VCC!行分壓，U2A的 輸出是負(fù)信號，U2B的輸入6和5間的電壓大小決定出決定了其輸出。當(dāng)輸出電 壓低時，6腳電位較5腳高，U2B輸出為負(fù)飽和（電源電壓15V時，負(fù)飽和輸出 為-13.5V,正負(fù)飽和的+13.5V）,當(dāng)輸出電壓增大時，6腳電位下降，當(dāng)?shù)陀?5 腳時，U2B輸出正飽和，給故障輸出極提供 13.5V電壓。R38和R39構(gòu)成電壓滯 環(huán)，使5腳的電位在輸出正飽和和負(fù)飽和時有一個差， 構(gòu)成為比較轉(zhuǎn)換點的回差， 防止比較器在比較轉(zhuǎn)換點的來回振蕩。故障輸出：故障輸出級由三極管 Q1、電阻R41、R43和LED指示L3組成

24、， 其功能完成故障信號的電平轉(zhuǎn)換和顯示故障。當(dāng)沒有過壓時，U2B輸出為-13.5V,Q1發(fā)射極受到負(fù)電壓而關(guān)斷，故障輸出為高電平；當(dāng)輸出過電壓時，U2B輸出為 +13.5V, Q1發(fā)發(fā)射極有電流流過而導(dǎo)通，故障輸出為0電平，同時指示燈L3亮。 電阻R4限制Q1發(fā)射結(jié)電流，D1將Q1發(fā)射結(jié)電壓限制在-0.7V以上。R42用于 限制LED的電流。輸入直流電壓保護(hù)單元：輸入電壓保護(hù)單元的原理如圖 3-10所示，由電壓 檢測和過壓比較兩個部分構(gòu)成，其功能是對輸入電壓的過壓保護(hù)和指示。 當(dāng)輸入 電壓高于設(shè)定值時，比較器輸出高電平去控制故障開關(guān)封鎖 PWM1號。輸入直流電仄檢酬 H 魁一去故障封攬開 力上

25、"""jik 輸入過壓指示圖3-10輸入電壓保護(hù)單元輸入電壓保護(hù)單元的電壓檢測和比較器的原理可以參見輸出電壓保護(hù)單元的說明，只是在此用的比較器沒有設(shè)滯環(huán)電流保護(hù)單元：電流保護(hù)單元原理如圖3-11所示，由比例放大、限流單元、 過流比較、過流故障輸出四部分組成，其功能是實現(xiàn)輸出限流和過電流保護(hù)。圖3-11電流保護(hù)單元比例放大：電流檢測是通過電流傳感器，其輸出的是電流信號，經(jīng)過電阻 RF轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過 R44和C20進(jìn)行濾波。運放U2c電阻R45 R46和 R47組成放大器對電流信號放大同時有阻抗變換的作用。放大后和電流信號可以用作電流反饋、電流限制和過電流保護(hù)

26、。限流控制：放大后的電流信號經(jīng)過電位器 POT份壓，經(jīng)過穩(wěn)壓管和電阻R45 控制Q3開通和關(guān)斷。當(dāng)POT1分壓大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管擊穿Q3開通， Q3開通將PWM6制器的軟起動端的電壓拉低，減小 PW毗度，減小輸出電流， 實現(xiàn)限流控制。過流比較：如果電流限制沒有起作用，電流會上升，這時過流保護(hù)要起作用。 放大電電流信號和由R52和R51分壓后的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)電流放大信號大 于基準(zhǔn)電壓時，運放U2D輸出+13.5V,控制故障開關(guān)輸出為低電平。過流故障輸出：過流故障輸出和顯示由三極管 Q5電阻R55 LED指示L6 組成。當(dāng)U2D前出+13.5時，Q5通過，輸出低電平，同時過流指示

27、L6亮。故障封鎖單元：當(dāng)故障發(fā)生后要能封鎖 PWM&號，關(guān)斷IGBT,否則為使功 率器損壞。故障封鎖單元原理圖如圖3-12所示，由RS觸發(fā)器和故障封鎖開關(guān)兩 部分構(gòu)成，功能是在輸出過壓、過流和短路信號發(fā)生后能封存故障，關(guān)閉 PWM 信號，關(guān)斷IGBT。泊miln即輸IH過流/過樂/短路指東圖3-12故障封鎖單元原理圖RS觸發(fā)器：輸出過流信號、輸出過壓信號及從驅(qū)動板來的IGBT短路信號（都 是低電平）經(jīng)過U5所口 U5助口在由U5Cffi U5DS成的RS觸發(fā)器的置一端，使RS 觸發(fā)器輸出為高電平開通故障開關(guān) Q2采用RS觸發(fā)器能在故障信號消除后仍能 保持PWM1號封鎖狀態(tài)，以避免頻繁故

28、障和保護(hù)動作對功率器件及其它器件的損 壞。故障封鎖：故障封鎖由三極管Q2及電阻R54 R60和R61組成。當(dāng)故障封存 的RS觸發(fā)器輸出高電平時，Q2導(dǎo)通將PWMI制器的軟起動端接為低電平，封鎖 PW嘛出。此外輸入過壓彳S號也可直接控制 Q2,在輸入過壓時封鎖PWM1號。多閉環(huán)轉(zhuǎn)換：在研發(fā)和調(diào)試過程中，要對開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)進(jìn)行調(diào)試。 電路PCB®上有不同跳線實現(xiàn)不同環(huán)的轉(zhuǎn)換。開環(huán)控制：當(dāng)跳線器JUP2和JUP峨通時，PWMI制器的誤差放大器工作在 電壓跟狀態(tài)，調(diào)節(jié)給定電位器，可以調(diào)節(jié)PWM:生器的比較電壓，調(diào)節(jié)PW麻出 信號的寬度，實現(xiàn)開環(huán)控制。跳線設(shè)置如下：單閉環(huán)控制：斷開跳線器

29、 JUP4合上JUP2和JUP3可實現(xiàn)電流環(huán)控制；斷 開跳線器PU2,合上JPU1和JPU4可實現(xiàn)電壓環(huán)控制；雙閉環(huán)控制：斷開跳線器 JUP4和JPU2合上JUP1和JUP3可實現(xiàn)電壓/速 度與電流環(huán)的雙閉環(huán)控制。上述閉環(huán)轉(zhuǎn)換時，PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)要根據(jù)控制對象不同而調(diào)節(jié)3.4參數(shù)選擇控制電源：+15V/0.5A、-15V/0.3A外部給定電壓：DC 0-5V電流傳感器取樣電阻：100歐電壓傳感器取樣電阻：100歐速度反饋輸入：DC 0-5VPWME動輸出信號：14mAIGBT故障輸入信號：5-20mAOUT+f OUT電流：1mAUC+f UC電流：1mA4、系統(tǒng)仿真4.1 PSIM 軟件介

30、紹PSIM是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。PSIM全稱 Power Simulation 。 PSIM是由 SIMCAD?口 SIMVIEMR個軟件來組成的。PSIM具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的 解析、控制系統(tǒng)設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。它將半導(dǎo)體功率器件等效為理想開關(guān)，能夠進(jìn)行快速的仿真，對于初學(xué)者來說更容易掌握。是專門針對電力電子及電機(jī)拖動開發(fā)的專用仿真軟件。4.2 主電路和控制電路模型圖4-1仿真模型仿真參數(shù)：主電路部分：輸入直流電壓：408V輸入支撐電容：3uF濾波電感： 0.9mH濾波電感： 560uF負(fù)載電阻：

31、 27.8 Q控制電路部分：輸入 R (x) =75.1Kp=0.05Ki=1004.3 系統(tǒng)仿真4.3.1 開環(huán)仿真1)輸入電壓為408V, PW峨占空比為0.4787時，預(yù)期得到的輸出電壓為105V。經(jīng)仿真，得到輸出電平均值為104.84V ,恒壓精度為|105-104.84|/105=0.152%。輸出電壓的有效值為104.84V,輸出電流的有效值 為4.194A,所以輸出的功率為 104.84*4.194=439.7W。圖4-2輸入電壓為408V, PW瞰占空比為0.4787時輸出電壓Oscilloscope - SCOPE1圖4-3輸入電壓為408V, PW/占空比為0.4787時雙

32、路PW啦圖4-4 輸入電壓為 408V, PW眼占空比為 0.4787時IGBT CE間電壓Tii-M 閨圖4-5輸入電壓為408V, PW瞰占空比為0.4787時變壓器原邊、次邊電壓2 )輸入電壓為408V, PW限占空比為0.4285時，預(yù)期的輸出電壓平均值為 94V,經(jīng)系統(tǒng)仿真可以知道輸出電壓的平均值為93.858。恒壓精度為(94-93.858 )/94=0.151%。TiE |畤圖4-6輸入電壓為408V, PW瞰占空比為0.4285時輸出電壓Oscillosccpe - SCOPE!圖4-7 輸入電壓為 408V, PW瞰占空比為 0.4285時雙路PW瞰我們可以看到，當(dāng)占空比變化

33、時，輸出電壓的值也變化了。所以開環(huán)仿真占 空比變化，輸出電壓平均值變化，通過改變占空比能線性調(diào)節(jié)輸出電壓。4.3.2閉環(huán)仿真1 ）輸入電壓為408V,負(fù)載為27.8 Q ,給定電壓為75.1V,輸出電壓平均值為75.099V ,輸出電壓非常接近給定電壓，|75.1-75.099|/75=0.00133% 。輸出電壓的有效值為 75.099V,恒壓精度為輸出電流有效值為2.7A,所以輸出功率為75.099*2.7=202.76W ,符合設(shè)計條件00.4Tim M0.B口 3圖4-8輸入電壓為408V時輸出電壓電流Oscilloscope - SCOPE1圖4-9輸入電壓為 408V時PW喊2 ）

34、減少輸入電壓為372V,給定電壓為75.1V,輸出電壓平均值為75.0996V,輸出電壓仍能非常接近給定電壓。恒壓精度為|75.1-75.0996|/75.1=0.000532%。輸出電壓的有效值為 75.0997V,輸出電流的有效值為2.7A,所以輸出功率為75.0997*2.7=202.76W ,符合設(shè)計要求。由于輸入減少，為使輸出不變，PI控制器輸出PW瞰占空比略有變大。4圖4-10輸入電壓為372V時輸出電壓電流OFF圖4-12負(fù)載增加時輸出電壓電流圖4-11輸入電壓為 372V時PW瞰出電壓為平均值為75.0997V,恒壓精度為|75.1-75.0997|/75.1=0.000399

35、% 。輸出電壓有效值為75.0997V,輸出電流有效值為1.33A,所以輸出功率為99.88WAPWM空比減小3）輸入電壓為408V,給定電壓為75.1V,負(fù)載由27.8 Q增加為56.5 Q ,輸Oscilloscope - 5COPE1Name 15copEiJ| DC 句 &>d 一配加scaleOffeeiCater1nLe" JChannel ASoflie |5OTniViv 母Stole 150 口 eV 心1vj Offeei 一 三 CdcrI| M AC | Gnd |OscillD&cape - 5COPE1 AuE sc*圖4-13負(fù)載增

36、加時PW眼閉環(huán)仿真下，輸入電壓變化時，半橋變換器能恒定輸出給定電壓值，PWW空比有變化；電壓調(diào)整率為|75.099-75.0996|/75.099=0.000799% 。優(yōu)于5% 恒 壓精度非常好！負(fù)載變化時，能輸出給定電壓值，說明閉環(huán)系統(tǒng)性能良好，能穩(wěn)定工作。負(fù)載調(diào)整率為75.099-75.0997|/75.099=0.000932% 。優(yōu)于5% 恒壓精度非 常好！根據(jù)仿真我們可以看到，符合設(shè)計要求。4.3.3開環(huán)與閉環(huán)對比通過對系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)的控制，我們可以知道，在開環(huán)時，輸出電壓為75.1V的情況下，開環(huán)的恒壓精度為 0.146%,閉環(huán)的恒壓精度為 0.0003478% 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開環(huán)

37、，證明閉環(huán)情況下，輸出電壓波動更小，輸出更精確。當(dāng)負(fù)載變化 時，為使得輸出電壓不變，pwM空比會跟著變化，始終使得電壓恒定。開環(huán)時 則沒有這項功能。加入pi控制后，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，輸出電壓的恒壓精度更高了。5、實驗分析5.1 電力電子與電力傳動開發(fā)平臺介紹實驗室共有兩種類型的開發(fā)平臺“ PESX-I電力電子與電力傳動開發(fā)平臺” 和“PESX-II電力電子與電力傳動開發(fā)平臺" II型與I型相比，在DSP空制箱、 IGBT驅(qū)動以及交流機(jī)組做了較大升級改動。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，其中控制模塊分為專用芯片控制、單片機(jī)控制和DSP空制三

38、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PW慳流器、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(jī)（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)。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。

39、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MCUF口 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。5.2 采用模塊5.2.1 PESX-02£ 相逆變橋1）功能在門極控制信號作用下，將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?。可用于?三相逆變,直流斬波，半/全橋變換電路。圖5-4高頻變壓器實驗箱面板2）面板PESX-02H相逆變橋C1 ；1 El C3 G3 E3 C5 G5 E5 24V0zitx©曲C2

40、 G2 E2 C4 a4 £4 C6 G6 E6 J4VG網(wǎng)同圖的怛目第蝴碗時O圖5-1三相逆變橋?qū)嶒炏涿姘?.2.2 PESX-03單相/三相整流橋）功能將交流電變?yōu)橹绷麟?。箱體內(nèi)裝兩種整流橋：第一種：快恢復(fù)單相整流橋。用于半橋或全橋變換電路輸出整流;第二種：普通三相整流橋。用于三相工頻整流。2）面板PESX-03單相/三相整流橋普過三相暨流橋快恢復(fù)單相整流橋.I05.2.3 PESX-04電容組件1）功能本實驗箱由兩種電容先串聯(lián)后再并聯(lián)組成。一種由無感電容組成，用于半橋變換電路，作為半橋支撐電容?；蛴糜?AC/AC電路中輸出LC濾波的濾波電容。 另外一種由電解電容組成，用于整流輸

41、出濾波。2）面板圖5-3電容組件實驗箱面板5.2.4 PESX-*頻變壓器1 ）功能本變壓器設(shè)計用于半橋變換電路中，可通過次邊線圈串并聯(lián)實現(xiàn)輸出電壓的 變化。2）面板PESX-L2高頻變壓器F* n L *1alxla2乂:AXa1x1fO) (O ) ( O J (O )2 a2x2(o) (o)5.2.5 PESX-L信頻濾波電抗器1）功能本高頻濾波電抗器設(shè)計用于單相或三相逆變電源的輸出回路中，作為輸出LC濾波回路的濾波電感L。也可用于三相輸入電路中，作為輸入濾波電抗器使用2）面板PESX-L1高頻濾波電抗器A1 *；* XIA2 -,'丁'；'* X2A3 

42、9;Y丫Y丫>- X3Al XI A2 X2 A3 X3> " H.、尸 J fjH fJi-uf i. 、fj)(O 1(O)(Oj(o)圖5-5高頻濾波電抗器實驗箱面板5.2.6 PESX-21控制電源箱1）功能本實驗箱是將交流220V變?yōu)橹绷?V, ±15V, 24V,以便給控制系統(tǒng)提供工 作電源。2）面板PESX-21控制電源箱書M GND M+1網(wǎng)麗0 5A-15VrAfiNC 15A輸出電壓,電流核例的1:1*+24V.GND:0 5A +5V 聞2:0一砧+ 2/甯於MWiHP帚曲？0®©®®©&#

43、169;'：5.2.7 PESX-22電壓傳感器箱1）功能本實驗箱用于測量任意波形電壓。當(dāng)原邊輸入電流10mA寸，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。2）面板PESX-22電壓傳感器箱UII1UO>U21 K122 U31U32O3同上船卷昌0圖5-7電壓傳感器實驗箱面板5.2.8 PESX-23 IGBT 動箱1）功能本箱體內(nèi)裝三路IGBT驅(qū)動電路。它以2SD315-AI專用IGBT驅(qū)動模塊為核 心，外加工作電源過欠壓檢測、短路保護(hù)設(shè)置、上下橋臂信號互鎖以及故障信號 包流源變換等四部分電路。從控制板輸出的驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動板隔離放大后直

44、接 驅(qū)動IGBT模塊，同時將檢測到的IGBT短路或過流、工作電源過欠壓等故障信號 以電流方式返回到控制板。2）面板PESX-23 IG8T驅(qū)動單元箱圖5-8 IGBT驅(qū)動實驗箱面板5.2.9 PESX-25 PWM6 制箱1）功能PWM6制板以專用PWM6制芯片SG3525為核心，可用于多種 DC/DC電源變 換器控制（升壓斬波器、降壓斬波器、反激開關(guān)電源、正激開關(guān)電源、半橋開關(guān) 電源和橋式開關(guān)電源）和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制?？刂瓢辶粲须妷?、電流和速度接口，可以實現(xiàn)各種信號的監(jiān)測、保護(hù)和反饋， 控制板上有多種跳線，可實現(xiàn)開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)多種控制功能?？刂瓢迳线€ 有給定積分積分單元，專供直流調(diào)

45、速控制。2）面板PESX-25 哺*13VLi油見附4微 Q00船的船的的00中的既10的毋老0+Igv-1RU1MJ IFFJHVTMTJCMl MGCP M «A CM） OS版喇困a隰嚙一函雨粥串雕相回圖5-9 PWM控制實驗箱面板5.3實驗過程5.3.1 開環(huán)實驗1）主電路接線正確的情況下，將 PWM6制箱跳線器JUP2和JUP4接通時， 誤差放大器工作在電壓跟隨狀態(tài)。2）給控制電源箱上電，調(diào)節(jié)給定電位器 RP1,可以改變PWMg生器的比較 電壓，調(diào)節(jié)PW喻出信號的寬度，從而控制占空比大小，實現(xiàn)開環(huán)控制。$k 兒 Wd一:-圖5-11雙路PW眼死區(qū)時間為6us,達(dá)到要求。每路

46、PWMft占空比不能超過0.5。3）合上主電路漏電流斷路器，主控制臺左側(cè)斷路器，給主電路通電，按壓 主電路啟動按鈕，注意此時調(diào)壓器一定左旋到頭。4）緩慢右旋調(diào)壓器，增大輸入電壓，用示波器觀測并記錄輸入電壓值，輸 出電壓值，IGBT集電極C射極E之間電壓波形，變壓器原邊、次邊電壓波形。PWMfe占空比為0.483PWMfe占空比為0.427輸入電壓408V408V輸出電壓105V94V功率400.9W317.8W表5-1開環(huán)實驗數(shù)據(jù)M 附£ OlDOQfCURSORRefE 5J00V SjOOwa相或觀 由四汨曲 V OlOOVM25.01K9-Dec-M 16:32cm/-

47、1;»v <10Hr圖5-12 輸出電壓105V時的PW眼占空比圖5-13輸出電壓105V圖5-14 輸出電壓94V時的PWMb空比圖5-15輸出電壓94V5）實驗結(jié)束后將調(diào)壓器左旋到頭，按壓主電路停止按鈕，斷開主電路漏電流斷路器。105V開環(huán)仿真開環(huán)實驗占空比0.47870.483輸入電壓408V408V輸出電壓104.84V105.3V功率407.0W1410.67W恒壓精度0.152%0.2857%94V開環(huán)仿真開環(huán)實驗占空比0.4285F0.4269輸入電壓408V408V輸出電壓93.858V94.1V功率326.27W327.95W恒壓精度0.151%0.106%結(jié)

48、論：當(dāng)減小輸出電壓時，PWM占空比會變小，且開環(huán)仿真與開環(huán)實驗相差不 大，皆可滿足設(shè)計要求！5.3.2 閉環(huán)實驗1）在主電路接線正確的情況下，斷開 PWM6制箱跳線JUP2,合上JUP1和 JUP4,合上JUPa電壓信號通過JUP8反饋給出。2）合上主電路漏電流斷路器，主電路通電，按壓主電路啟動按鈕，注意此時調(diào)壓器一定左旋到頭。3）緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器，用萬用表觀測U1第13腳-反饋電壓值和12腳-給定電壓值，通過調(diào)節(jié)電位器RP1的電阻值，改變給定電壓值大小，當(dāng)給定與反饋電壓 值相近，即電壓閉環(huán)控制實現(xiàn)。4）增大輸入電壓值，觀測并記錄輸出電壓、電流、占空比的變化趨勢，用 SlopAt 340DjJS i 23.411 kHz 道 «0mV光標(biāo)1CURSOR 類型 幽 信源Mffl*M Pos: O.OOfl*5岫SMmC：圖5蒯RefB SJQOV Wmi營 clDHr光標(biāo)