直流斩波可逆调速系统电力电子课程设计报告 直流斩波可逆调速系统学院：信息科学与工程学院班级：姓名：学号：指导老师： 完成时间：2011年6月26日前言：电力电子课程设计的意义： 电力电子课程设计是电气工程及其自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，复习巩固本课程及其他课程的有关内容，对学生的实践能力的培养和实践技能的训练具有相当重要的意义。通过设计获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程及其自动化专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础，也便于学生加深理解和灵活运用所学的理论，提高学生独立分析问题、解决问题的能力，为毕业后的工程实践打下良好的基础。 直流斩波可逆调速系统简介：自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。与VM系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1. 主电路简单，需用的功率器件少；2. 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都比较小；3. 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4. 若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；5. 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高；6. 直流电流采用不控整流，电网功率因素比相控整流器高。由于以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态性能系统中，已完全取代了VM系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行，且经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。目录：一、课程设计内容与要求4二、主电路52.1 主电路的设计52.2主电路器件选择与参数计算82.2.1电动机参数计算82.2.2整流电路变压器的选择92.2.3电力二极管参数102.2.4滤波电容选择102.2.5 MOSFET的选择102.2.6续流二极管的选择112.2.7主电路电感的选择11三、缓冲电路与保护电路123.1 缓冲电路123.11缓冲电路设计123.1.2缓冲电路元件选择143.2保护电路15四、驱动电路17五、控制策略的选择215.1系统的控制方式215.2 H型变换器的控制方式选择235.3控制电路设计255.3.1转速调节器，255.3.2电流调节器265.3.3PWM波发生器26六、系统工作原理分析28七、波形分析与MATLAB 仿真29八、总结34九、参考文献35十、附图36一、课程设计内容与要求题目：直流斩波可逆调速系统的设计1. 直流电动机的参数：P=1.5KW, U=220V, I=8.7A, N=1500; 他逆，励磁电压U=200V, 电动机最大起动电流倍数1.52. 设计内容 主回路设计，参数计算，开关器件选择； 缓冲电路及保护电路的设计和元件的选择； 驱动电路的设计； 控制策略选择； 系统工作原理分析及波形分析。3. 设计基本要求根据设计题目要求，认真复习教材，阅读有关文献，设计手册及资料，独立按时完成任务，设计说明书要求简洁，通顺，计算正确，图表、图纸规范，符合工程设计要求。4. 编写课程设计说明书：1.前言 2.目录 3.正文 4.结论 5.参考文献。二、主电路2.1 主电路的设计直流斩波可逆调速系统首先要得到直流电源，因此在主电路中，要有将电网的交流电变换为直流电的整流电路。整流电路的选择：整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式、三相半波、三相桥式等多种整流电路。其中单相半波整流电路简单，但变压器二次侧电流中含有直流分量，造成变压器铁心直流磁化，因而不采用；单相全波、单相桥式整流电路也有电路简单的优点，但是输出脉动大。三相半波整流电路的主要缺点也是其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此很少应用。选择电容滤波的三相桥式不可控整流电路，其电路图如下： 图2-1三相桥式不可控整流电路可逆PWM变换器主电路选择：可逆PWM变换器主电路的结构形式有H型、T型等，T型电路由两个可控电力电子器件和两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。T型电路图如下：图2-2 T型电路H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型电路图如下： 图2-3 H型电路因此总体主电路由电容滤波三相不可控整流电路和H型可逆PWM变换器电路组成。总体主电路图如下： 图2-3主电路图2.2主电路器件选择与参数计算2.2.1电动机参数计算PN=1.5KW；UN=220V; IN=8.7A;nN=1500rpm; 他励励磁方式，励磁电压UL=200V;最大起动电流倍数为。则有：（1） 估算电枢电阻：（2） 计算（3） 计算（4） 计算空载转速（5） 计算启动电流2.2.2整流电路变压器的选择变压器变比 Ud=220 考虑占空比为90则 US=Ud/0.8=275V取 US=2.34U2 U2=US/2.34=117.5V考虑到10的裕量 U2=1.1*117.5=129.3V一、 二次线圈电流 I2=0.816Id*0.8=5.68A变比 K=U1/U2=220/129.3=1.7 I1=I2/K=3.34A考虑空载电流 取 I1=1.05*3.34=3.51A变压器容量计算 S1=3*U1I1=3*220*3.51=2316.6VA S2=3*U2I2=3*129.3*5.68=2203.3VA S=(S1+S2)/2=2060VA取变压器容量为SN=2000VA变压器连接方式变压器一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网，变压器二次侧接成星形，即选用D/Y接法。2.2.3电力二极管参数电力二极管的反向重复峰值电压URRM由以上计算U2=129.3V，电力二极管承受的反向重复峰值电压为2.45倍U2，同时考虑23倍的安全裕量，则URRM=3*2.45*129.3=950V.取URRM=1000V 。电力二极管的正向平均电流IF(AV)该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要适当取大些。 ID=0.577Id=0.577*8.7*0.8=4.02A IF(AV)=2*ID/1.57=2*4.02/1.57=5.12A2.2.4滤波电容选择 C1一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000F以上。因该系统负载不大，故取C1 为2500F 。电容的额定工作电压，UN取1.5倍电压峰值。 即： UN=1.5*2U23=1.5*1.414*129.3*1.732=453.8V .取UN=500V .2.2.5 MOSFET的选择MOSFET所承受的最大正反电压： um=6*U2=6*129.3=302.6V考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为： UVT=3um=3*302.6=908V经过MOSFET的平均电流为ID=0.9*IN=8.25A，因此流过MOSFET的电流有效值为8.25A，考虑到2倍的电流余量，则MOSFET的电流定额为： IVT=2*ID/1.57=10.51A所以，选择MOSFET的参数为，其电压定额为大于等于846V，电流定额大于等于10.51A的MOSFET 即可。2.2.6续流二极管的选择MOSFET所承受的最大正反电压： um=6*U2=6*129.3=302.6V考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为： UVT=3um=3*302.6=908V考虑2倍余量有，续流二极管额定电流为：IV(AT)=2*0.5*IN/1.57=7.84A因此，续流二极管可以选择其额定电压大于等于7.84A,额定电压大于等于846V。2.2.7主电路电感的选择为保证直流电机在可逆调速过程中电流连续范围比较大，可以选择电感值较大的电感，这里我们选择30mH的大电感。三、缓冲电路与保护电路3.1 缓冲电路3.11缓冲电路设计加入缓冲电路前后，MOSFET 开通与关断时输出特性如下图所示：图3-1 加入缓冲电路后波形MOSFET 的常用缓冲电路有以下两种形式 图3-2 图3-3开通缓冲电路的选择器件开通时，串联电感可以抑制电流的上升率di/dt，减少开关损耗，但是由于电感元器件体积庞大，一般情况下MOSFET开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以改善。关断缓冲电路结构的选择一般而言，在桥式功率电路中，应该选择桥式缓冲电路，以简化电路结构，改善缓冲效果。对于不同功率等级的应用，应考虑选择不同的缓冲电路结构，尽可能使电路结构简化。在中小功率容量的应用中，往往可并联一个吸收电容。若线路电感较小，也可以只在直流侧加du/dt抑制电路。设计如下图所示的缓冲电路 图3-4 MOSFET桥型接法缓冲电路3.1.2缓冲电路元件选择为了防止因电路存在杂散电感Ls而产生的瞬时过电压，应在漏极和源极两端采用RC缓冲电路进行过电压的保护。如下图所示，用于MOSFET漏源过电压保护的缓