中南大学电力电子课程设计Word文档格式.doc

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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 5

2.1主电路的设计 5

2.2主电路器件选择与参数计算 8

2.2.1电动机参数计算 8

2.2.2整流电路变压器的选择 9

2.2.3电力二极管参数 10

2.2.4滤波电容选择 10

2.2.5MOSFET的选择 10

2.2.6续流二极管的选择 11

2.2.7主电路电感的选择 11

三、缓冲电路与保护电路 12

3.1缓冲电路 12

3.11缓冲电路设计 12

3.1.2缓冲电路元件选择 14

3.2保护电路 15

四、驱动电路 17

五、控制策略的选择 21

5.1系统的控制方式 21

5.2H型变换器的控制方式选择 23

5.3控制电路设计 25

5.3.1转速调节器， 25

5.3.2电流调节器 26

5.3.3PWM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1.5

2.设计内容

①主回路设计，参数计算，开关器件选择；

②缓冲电路及保护电路的设计和元件的选择；

③驱动电路的设计；

④控制策略选择；

⑤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2-2T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2-3H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

=1.5KW；

8.7A;

他励励磁方式，励磁电压

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

①变压器变比

考虑占空比为90％

则=/0.8=275V

取=2.34

=/2.34=117.5V

考虑到10％的裕量

=1.1*117.5=129.3V

一、二次线圈电流

=0.816=5.68A

变比K==220/129.3=1.7

==3.34A

考虑空载电流

取=1.05*3.34=3.51A

②变压器容量计算

=3*=3*220*3.51=2316.6VA

=3*=3*129.3*5.68=2203.3VA

S=（）/2=2060VA

取变压器容量为=2000VA

③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

①电力二极管的反向重复峰值电压

由以上计算=129.3V，电力二极管承受的反向重复峰值电压为2.45倍，同时考虑2—3倍的安全裕量，则3*2.45*129.3=950V.

取=1000V。

②电力二极管的正向平均电流

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。

=0.577=0.577*8.7*0.8=4.02A

=2*/1.57=2*4.02/1.57=5.12A

2.2.4滤波电容选择

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2000以上。

因该系统负载不大，故取为2500。

电容的额定工作电压，取1.5倍电压峰值。

即：

=1.5*=1.5*1.414*129.3*1.732=453.8V.取=500V.

2.2.5MOSFET的选择

MOSFET所承受的最大正反电压：

*=*129.3=302.6V

考虑到3倍余量有，MOSFET的电压定额为：

3=3*302.6=908V

经过MOSFET的平均电流为=*=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：

=2*/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

①MOSFET所承受的最大正反电压：

*=*129.3=302.6V

3=3*302.6=908V

②考虑2倍余量有，续流二极管额定电流为：

=2**/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

①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。

②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3-4MOSFET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冲电路的电路图。

该电路中利用电容两端电压不能突变的特点，来起到缓冲作用。

其中所串的电阻用于限制缓冲电路所允许的最大电流。

1.缓冲二极管的选择：

缓冲二极管是RCD缓冲电路中的关键器件。

缓冲二极管的选择错误，可能产生较高的尖峰电压并在缓冲二极管反向恢复时，电压产生震荡。

缓冲二极管必须选择快恢复二极管，要选择过渡正向电压低、逆向恢复时间短、逆向恢复特性较软的快恢复二极管。

对于额定电流，至少不小于主电路期间的1/10。

所以选择额定电流为2A的快恢复二极管。

2.缓冲电容的选择：

缓冲电容及缓冲电阻的取值可实验确定也可以参考工程手册。

缓冲电容要选用高频特性优良的电容如薄膜电容器。

一般而言，除需要满足必须的电压等级之外，缓冲电容所必须的容量值可按下式估算

=

公式中：

L是主电路的分布电感；

是MOSFET关断时的集电