中南大学电力电子课程设计(共35页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上前言: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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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=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1
7、0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23倍的
8、安全裕量,则3*2.45*129.3=950V.取=1000V 。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=5.12A2.2.4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
9、.2.5 MOSFET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*3
10、02.6=908V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
11、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,
12、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
13、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关断时的集电极电流;是缓冲电容电压的最终值;U 是直流母线电压。3. 缓冲电阻的选择:对于缓冲电阻性能的要求是:在MOSFET进行关断动作时,能将缓冲电容上积聚的电荷及时放电。如果将缓冲电阻值设定得过低,缓冲电路中可能产生振荡。MOSFET关断时,以放电90的积聚电荷为条件,可以用以下公式估算出缓冲电阻值 公式中:f是功率期间的开关频率。3.2保护电路保护电路过电压保护、过电流保护、短路保护。主电路中过电压主要是泵升电压问题,在电气传动系统中,当电动机由于减速等原因
14、而处于再生制动状态,传动系统中所储存的机械能会经过电动机转换成电能,并通过功率器件回馈到直流母线侧。这些能量一般储存在功率主电路的储能元件中,如不存在能量释放电路,将会导致直流母线侧电压升高,升高的这部分电压称为泵升电压。除此之外,还存在由于功率器件开关所导致的瞬时过电压。瞬时过电压主要是关断过电压以及换相过电压。关断过电压是在主功率器件关断时,正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压;换相过电压是与主功率器件反方向并联的二极管在换相结束后不能立即恢复阻断,有较大的反向电流流过,当恢复了阻断能力时,该反向电流急剧减小,会由线路电感在器件两端感应出过电压。过电压保护电路英具有抑制以上
15、各种过电压的能力。过电流保护电路过电流保护可以分为过载保护和短路保护两种情况。功率主电路中串联快速熔断器,快速熔断器作为第一保护措施,一般仅在短路电流较大的区域起到保护作用。有电流检测环节、比较器、交流接触器及其线圈控制电路等构成过电流保护电路,一般的方式是,当检测电流为非正常过载电流使比较器翻转,进而切断交流接触器的控制线圈通电回路,使交流接触器断开,从而实现主电路与电源的完全分断。在这样的过电流保护电路中,一般需要通过光电耦合电路将交流接触器控制线圈的驱动电路和其保护电路隔离。保护电路图如下图所示: 图3-5 保护电路接线图四、驱动电路鉴于对mosfet的驱动,由于其开关速度快,工作频率高
16、,且为电压驱动,选择驱动电路时,最重要的是选择其驱动频率能够满足要求,正常的驱动mosfet管。因此在这里我们选用光耦合器进行驱动,由于TLP521工作频率低,工作速度慢,转换电流大等原因,而高速耦合器6N137可以克服以上的缺点,因此我们选择了6N137作为本系统的驱动芯片。 光耦合器的优点:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(
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