电力电子课程设计报告

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电力电子课程设计报告

课程名称：

设计题目：

班 级：

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指导教师：

设计时间：

目录

一、设计方案 ............................................. 3

1.1设计题目 . .......................................... 3

1.2主要技木指标和要求 . ................................ 3

1.3方案选择及电路工作原理； . .......................... 4

二、主电路设计说明 ....................................... 5

2.1 主电路结构 ....................................... 5

2.2 参数计算 ......................................... 5

三、控制电路设计说明 ..................................... 6

3.1 PWM波形发生器 . .................................... 6

3.2 开通延迟电路 ...................................... 7

3.3 自举电路 .......................................... 7

3.4 稳压电源 .......................................... 7

四、 Simulink仿真（选做） ................................ 8

五、 调试过程及结果分析 .................................. 9

5.1 调试过程 ......................................... 9

5.2 调试结果 ......................................... 10

5.3面包板实物图 . ..................................... 14

六、收获与体会 .......................................... 15

七、参考文献 ............................................ 16

一、设计方案

1.1设计题目：

直流PWM 驱动电源的设计

1.2主要技木指标和要求；

技术指标：

1）、被控直流永磁电动机参数：额定电压20V ，额定电流1A ，额定转速2000rpm 。

2）、驱动系统的调速范围：大于1：100。

3）、驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s 。

技术要求：

1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H 桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM 作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564) 。

2）PWM 控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲分配电路）。

3）IPM 接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟电路，及上桥臂驱动电源的自举电路）。

4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。

1.3方案选择及电路工作原理；

本文设计的H 型单极性同频可逆直流PWM 驱动电源由四部分组成：主电路，H 型单极模式同频可逆PWM 控制电路，IPM 接口电路及稳压电源。同时具有软启动功能，软启动时间为2s 左右。控制原理如图1所示：

功率转换电路

脉宽调制电路以SG3525为核心，产生频率为5KHz 的方波控制信号，占空比可调。经用门电路实现的脉冲分配电路，转换成两列对称互补的驱动信号，同时具有5us 的死区时间，该信号驱动Ｈ型功率转换电路中的开关器件，控制直流永磁电动机。稳压电源采用LM2575-ADJ 系列开关稳压集成电路，通过调整电位器，使其稳定输出15V 直流电源。

二、主电路设计说明

2.1 主电路结构

S2

图1 主电路原理图

电路由交流电源、隔离变压器、整流桥、滤波电容、负载组成，工频电源经降压变压器降压后，由二极管整流桥整流输出，再经电容滤波后供给负载。四只功率器件构成H 桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到＋或－的直流电压。本次设计中斩波部分H 桥不采用分立元件，而是选用IPM （智能功率模块）PS21564来实现。

2.2 参数计算

整流桥二极管的通态压降∆U diode =0.7V，IPM 模块中IGBT 的饱和通态压降∆U IGBT =1.6V，限流电阻为1Ω/1W。

由主电路图可知：

整流电路输出电压U 2'包括电机两端电压U L 、开关管IGBT 通态压降和

电阻R 3、R 4的压降，即：

U 2'=I(R3+R4)+2∆U IGBT +UL =25.2V

1.2U 2 –2∆U duide = U2'⇒ U2 =22.17V

变压器变比：k=U1/ U 2 =220V/22.17V=9.92

三、控制电路设计说明

3.1 PWM波形发生器

PWM 波形发生器采用芯片SG3525，内部结构如图2所示。

图2 PWM波形发生电路

SG3525的5管脚CT 端外接振荡0.02u F 电容，产生5kHz 的脉冲信号；电位器中间抽头接芯片2管脚，用以调节输出PWM 信号的占空比；由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，将11、14管脚短接实现输出并联使用，从13管脚通过外部上拉电阻输出V1、V4驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动V2、V3，以达到0～1.0的占空比调整范围；8管脚与地之间接2s 33uF 的电容（此处用实验室现有的22uF 电容代替），实现上60ms/uF

电之后2s 的软起动；16管脚输出5V 参考电压给门电路芯片供电。

3.2 开通延迟电路

为防止同一桥臂，上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，应设计两路驱动信号的开通延时电路，即利用RC 移相电路后，为每路驱动信号产生5us 左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用反向器74LS04。移相环节中的R 和C 的取值，应根据5us 的延迟时间来计算，电容指定C 指定为0.01uF ，R 可采用电位器，以便于调试。

3.3 自举电路

IPM 模块控制部分的接口信号中除了H 桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在IPM 内部的4个器件的驱动电路的供电电源，为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1和V3的驱动电源采用单电源的自举式供电。自举电容C=1uF，自举电阻R=20 。

3.4 稳压电源

设计一个DC 15V的控制电源，为SG3525及IPM 模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采用LM2575T －ADJ 系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压33V 作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V 的直流电源。LM2575T 的封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL 电路的5V 工作电源可直接取自SG3525的内部参考电源管脚。电路图如图3所示。

图3 15V 稳压电源电路

各参数选择如下：

电感L=330mH，电阻分别选择20K 的变阻器和1K 的定值电阻，输出稳压电容C=330uF，输入电容C=100uF，滤波电路中二极管选择IN5819。

四、 Simulink 仿真

图4 simulink仿真图

五、 调试过程及结果分析

5.1 调试过程

（1）先调试控制板上的15V 稳压电源电路。将控制板的接口1、2与主电路板相连。再将LM2575插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，控制板将获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，能得到输出为15V 的直流电压。

（2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将SG3525插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，通过示波器的观察，可以获得频率为5KHz ，占空比可在0～1之间调节的脉宽调制信号。

（3）调试两路驱动信号的开通延时电路。首先将74LS04插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2 开关，闭合S1 开关，给控制板上电。然后调节两路开通延时电路的电位器，使两路驱动信号之间有5μS 的开通延时。观察最终的输出驱动信号，可见其逻辑满足设计要求。

（4）测试IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的接口1、2与主电路板相连。在模拟盒上断开S2 开关，闭合S1 开关，给控制板上电。测量得到通过自举电路提供的上桥臂驱动电源电压在14V 左右，满足条件。

（5）在模拟盒上断开S2 开关，闭合S1 开关，给控制板上电。将驱动信号的占空比调整到70％附近。闭合S2 开关，接通H 桥的直流电源，可以看到电机运转起来了。调节占空比，电机能够调速；将驱动信号的占空比调整到30％附近，电机能实现正反转，且具有软启动性能。

5.2 调试结果

下图为整个系统的连线图：

AC 220V图4 调试系统组成图

调试盒上面安放2个开关、2个指示灯和1个电流表，其面板如图5所示。S1用于开关总电源，L1为其上电指示灯。S2用于接通或断开H 桥的直流电源（可用于电机的启停控制），L2为其上电指示灯。电流表M1用于检测负载电流。主电路中H 桥（即IPM 模块）前串入的电阻R1和R2，阻值各为5欧姆，用于限制短路电流，保护IPM 。Ra 为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为1欧姆），用于观测电枢电流的波形。

图5 调试盒的面板 1、电阻负载

（1）、观察电阻两端电压。随着占空比的改变，电阻上的电压也相应改变。占空比的调节范围为0%—97%。其中占空比为0%时，输出电压平均值 0.144V；占空比97.0%时，输出电压平均值29.7V 。

（2）、电阻上电压和电流的波形：

图6 电阻电压波形

图7 电阻电流波形

（3）、直流母线电压

图8 直流母线电压波形

由测得的波形图可知，母线上的电压电流波形大致为一条平直的直线，符合实际。

（4）、H 桥中各个IGBT 驱动控制信号的波形

图7 电阻负载IGBT 驱动信号

由测得的波形图可知，两路波形都是互补的，波形是比较好的方波，并且存在大约有5 us的死区时间，满足设计要求。

2、电机负载

（1）占空比有效调节范围：占空比大于50%时，电机正转；占空比小于50%时，点击反转。调节占空比可改变电机转速，符合设计要求。

（2）负载电压和电流波形：

图8 电压波形

图9 电流波形

由波形可看出，当电机两端电压为正时，流过电枢的电流上升，电感储能；当电机两端电压为零时，电感释放能量，电流下降。观察电压波形，发现电枢电压并不是标准的矩形波，这是由于电枢电感的作用，电机上产生的反电势引起的波形。

（3）直流母线电压波形：

图10 电机直流母线电压

（4）H 桥中各个IGBT 驱动控制信号的波形：

图11 电机负载IGBT 驱动信号

由波形图可知，两路波形均为互补导通，而且都存在5us 左右的死区时间，满足设计要求。

5.3面包板实物图

图12 面包板正面实物图

图13 面包板背面电焊图

六、收获与体会

经过本次课程设计，我不但收获知识，同时收获了意志力。因为此次课程设计需要很耐心很谨慎去电焊和调试。在这其中会有很多失误，一次次打击自信心，在这期间自己得不断调节自己的情绪并不断去进行每一天的任务与安排，所以最后自己反而收获更多。

总之，此次课程设计很有意义，让人受益匪浅。所以必须得干劲十足，学习课程设计，这样不但可以激发我们的积极性，更能增强我们的实践能力，为以后实习工作打下基础。

七、参考文献

[1] 王兆安等，电子电子技术，机械工业出版社，1999.

[2] 王维平，现代电力电子技术及应用，东南大学出版社，1999. [3] 马建国等，电子设计自动化技术基础，清华大学出版社，2004. [4]龙志文，电力电子技术，机械工业出版社，

2013.

附录

附录1：元件清单

附录2：Protel 原理图

主电路图

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控制电路:

稳压电路:

附录3：Simulink 仿真图

北京理工大学珠海学院电力电子课程设计报告

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