電力電子課程設計總結(jié)

電力電子專業(yè)課程設計總結(jié)

隨著科學技術發(fā)展的日新日異，電力電子技術在現(xiàn)代社會生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位，電力電子技術應用在是生活中可以說得是無處不在如果把計算機控制比喻為人的大腦，電磁機械等動力機構喻為人的四肢的話，則電力電子技術則可喻為循環(huán)和消化系統(tǒng)，它是能力轉(zhuǎn)化和傳遞的渠道。因此作為二十一世紀的電氣專業(yè)的學生而言掌握電力電子應用技術十分重要。

電力電子課程設計的目的在于進一步鞏固和加深所學電力電子基本理論知識。使學生能綜合運用相關關課程的基本知識，通過本課程設計，培養(yǎng)學生獨立思考能力，學會和認識查閱和占有技術資料的重要性，了解專業(yè)工程設計的特點、思路、以及具體的方法和步驟，掌握專業(yè)課程設計中的設計計算、軟件編制，硬件設計及整體調(diào)試。通過設計過程學習和管理，樹立正確的設計思想和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，以期達到提高學生設計能力。

從理論到實踐，在專業(yè)課程設計持續(xù)的日子里，可以培養(yǎng)學生學到很多東西，不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過課程設計教育學生認識理論與實際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中隨時會遇到各式各樣的問題，同時會不斷發(fā)現(xiàn)自己的不足之處。整了個設計過程對很多學生而言可以說是困難重重，譬如對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，不會查閱資料，覺得無從下手等等。在課程設計過程中通過互動指導，教育學生一步一步的制定并依次實施計劃，并在設計計劃執(zhí)行過程中教會他們查閱資料，鼓勵他們克服心理上的不良情緒，不斷的學習和解決難題，不斷磨練煉學生意志的過程。總結(jié)本次課程設計，根據(jù)設計過程學生表現(xiàn)以及實習報告，本次課程設計有效培養(yǎng)了學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題的能力。通過課程設計的教學實踐，使學生所學的基礎理論和專業(yè)知識得到鞏固，并使學生得到運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練；使學生接觸和了解實際局部設計從收集資料、方案比較、軟硬件設計及整體調(diào)試的全過程，進一步提高學生的分析、綜合能力以及工程設計中分析設計的基本能力，為今后的畢業(yè)設計做必要的準備，并為畢業(yè)后的工作學習提供了借鑒思路，。

擴展閱讀：電力電子課程設計報告

HarbinInstituteofTechnology

課程設計說明書（論文）

課程名稱：電力電子技術設計題目：可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計院系：電氣工程及其自動化班級：0806153設計者：xxx學號：1080610xxx指導教師：xxx設計時間：201x年x月

哈爾濱工業(yè)大學教務處哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書姓名：xxx院（系）：電氣學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班號：0806153任務起至日期：201*年06月18日至201*年06月28日課程設計題目：可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計已知技術參數(shù)和設計要求：課程設計的主要任務是設計一個直流電動機的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為雙極性。被控直流永磁電動機參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速201*rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機能夠可逆運行。驅(qū)動系統(tǒng)應具有軟啟動功能，軟啟動時間約為2s。工作量：1）主電路的設計，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設計和H橋可逆斬波電路的設計(要求采用IPM作為DC/DC變換的主電路，型號為PS21564)。2）PWM控制電路的設計（指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路和用門電路實現(xiàn)的脈沖分配電路）。3）IPM接口電路設計（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅(qū)動電源的自舉電路）。4）DC15V控制電源的設計（采用LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路，直接從主電路的直流母線電壓經(jīng)穩(wěn)壓獲得）。2人組成1個設計小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設計任務。設計的成果應包括：用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖，電路設計過程的詳細說明書及焊裝和調(diào)試通過的控制電路板。工作計劃安排：(學時安排為1周，但考慮實驗的安排，需分散在2周內(nèi)完成)第1周：全體開會，布置任務，組成設計小組（每組2人），會后設計工作開始。答疑，審查設計方案，發(fā)放器件和裝焊工具。完成焊裝工作。第2周每人12學時到實驗室調(diào)試已裝焊好的電路板，并完成相關測試和記錄。撰寫設計報告。同組設計者及分工：同組設計者：yyyzzz分工：xxx：負責IPM接口電路及穩(wěn)壓電源部分的設計；yyy：負責SG3525的設計；焊接工作倆人共同完成。zzz：完成主電路部分的參數(shù)設計及部分調(diào)試工作。指導教師簽字201*年06月28日教研室主任意見：教研室主任簽字___________________年月日哈爾濱工業(yè)大學課程設計說明書（論文）

H型雙極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計

技術指標：被控直流永磁電動機參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速201*rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100。驅(qū)動系統(tǒng)應具有軟啟動功能，軟啟動時間約為2s。詳細設計要求見附錄2.

1.整體方案設計

本文設計的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源由四部分組成：主電路，H型雙極性同頻可逆PWM控制電路，IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時具有軟啟動功能，軟啟動時間為2s左右。控制原理如圖1所示：

功率轉(zhuǎn)換電路ui脈寬調(diào)制電路脈沖分配電路器件驅(qū)動電路ub2ub1ub3ub4V1V2MV3V4+L1L2L3

圖1直流PWM驅(qū)動電源的控制原理框圖

脈寬調(diào)制電路以SG3525為核心，產(chǎn)生頻率為5KHz的方波控制信號，占空比可調(diào)。經(jīng)用門電路實現(xiàn)的脈沖分配電路，轉(zhuǎn)換成兩列對稱互補的驅(qū)動信號，同時具有5us的死區(qū)時間，該信號驅(qū)動Ｈ型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關器件，控制直流永磁電動機。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關穩(wěn)壓集成電路，通過調(diào)整電位器，使其穩(wěn)定輸出15V直流電源。

表1控制板器件清單

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名稱獨石電容參數(shù)0.01u0.022u0.1u多圈電位器10K20K10u/35V電解電容47u/35V100u/35V330u/35V電阻電感肖特基二極管二極管5.11K330uHIN5819IN4148數(shù)量213233111241322.主電路設計

2.1主電路設計要求

直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設計包括整流電路和H橋可逆斬波電路。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟�。四只功率器件構成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到不同的直流電壓。主電路部分的設計要求如下：1）整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。2）斬波部分H橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設計中只采用其中U、V兩相即可。

圖2主電路圖

3）在主電路設計中，應根據(jù)負載的要求，計算出整流部分的交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。該電路的整流輸出電壓較低，所以在計算變壓器副邊電壓時應考慮在電流到達負載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。

2.2整流電路設計

整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。電動機的額定電壓為20V，通過查閱該型號IPM的數(shù)據(jù)手冊可知開關器件的通態(tài)導通壓降為2V左右，故可知

Vdc電壓為24V，由全橋整流電路可知：Vdc0.9V2

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考慮整流橋中二極管壓降為1V，故可知變壓器副邊電壓，從而可知變壓器的變比。濾波電容選擇耐壓40V左右，容值為450uF左右即可。

2.3H型逆變橋設計

IPM內(nèi)部集成該部分電路，參數(shù)可參考手冊。該模塊為三相逆變橋，只使用其中的U、V兩相即可。

3.控制電路設計

本設計利用SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.1~0.9的脈沖信號，經(jīng)過移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時間為5μS左右的脈沖，分別驅(qū)動V1，V4和V2，V3的開通和關斷。

3.1脈沖產(chǎn)生電路的設計

設計中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號。5腳接一個0.02uf的電容，6腳接滑動變阻器，兩者組成RC振蕩電路，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值使脈沖的頻率為設計要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊公式計算可得當R=15K、C=0.02uF時，輸出頻率為5kHz，為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動變阻器。通過改變2腳輸入電壓的大小調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。為使電機具有軟啟動功能，在8腳需要接電容。根據(jù)芯片手冊軟啟動時間和電容大小的關系：60ms/uF。要使電機軟啟動為2s，則所選的電容為33uf。在輸出端，13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11、14腳短接，脈沖由13腳引出。電路圖設計如圖3所示：

圖3脈沖產(chǎn)生電路圖

3.2脈沖分配電路的設計

本設計采用的是雙極性PWM驅(qū)動。由SG3525產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過一個非門變成0V、5V信號，當信號為高電平時對電容充電，只有當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時，輸出才變?yōu)楦唠娖�，由此達到了延時的目的。所需延遲時間為5us，有三要素公式計算得，當選定電容為0.01uf時電阻為978.8ohm。為了調(diào)節(jié)方便選擇5K的滑

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動變阻器。經(jīng)過此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號。脈沖分配電路如圖4所示：

圖4脈沖分配電路

3.3自舉電路設計

為了簡化設計，上橋臂兩個器件，即V1和V3的驅(qū)動電源采用單電源的自舉式供電，詳細設計可參考IPM的設計手冊。這樣整個模塊的控制部分只采用1個15V電源供電即可，而不必采用3路獨立的電源，簡化了設計。

本設計中，自舉電路中的二極管建議選用IN5819，電容值為10uF，電阻值為5歐左右。電路圖如圖5所示。

圖5自舉電路

3.4穩(wěn)壓電源設計

設計一個DC15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。為了減小損耗，采用LM2575T－ADJ系列開關穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。濾波電路中的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖6所示。

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圖615V穩(wěn)壓電源電路

通過查閱芯片手冊知：

R2)R1本設計中，Vout15V,VREF1.23V,R11K,得：

VR2R1(o1)11.3K

VREF為方便實際電路的調(diào)試，R1使用定值電阻，R2采用電位器。

VoVREF(14.調(diào)試過程及結(jié)果分析

4.1調(diào)制過程：

1.調(diào)試控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路：只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7均不連接。再將LM2575T插在電路板的對應插座上。在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為所需15V直流電壓。2.調(diào)試脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路：將SG3525插在電路板的對應插座上。在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在0～1之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號。

3.調(diào)試兩路驅(qū)動信號的開通延時電路：給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應電位器，觀察兩路驅(qū)動信號，可見驅(qū)動信號為：

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圖7兩路驅(qū)動信號波形

可見兩路驅(qū)動信號之間有5us的開通延時，即死區(qū)時間為5us。4.測試IPM中上橋臂驅(qū)動電源的自舉電路將控制板的J6和J7接口與主電路板相連。在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，給控制板上電。5.測試電機啟動狀態(tài)在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，給控制板上電。將驅(qū)動信號的占空比調(diào)整到50％附近。閉合S2開關，接通H橋的直流電源，調(diào)節(jié)占空比使電機啟動起來并隨占空比的調(diào)節(jié)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時電機控制系統(tǒng)具有軟啟動功能。

4.2結(jié)果分析

4.2.1電機負載

1.占空比的有效調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比使之達到最大值和最小值，最大占空比約為0.9如圖：

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圖8驅(qū)動信號最大占空比

最小占空比約為0.1如圖：

圖9驅(qū)動信號最小占空比

其中最大占空比對應的輸出電壓平均值約為22.9V，最小占空比對應的輸出電壓平均值約為-23.0V。

2.負載電壓和電流的波形

電機負載的電壓和電流波形如圖，可以看出當電機兩端電壓為正時，流過電樞的電流上升，電感儲能。當電機兩端電壓為負時，流過電樞的電流下降，電感能量

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釋放。

圖10電機負載的電壓和電流的波形

3.直流母線上電壓和電流的波形：其電壓波形如圖所示：

圖11電機負載直流母線上電壓波形

4.H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形：其波形如圖所示，其中V1，V4為一組

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V2，V3為一組。兩組驅(qū)動信號之間留有5us的死區(qū)時間。

圖12電機負載H橋驅(qū)動控制信號波形

4.2.2電阻性負載

1.占空比的有效調(diào)節(jié)范圍：

其占空比的有效調(diào)節(jié)范圍與輸出電壓平均值與電機負載情況時基本相同。2.負載電壓和電流的波形：

電阻性負載的電壓和電流波形如圖,可見電阻性負載的電壓與電流波形基本同相。隨開關器件的開通和關斷其電壓電流值在正負之間交替。

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圖13電阻性負載的電壓和電流波形

3.直流母線上電壓和電流的波形：電阻性負載直流母線電壓為：

圖14電阻性負載直流母線電壓

4.H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形：其驅(qū)動信號波形同電機負載驅(qū)動信號波形。V1，V4為一組V2，V3為一組，且兩組之間留有5us的死區(qū)時間，如圖：

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圖15電阻性負載H橋驅(qū)動信號波形

5.收獲和體會

通過本次電力電子課程設計，我們組完成了可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計。在這近兩周的課設過程中，我們通過設計電路，計算參數(shù)，焊接電路板，調(diào)試電路，記錄波形和寫實驗報告等幾部分，不僅對電力電子相關知識有了更深刻的認識，在調(diào)試過程中遇到的各種問題和試轉(zhuǎn)前的測試過程都對我們的動手能力有了不小的鍛煉。這次課設也讓我知道實際并不一定是如我們理論認為的那樣理想，有的時候一點小問題就可能導致整個調(diào)試過程陷入癱瘓。這次課設中老師給提供的參考資料對我們快速掌握相關電路和芯片的引腳功能幫助很大，在此非常感謝老師！

附錄主電路圖和控制電路原理圖

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