電力電子課程設(shè)計(jì)總結(jié)

電力電子專業(yè)課程設(shè)計(jì)總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電力電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位，電力電子技術(shù)應(yīng)用在是生活中可以說得是無處不在如果把計(jì)算機(jī)控制比喻為人的大腦，電磁機(jī)械等動(dòng)力機(jī)構(gòu)喻為人的四肢的話，則電力電子技術(shù)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(jì)的電氣專業(yè)的學(xué)生而言掌握電力電子應(yīng)用技術(shù)十分重要。

電力電子課程設(shè)計(jì)的目的在于進(jìn)一步鞏固和加深所學(xué)電力電子基本理論知識(shí)。使學(xué)生能綜合運(yùn)用相關(guān)關(guān)課程的基本知識(shí)，通過本課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力，學(xué)會(huì)和認(rèn)識(shí)查閱和占有技術(shù)資料的重要性，了解專業(yè)工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、思路、以及具體的方法和步驟，掌握專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)計(jì)算、軟件編制，硬件設(shè)計(jì)及整體調(diào)試。通過設(shè)計(jì)過程學(xué)習(xí)和管理，樹立正確的設(shè)計(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，以期達(dá)到提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力。

從理論到實(shí)踐，在專業(yè)課程設(shè)計(jì)持續(xù)的日子里，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)到很多東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過課程設(shè)計(jì)教育學(xué)生認(rèn)識(shí)理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中隨時(shí)會(huì)遇到各式各樣的問題，同時(shí)會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)自己的不足之處。整了個(gè)設(shè)計(jì)過程對很多學(xué)生而言可以說是困難重重，譬如對以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，不會(huì)查閱資料，覺得無從下手等等。在課程設(shè)計(jì)過程中通過互動(dòng)指導(dǎo)，教育學(xué)生一步一步的制定并依次實(shí)施計(jì)劃，并在設(shè)計(jì)計(jì)劃執(zhí)行過程中教會(huì)他們查閱資料，鼓勵(lì)他們克服心理上的不良情緒，不斷的學(xué)習(xí)和解決難題，不斷磨練煉學(xué)生意志的過程�？偨Y(jié)本次課程設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)過程學(xué)生表現(xiàn)以及實(shí)習(xí)報(bào)告，本次課程設(shè)計(jì)有效培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問題的能力。通過課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得到鞏固，并使學(xué)生得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的初步訓(xùn)練；使學(xué)生接觸和了解實(shí)際局部設(shè)計(jì)從收集資料、方案比較、軟硬件設(shè)計(jì)及整體調(diào)試的全過程，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中分析設(shè)計(jì)的基本能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做必要的準(zhǔn)備，并為畢業(yè)后的工作學(xué)習(xí)提供了借鑒思路，。

擴(kuò)展閱讀：電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告

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課程設(shè)計(jì)說明書（論文）

課程名稱：電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)題目：可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)院系：電氣工程及其自動(dòng)化班級：0806153設(shè)計(jì)者：xxx學(xué)號：1080610xxx指導(dǎo)教師：xxx設(shè)計(jì)時(shí)間：201x年x月

哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓名：xxx院（系）：電氣學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班號：0806153任務(wù)起至日期：201*年06月18日至201*年06月28日課程設(shè)計(jì)題目：可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速201*rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機(jī)能夠可逆運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。工作量：1）主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計(jì)和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)(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(shè)計(jì)（指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路和用門電路實(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路）。3）IPM接口電路設(shè)計(jì)（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路）。4）DC15V控制電源的設(shè)計(jì)（采用LM2575系列開關(guān)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(gè)設(shè)計(jì)小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)包括：用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖，電路設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)說明書及焊裝和調(diào)試通過的控制電路板。工作計(jì)劃安排：(學(xué)時(shí)安排為1周，但考慮實(shí)驗(yàn)的安排，需分散在2周內(nèi)完成)第1周：全體開會(huì)，布置任務(wù)，組成設(shè)計(jì)小組（每組2人），會(huì)后設(shè)計(jì)工作開始。答疑，審查設(shè)計(jì)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(xué)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室調(diào)試已裝焊好的電路板，并完成相關(guān)測試和記錄。撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。同組設(shè)計(jì)者及分工：同組設(shè)計(jì)者：yyyzzz分工：xxx：負(fù)責(zé)IPM接口電路及穩(wěn)壓電源部分的設(shè)計(jì)；yyy：負(fù)責(zé)SG3525的設(shè)計(jì)；焊接工作倆人共同完成。zzz：完成主電路部分的參數(shù)設(shè)計(jì)及部分調(diào)試工作。指導(dǎo)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(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）

H型雙極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

技術(shù)指標(biāo)：被控直流永磁電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速201*rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。詳細(xì)設(shè)計(jì)要求見附錄2.

1.整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)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(shí)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間為2s左右�？刂圃�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(dòng)電路ub2ub1ub3ub4V1V2MV3V4+L1L2L3

圖1直流PWM驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路，轉(zhuǎn)換成兩列對稱互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)具有5us的死區(qū)時(shí)間，該信號驅(qū)動(dòng)Ｈ型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件，控制直流永磁電動(dòng)機(jī)。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關(guān)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(dú)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(shè)計(jì)

2.1主電路設(shè)計(jì)要求

直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設(shè)計(jì)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�?gòu)成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到不同的直流電壓。主電路部分的設(shè)計(jì)要求如下：1）整流部分采用4個(gè)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(shí)現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采用其中U、V兩相即可。

圖2主電路圖

3）在主電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，計(jì)算出整流部分的交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設(shè)計(jì)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(jì)算變壓器副邊電壓時(shí)應(yīng)考慮在電流到達(dá)負(fù)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(shè)計(jì)

整流部分采用4個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊。電動(dòng)機(jī)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(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(shí)間為5μS左右的脈沖，分別驅(qū)動(dòng)V1，V4和V2，V3的開通和關(guān)斷。

3.1脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號。5腳接一個(gè)0.02uf的電容，6腳接滑動(dòng)變阻器，兩者組成RC振蕩電路，可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值使脈沖的頻率為設(shè)計(jì)要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊公式計(jì)算可得當(dāng)R=15K、C=0.02uF時(shí)，輸出頻率為5kHz，為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動(dòng)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(jī)具有軟啟動(dòng)功能，在8腳需要接電容。根據(jù)芯片手冊軟啟動(dòng)時(shí)間和電容大小的關(guān)系：60ms/uF。要使電機(jī)軟啟動(dòng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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

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動(dòng)變阻器。經(jīng)過此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時(shí)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(shè)計(jì)

為了簡化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件，即V1和V3的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源的自舉式供電，詳細(xì)設(shè)計(jì)可參考IPM的設(shè)計(jì)手冊。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采用1個(gè)15V電源供電即可，而不必采用3路獨(dú)立的電源，簡化了設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)DC15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。為了減小損耗，采用LM2575T－ADJ系列開關(guān)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(shè)計(jì)中，Vout15V,VREF1.23V,R11K,得：

VR2R1(o1)11.3K

VREF為方便實(shí)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(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，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(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)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(dòng)信號的開通延時(shí)電路：給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，觀察兩路驅(qū)動(dòng)信號，可見驅(qū)動(dòng)信號為：

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圖7兩路驅(qū)動(dòng)信號波形

可見兩路驅(qū)動(dòng)信號之間有5us的開通延時(shí)，即死區(qū)時(shí)間為5us。4.測試IPM中上橋臂驅(qū)動(dòng)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(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。5.測試電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。將驅(qū)動(dòng)信號的占空比調(diào)整到50％附近。閉合S2開關(guān)，接通H橋的直流電源，調(diào)節(jié)占空比使電機(jī)啟動(dòng)起來并隨占空比的調(diào)節(jié)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能。

4.2結(jié)果分析

4.2.1電機(jī)負(fù)載

1.占空比的有效調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號的占空比使之達(dá)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(dòng)信號最大占空比

最小占空比約為0.1如圖：

圖9驅(qū)動(dòng)信號最小占空比

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

2.負(fù)載電壓和電流的波形

電機(jī)負(fù)載的電壓和電流波形如圖，可以看出當(dāng)電機(jī)兩端電壓為正時(shí)，流過電樞的電流上升，電感儲(chǔ)能。當(dāng)電機(jī)兩端電壓為負(fù)時(shí)，流過電樞的電流下降，電感能量

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釋放。

圖10電機(jī)負(fù)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(jī)負(fù)載直流母線上電壓波形

4.H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號之間留有5us的死區(qū)時(shí)間。

圖12電機(jī)負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)控制信號波形

4.2.2電阻性負(fù)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(jī)負(fù)載情況時(shí)基本相同。2.負(fù)載電壓和電流的波形：

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

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圖13電阻性負(fù)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(fù)載直流母線電壓為：

圖14電阻性負(fù)載直流母線電壓

4.H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號的波形：其驅(qū)動(dòng)信號波形同電機(jī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)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(shí)間，如圖：

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圖15電阻性負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)信號波形

5.收獲和體會(huì)

通過本次電力電子課程設(shè)計(jì)，我們組完成了可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)。在這近兩周的課設(shè)過程中，我們通過設(shè)計(jì)電路，計(jì)算參數(shù)，焊接電路板，調(diào)試電路，記錄波形和寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾部分，不僅對電力電子相關(guān)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，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(dòng)手能力有了不小的鍛煉。這次課設(shè)也讓我知道實(shí)際并不一定是如我們理論認(rèn)為的那樣理想，有的時(shí)候一點(diǎn)小問題就可能導(dǎo)致整個(gè)調(diào)試過程陷入癱瘓。這次課設(shè)中老師給提供的參考資料對我們快速掌握相關(guān)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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