感应电机直接转矩控制系统硬件电路设计

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 45 页感应电机 直 接 转 矩 控 制 系 统 硬 件 电 路 设 计摘要近十几年来,直接转矩控制变频调速技术是继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它以结构简单、静动态性能好、鲁棒性强、易于实现等优点得到重视。基于 DSP 的感应电机直接转矩控制技术的应用与产品化，是目前交流变频调速市场的强烈需求。本文在第一部分阐述了交流调速技术的发展现状和直接转矩控制的概况；第二部分介绍了 DSP 数字处理器，具体为 TMS320F2808 芯片，对其做了相应阐述，并搭建了其外围电路；第三部分对主体电路进行了搭建，包含整流、中间直流、逆变、PWM 信号隔离、故障信号隔离、电流检测、电压检测、转速检测电路以及欠压、过压、失压保护电路。在 protel 软件中对各模块电路进行了集连并成功绘制出 PCB 板图关键词：直接转矩控制；整流；逆变；检测电路； PCB 板图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 45 页Induction motor direct torque control system hardware circuit designAbstractIn recent ten years, direct torque control variable frequency speed regulation technology is developed after vector control variable frequency speed regulation technology is a new type of high performance of ac variable frequency speed control technology, it with simple structure, good static and dynamic performance, strong robustness, easy to implement, etc. Induction motor direct torque control based on DSP technology application and transition, is currently the ac frequency conversion speed regulating the market strong demand. This article in the first part elaborated the development present situation of the ac (alternating current) technique and direct torque control of the situation; The second part introduces the DSP digital processors, specific for TMS320F2808 chip, to do the corresponding elaboration, and the peripheral circuit is set up; The third part of main circuit structures, contains the dc inverter, PWM rectifier, middle fault signal isolation, signal isolation, current detection and voltage detection, speed detection circuit and undervoltage, overvoltage, loss of pressure protection circuit. On the every module circuit in the protel software set and managed to map out the PCB boardKeywords: Direct torque control; Rectification; Inverter; Detection circuit; PCB figure 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 45 页目 录1 引言 .11.1 交流调速技术的发展背景及现状 .11.2 交流调速技术的基础 .11.3 直接转矩控制技术概况 .21.3.1 直接转矩控制的提出 .31.3.2 直接转矩控制的发展现状 .31.3.3 直接转矩控制的基本思想与特点 .42 DSP 控制板设计 .52.1 DSP 芯片概述 .52.1.1 TMS320F2808 芯片的主要性能 .62.1.2 事件管理器模块概述 .72.1.3 模数转换模块 .72.2 DSP 控制板设计 .82.2.1 DSP 电源设计 .82.2.2 晶振电路设计 .92.2.3 手动复位电路设计 .93 主体电路设计 .103.1 主电路设计 .103.1.1 整流电路 .113.1.2 中间直流电路 .133.1.3 逆变电路 .183.2 控制电路设计 .183.2.1 PWM 信号隔离电路 .193.2.2 故障信号隔离电路 .203.2.3 电流检测电路 .213.2.4 电压检测电路 .233.2.5 转速检测电路 .24中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 45 页3.2.6 欠压、过压、失压保护电路 .264. 软件设计 .274.1 主程序 .274.2 中断服务子程序 .274.3 数据采集子程序 .284.4 故障中断子程序 .295 理论上的调试方案及结果分析 .305.1 刻画问题的特征 .305.2 假设并检测 .315.3 解决并验证 .316 结论 .32附录 A 电路原理图 .33附录 B PCB 图 .35附录 C 模拟实物图 .35附录 D 元器件表 .37参考文献 .39致谢 .40中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 45 页1 引言1.1 交流调速技术的发展背景及现状长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛应用于工程过程中，直流电动机在额定转速一下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速，在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20 世纪 80 年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主动地位。交流变频调速的优越性早在 20 世纪 20 年代被人们所认识，但受当时电力电子器件而未能广泛应用 2。在 20 世纪上半叶，由于直流电机电磁转矩和电枢电流呈线性关系，励磁磁通和转矩能够独立控制，转矩响应速度快，调速性能优越，很容易得到理想的速度和位置输出，在高性能拖动调速系统中一直占据主导地位。但是直流电机在结构上存在机械换向器和电刷，使它存在换向火花和电磁干扰等固有缺点，造成电机最高转速、单机容量和最高电压都受到了一定的限制。与直流电机相比，交流电机特别是鼠笼型异步电机具有结构简单、制造成本低、运行可靠、坚固耐用、维护方便和可工作于恶劣环境等特点，广泛的应用于约占电力拖动总容量 80%以上的不变速拖动系统中。由于早期的研究没有很好的方法解决交流调速系统高性能控制问题，使其性能始终无法与直流调速系统相匹敌。从电力拖动的发展过程来看，交流直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得他们所处的地位有所不同，但他们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子器件的发展而在互相竞争。随着电力电子器件，单片机的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。交流调速是电力电子学的一项重要内容。它是 80 年代新兴的一门边缘学科,其特点是以电力半导体元器件为核心,交叉于电力、电子、信息与控制等多种学科领域。随着电力电子学、微电子学及自动控制学的发展, 近代交流调速拖动有了飞跃的逃展。由于交流调速拖动克服了直流机的缺点( 结构复杂、应用环境受限、维护困难等),发挥了交流机本身固有的优点( 结构简单、坚固耐用、经济可靠、G D Z 小动态响应性好中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 45 页等) ,并且很好地解决了交流机的调速性能问题。现在完全可以这样说,交流电机调速性能可和直流机一样好,它既兼有了直流调速的优点,又在某些方面( 如改善系统功率因数)优于直流调速。交流调速拖动与直流拖动正处于相媲美、相竞争、相抗衡的时代,前者并有取代后者的趋势。日本 1975 年在调速领域中,直流占 80%,交流 20%;到了 1985 年,交流则占 80%,直流只 20%。日本有人预言,直流机的寿命在日本还有十年时间,就是说十年后直流机将被交流机所取代。当然在中国也许有20 年、30 年或更长一些时间,但总的发展趋势已成定局。上海宝钢出国考察的结论是交流主传动单机性能指标优于直流的,国外钢铁界认为连轧机中交流调速优于直流调速。人们已开始转变过去的只有直流调速性能好的旧观念，在对交、直流两大拖动系统重新进行评价 1。1.2 交流调速技术的基础电力半导体器件的模块化、智能化，大功率电子器件、低成本微处理器和现代控制技术理论的发展，以及市场对交流传动需求的增加，都大大促进了交流调速技术的飞速发展 3。1.3 直接转矩控制技术概况1.3.1 直接转矩控制技术的提出直 接 转 矩 控 制 系 统 简 称 DTC(Direct Torque Control)是 在 20 世 纪 80 年 代中 期 继 矢 量 控 制 技 术 之 后 发 展 起 来 的 一 种 高 性 能 异 步 电 动 机 变 频 调 速 系 统 。1977 年 美 国 学 者 A.B.Plunkett 在 IEEE 杂 志 上 首 先 提 出 了 直 接 转 矩 控 制 理 论 ，1985 年 由 德 国 鲁 尔 大 学 Depenbrock 教 授 和 日 本 Tankahashi 分 别 取 得 了 直 接转 矩 控 制 在 应 用 上 的 成 功 ， 接 着 在 1987 年 又 把 直 接 转 矩 控 制 推 广 到 弱 磁 调 速范 围 。 不 同 于 矢 量 控 制 ， 直 接 转 矩 控 制 具 有 鲁 棒 性 强 、 转 矩 动 态 响 应 速 度 快 、控 制 结 构 简 单 等 优 点 ， 它 在 很 大 程 度 上 解 决 了 矢 量 控 制 中 结 构 复 杂 、 计 算 量 大 、对 参 数 变 化 敏 感 等 问 题 4。 传 统 的 直 接 转 矩 控 制 技 术 的 主 要 问 题 是 低 速 时 转 矩 脉 动 大 。 为 了 降 低 或 消除 低 速 时 的 转 矩 脉 动 ， 提 高 转 速 、 转 矩 控 制 精 度 ， 扩 大 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 调速 范 围 ， 近 些 年 来 提 出 了 许 多 新 型 的 直 接 转 矩 控 制 系 统 。 虽 然 这 些 新 型 直 接 转矩 控 制 技 术 在 不 同 程 度 上 改 善 了 调 速 系 统 的 低 速 性 能 ， 但 是 其 低 速 性 能 还 是 不能 达 到 矢 量 控 制 的 水 平 。 最 近 出 现 了 一 种 间 接 转 矩 控 制 技 术 ， 受 到 了 很 多 学 者中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 45 页关 注 。 间 接 转 矩 控 制 技 术 具 有 优 良 的 低 速 性 能 ， 另 外 由 于 其 独 特 的 控 制 思 想 可以 降 低 逆 变 器 的 开 关 频 率 ， 从 而 特 别 适 用 于 大 容 量 调 速 场 合 5。1.3.2 发展现状（1）在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点 6。（2）长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于国民经济各部门。因此，20 世纪 80 年代以前，直流调速一直在调速领域中占据主导地位。近些年来, 随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，使得现代交流调速技术得到迅猛发展。交流电动机调速系统不但具有同直流电动机一样的性能，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升，交流调速已经进入了逐步取代直流调速的时代 7。在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日本研制成功的 1.5kw 直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达 2kHz，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的 20 倍，使电机从500500 转/分的反转时间只有4ms。在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高记录。当前，德国、日本、美国等都竞相发展该项技术，今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件及数字化控制元件，向工业生产应用推出全数字化最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置 8。 我国已经把直接转矩控制技术成功地应用到大功率电力机车牵引上，并取得了良好的效果，然而我国对这项技术的研究与开发工作较晚，技术基础比较薄弱，与世界先进水平还有很大的差距，特别在产业化方面，差距更大。国内的变频器市场基本上被国外的产品所占领，对于高性能的交流调速系统，国内也还基本上不具备批量生产的能力。目前，国内一些研究单位正在进行开发高性能的交流调速系统方面的工作，并积极与国外同行进行交流合作，通过各种途径来促进国内中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 45 页交流调速技术水平的迅速提高。我国机械制造等行业的飞速发展，为直接转矩控制技术提供了广阔应用空间。因此，在消化和吸收国际上所取得的先进成果基础上，研究具有自主知识产权的直接转矩控制技术，是我们当前的主要任务 。1.3.3 直接转矩控制的基本思想与特点（1）.直接转矩控制是在定子坐标系中分析交流电机的数学模型，实现了对磁链和转矩的自调整控制。这种方法不需要将交流电机与直流电机做比较、等效、转化处理，从而省掉了矢量旋转变换的复杂的变换和计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。其基本思想是:用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系(a-B)下采用定子磁场定向的方法，用交流电机定子侧参数计算出定子磁链和转矩，借助于离散的两点式调节(Bang 一 Bang 控制)产生 PWM 信号，直接对逆变的开关状态进行最优控制，在维持磁链幅值不变的情况下，通过调整定子磁链在空间的旋转速度以控制转矩和转矩增长率，进而控制交流电机的转速。直接转矩控制采取开关状态表查询方式确定开关状态，使控制系统结构简单，易于实现全数字化，这是一种很有前途的控制方法。但是研一研控制引起了电流和转矩的脉动，使直接转矩控制系统低速性能差，调速范围受到限制 9。（2）.直接转矩控制将逆变器和交流电机作为一个整体进行控制，逆变器的所有开关状态的变化都以交流电机的电磁过程为基础，将交流电机的转矩控制和磁链控制有机地统一。和矢量控制技术不同，它摒弃了解祸的思想，且不需要复杂的坐标变换，改估计转子磁链为估计定子磁链，由于定子磁链的估计只牵涉到定子电阻，因此对电机参数的依赖性大大减弱了。因此，与矢量控制相比，直接转矩控制具有转矩响应快，控制结构简单等优点，而且具有最佳开关频率和最小开关损耗，直接转矩控制是一种具有高静动态性能的交流电机调速的新方法.因此，直接转矩控制具有如下几个主要特点:1.直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制其定子磁链和转矩。它既不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化，也不需要为解祸而简化交流电机的数学模型，省掉了矢量旋转变化等复杂的计算与变换，使得信号处理工作十分简单，使观察者对交流电机的物理过程能够作出直接和明确的判断。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 45 页2.直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就能观测出定子磁链，因此直接转矩控制技术大大减弱了转子侧参数变化对控制性能的影响。3. 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析交流电机的数学模型并控制各物理量，使问题分析变得十分简单明了。4.直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果。它包含有两层意思:(l)直接控制转矩;(2) 对转矩的直接控制。(l)直接控制转矩 :与矢量控制方法不同，直接转矩控制方法不是通过电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩，它并非极力获得最理想的正弦电流波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，相反从控制的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。(2)对转矩的直接控制:直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是:通过转矩两点式调节器直接把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动控制在一定的容差范围内，它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况 10。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 45 页2 DSP 控制板设计2.1 DSP 芯片概述在 TI 公司推出的三大 DSP 平台中，最佳的控制平台为 TMS320C2000 平台。在以往的控制系统研发中，大多数研发人员选择的控制器为 TMS320LF2407 或TMS320F2812，其中 TMS320LF2407 是面向 16 位 DSP 的控制器，时钟频率最大为 40MHz，而 TMS320F2812 是面向 32 位 DSP 的控制器，时钟频率最大为150MHz。相对来说，TMS320C28x 系列 DSP 具有精度高、速度快、集成度高的优点，成为目前控制领域最高性能的处理器。在 TMS320C28x 中，C280x 是在C281x 基础上发展而来，在内核和大部分功能上兼容。本设计选用 TMS320F2808 DSP 作为控制器而不选择 TMS320C28x 同系列其他产品的依据主要如下：1） 、281x 系列 DSP 根据其工作频率的不同，要求的内核电压有所不同。当281x 处理器工作在 150MHz 时，内核电压为 1.9V；工作在 135MHz 以下时，要求内核电压为 1.8V。而 C280x 系列 DSP 在所有工作频率下，内核电压都要求为1.8V，最高工作频率为 100MHz，这已满足变压变频控制系统所需的频率要求。280x 和 281x 的 I/O 电压都是 3.3V。此外，280x 系列处理器对内核和 I/O 电源上电次序要求有所降低，281x 系列处理器要求 3.3V 必须限于 1.8V（1.9V）的内核上电，而 280x 处理器对于上电次序没有特定的要求。2） 、TI 公司推出的 280x 系列处理器在 281x 基础上裁减了多通道缓冲串口（McBSP） 、外部存储其扩展接口（ XINTF） 、事件管理器（EV） ，增加了ePWM、eCAP 和 eQEP，取代 281x 从 240x 基础上发展来的事件管理器，同时还增加了 I2C 总线，改进了 ADC 模块、代码加密模块及其他的 GPIO 模块功能。280x 新增的 ePWM、eCAP、和 eQEP 为数字电机控制系统设计提供了更多的方便11。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 45 页图 2.1 TMS320F2808 芯片引脚图2.1.1 TMS320F2808 芯片的主要性能CPU 采用 T320CZXLP 核。100MHz 的时钟频率。18K 字节的双访问片内程序/数据内存(RAM)，128K 字节片内程序 Flash EEPROM 空间，64K 字节的片外 SRAM 内存。两个 12 位的 A/D 转换模块，共有 16 路 A/D 输入。3 个 32-bit 的 CPU-Timer 定时器。两个事件管理模块(EVA，EVB)，每个事件管理模块带有 3 个全比较单元。一个 e CAN 总线模块，一个多路缓冲串行模块，2 个 SCI 串行通讯模块，一个串行外设接口模块 SPI。12 个 CPU 中断组，每组含 8 个中断 12。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 45 页2.1.2 事件管理器模块概述TMS320F2808 芯片与 281x 系列区别如下:表 2.2 2808 与 281x 系列区别项目 2808ePWM 281xEV-A，EV-BPWM 12 个独立，16-bit+4 个独立（eCAP 在 APWM 模式）10 个独立，16-bit高精度 PWM 控制4 个 EPWMxA 通道输出 No比较 2 个时间基准 1 个时间基准时间同步 Yes No相位控制 Yes No死区设置 10-bit 独立的下降沿延时控制，独立的上升延沿时控制7-bit 下降沿延时=上升沿延时断路器 Yes No输出控制6 个可以控制任何一个 PWM处于高、低或高阻态6 个硬件连接强制 PWM 高阻中断 6 个带预触发功能 24 个没有预触发模式2.1.3 模数转换模块ADC 是一个带有内部采样-保持电路的 12-比特的变换器，ADC 模块包括两个带有内置采样一保持电路的 12 位 ADC。F2808 总共有 16 个模拟通道。每 8 个通过一个八选一的模拟多路转换器提供给一个 ADC。(1) ADC 模块包括以下功能:.* 每个 ADC 模块有 8 个模拟输入，共有 16 个模拟输入。.* 用两个 ADC 单元对两个模拟输入同时测量。.* 可实现单个转换或连续转换。.* 转换可由软件、内部事件或外部事件启动。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 45 页.* 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。.* 2 级深度数字结果寄存器，用于保存完整的转换结果。.* 可编程的预定标选择。.* 中断或者查询操作。(2) ADC 模块用途:通过将电压或电流传感器检测到的电压或电流的模拟量直接转换为数字量，用于参与后续处理或运算13。2.2 DSP 控制板设计2.2.1 DSP 电源设计通常情况下，DSP 芯片内部内核和外部 I/O 模块采用独立的供电结构，如果在上电或掉电过程中两个电压供电起点和上升速度不同，就会在独立的结构（内核和 I/O 模块）之间产生电流，从而影响系统初始化状态，甚至影响系统寿命。尽管 TMS320F2808 对上电次序要求不高，但为了提高控制系统的稳定性和延长器件的使用寿命，设计时需考虑上电和掉电次序的问题。TMS320F2808 的供电电源电路图如图 2.1 所示。本设计选用 TI 公司生产 TPS70151 为 TMS320F2808 处理器供电。TPS70151 是一款双路 LDO 的集成电路稳压器，具有上电次序控制和上电复位功能，输出为 500mA/3.3V 和 250mA/1.8V14。图 2.2 DSP 电源设计2.2.2 晶振电路设计晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 45 页图 2.3 晶振电路2.2.3 手动复位电路设计手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。当人为按下按钮时，则 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端。手动按钮复位的电路如所示。图 2.4 手动复位电路中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 45 页3 主体电路设计基于 TMS320F2808 异步电机直接转矩控制系统结构图如图 3.1 所示。为使控制系统结构简单，工作可靠，维护方便，本系统采用模块化结构设计方案。以 TI公司生产的 TMS320F2808 芯片为控制核心的异步电机直接转矩控制系统，主要由主电路、控制电路和保护电路等部分组成。所设计系统参数如下：容量为1500W，输入为单相交流 220V/50Hz。图 3.1 系统总体结构框图系统主电路采用典型的交-直-交电压型变频结构，整流环节采用单相桥式不可控整流电路；逆变电路采用智能功率模块(IPM)；直流中间电路主要元器件是大容量的电解电容。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中还包括泵升电压限制电路、启动电路以及其他辅助电路。系统的控制电路主要包括控制核心TMS320F2808、DSP 供电电源、时钟电路、JTAG 接口、EEPROM 存储器、电流电压检测电路、转速检测电路、PWM 信号隔离电路、串行通讯接口电路、保护电路、手动操作模式电路、显示和键盘接口、各种辅助电源以及其他的接口和电路等部分。保护电路主要实现过压、欠压、短路、IPM 模块控制电源欠压等保护功能，其中短路、IPM 模块控制电源欠压等保护由 IPM 模块的故障检测电路实现，过压、欠压保护由专门的保护电路实现 15。3.1 主电路设计主电路采用交-直-交变压变频结构，由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成。整流电路 逆变电路异步电机故障信号 光耦隔离PDPINT PWM1-6CAPDSP TMS320F2808CAP A/D A/ A/D霍尔传感器光电编码盘采样调理电路电压检测电路中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 45 页图 3.2 主电路结构图3.1.1 整流电路整流电路采用三相桥式不可控整流电路。它的主要作用是对工频交流电进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。下面通过系统的参数整定计算选择整流桥堆。整流二极管的选型一般根据它的额定电压和额定电流选取。考虑到整流二极管的过电压能力，在选用整流二极管时，额定电压要留有一定安全裕量，一般取其额定电压为正常工作时整流二极管所承受峰值电压的 23 倍。则它的额定电压为：(3.1)式中，为整流二极管的额定电压（V） ；为整流二极管在电路中可能承受的最大正向或反向电压峰值（V） 。一般取整流二极管在电路中实际承受的最大正向峰值电压与最大反向峰值电压中较大的那一个，这里取 220V。设计中整流二极管的额定电压选取值为 800V。整流二极管的额定电流一般由它的通态平均电流 标称。通态平均电流是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时，同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取二极管的通态平均电流 16。所设计的控制系统的额定电流由控制系统的容量决定，即：(3.2)式中，为控制系统的额定电流（A） ；为控制系统的输出额定功率（W） ；为系中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 45 页统输入的额定电压（V） 。在未加滤波电容前，无论是那种整流电路中的整流二极管均有半周期处于导通状态，即二极管的导通角 等于 。加滤波电容后，每只二极管只有在电容充电时才导通，而且 RC 越大，导通角越小。由于电容滤波后，输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减少，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电。考虑到整流二极管的过载能力，在选取它的额定电流时，应留一定的安全裕量。一般取其通态平均电流为按上述有效值等效原则所得计算结果的 1.52 倍。因此整流二极管的额定电流为：(3.3)式中，为整流二极管的额定电流（A） 。取整流二极管的额定电流为 8A。因此，选取整流二极管参数为 8A/800V 的整流桥堆。此外，为防止电网电压的突变损坏控制系统，应在整流电路的输入端并联一个压敏电阻。压敏电阻以氧化锌为主要成份所构成的一种金属氧化物半导体非线性电阻元件，它对电压较敏感。压敏电阻具有良好的非线特性、残压水平低、通流量大、动作快和无续流等特点。压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。当它两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值将接近无穷大，内部几乎无电流流过；当它两端所加电压略高于标称额定电压值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大；当它两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器又恢复为高阻状态；当两端所加电压超过最大限制电压值时，压敏电阻器将完全击穿损坏，再无法自行恢复。压敏电阻的选用，一般根据标称压敏电压 V1mA 和通流容量两个参数选取。压敏电压V1mA，即阈值电压或击穿电压，是指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA 直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。V1mA=1.5Vp2.2VAC，其中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC 为额定交流电压的有效值。通流容量，即最大脉冲电流的峰值在环境温度为 25情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过10时的最大脉冲电流值。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用 120KA 的产品。由于控制系统的的额定电压为 220V，压敏电阻的压敏电压V1mA=1.5Vp=1.5220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，设计中的压敏电中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 45 页阻的击穿电压可选在 470480V 之间。本设计选取的压敏电阻的型号为14D511K，通流容量为 4500A，压敏电压 V1mA 为 510V1718。3.1.2 直流中间电路的设计本设计的直流中间电路主要由滤波电路、泵升电压限制电路和启动电路组成。（1）滤波电路滤波电路采用铝电解电容滤波，它的主要功能有三点：一是滤除二极