控式交流调压调速系统(DOC)

1、河南机电高等专科学校1目录第一章 设计内容与设计要求 .11.1.设计内容.11.1.2. 控制电路设计与分析 .11.2 设计要求.1第二章主电路工作原理及器件选择.22.1 系统总体方案确定.22.2 主要技术条件及要求.52.3 开关器件的选择 .52.3.1开关管 IGBT 的选择.52.3.2续流二极管的选择 . 62.3.3 具体参数计算. 62.4 交流斩波调压的基本原理 .72.5 主电路原理.72.6 主电路结构设计.82.7 主电路保护设计.9第三章 控制及驱动电路原理 .113.1 主控制芯片的详细说明 .113.1.1 芯片的选择.113.1.2芯片的详细介绍 .113

2、.1.3芯片的工作原理.133.2 驱动电路设计及工作原理 .14第四章 保护电路及设计 .164.1 过零检测及续流触发电路 .164.2 输出限流电路.174.3 输入过压电路 .17河南机电高等专科学校2第五章数据分析及结论.18河南机电高等专科学校1第一章 设计内容与设计要求1.1.设计内容1.1.1 .电路功能1） 用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。2） 电路由主电路与控制电路组成， 主电路主要环节：主电力电子开关与续 流管。控制电路主要环节：脉宽调制 PWNfe路、电压电流检测单元、驱动电路、 检测与故障保护电路。3） 主电路电力电子开关器件采用 GTR IG

3、BT 或 MOSFET4） 系统具有完善的保护。1.1.2.控制电路设计与分析1） 检测电路设计。2） 功能单元电路设计。3） 控制电路波形观察。4） 交流调压性能测试。1.2 设计要求1. 比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的调压原理、特征及其功率因数？2. 采用何种方式可提高斩控式交流调压电路输出电压的稳定度？3. 对斩控式交流调压电路的输出电压波形作谐波分析？4. 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。5. 绘制总电路图。6. 写出设计报告。河南机电高等专科学校2第二章主电路工作原理及器件选择2.1 系统总体方案确定交流调压的控制方式有三种：1 磁饱和式调压器；

4、2 机械式调压器；3 电子 式调压器。整周波控制调压一一适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。 目前有晶闸管凋压器和逆变式调 压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器 采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。晶闸管导通时间与关断时 间之比，使交流开关在某几个周波连续导通， 某几个周波连续关断，如此反复循 环地运行，其输出电压的波形如图 2 所示。改变导通的周波数和控制周期的周波 数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周 波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始

5、导通。在 负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数 次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。0相位控制调压一一利用控制触发滞后角a的方法，控制输出电压。晶闸管承 受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角a。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同， 电阻性负载最大，纯感性负载最小。图 3 是阻性负载时相控方式的交流调压电路 的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量， 当负载是电河南机电高等专科学校3动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。 另外它还会引起电源电压畸 变。为减少

6、对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。S 3 相位垃嶄町输出电圧戒形斩波控制调压一一使开关在一个电源周期中多次通断， 将输入电压切成几个 小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出 电压的质量较高 对电源的影响也较小。图 4 是斩波控制的交流调压电路的输出 电压波形。困 4浙竄控制交流调压电略吋输出电压就珍在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联 的双向开关 S1 夕卜，还须与负载并联一只双向开关 S2。当开关 S1 导通，S2 关断 时，输出电压等于输入电压；开关 S1 关断，S2 导通时,输出电压为零。控制开河南机电

7、高等专科学校4关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2 动作的频率称斩波频率。 斩波频率越高，输出电压中的谐波电压频率越高，滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时， 输出电压中会产生分数次谐波。当斩 波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电 压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用 功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT 等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲， 改变导通比即可实现调压。本次

8、课程设计采用斩波控式制单相交流调压。斩控式交流调压电路的原理图如图 5 所示，一般采用全控型器件作为开关器 件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u1 的正半周，用 V1 进行斩波控制，用 V3 给负载电流提供续流通道；在 u1 的负半周，用 V2 进行斩波控制，用 V4 给负载电流提供续流通道。设载波器件（V1 或 V2）导通 时间为 ton,开关周期为 T,贝 U 导通比 a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通 过改变 a 来调节输出电压。图 5 给出了电阻性负载时负载电压 uO 和电源电流 i1

9、 （也就是负载电流）的波 形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T 有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接 近 1。VD1订占平图 5 晶闸管斩控式阻感调压电路河南机电高等专科学校5本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图6 所示，首先是交流输入电压为 220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波， 输出电压为 0160 V，然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时钟震荡器及脉宽PWM调制均由芯片形成控制部分。图 6 电路的结构框图2.2 主要技术条件

10、及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流 220V，输出电压要求是 0160 V，最大输出电流为 200A,功率因数大于或等于 0.7。能同时实现电压电流的检测及过压过流等一些 故障的保护。2.3 开关器件的选择2.3.1 开关管 IGBT 的选择开关管 IGBT 的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全 部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO 必须大于交流电路的输出电压 Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压U按功率转输岀滤换电路 2波电路 4控制部分IIIIIIII输入咅畑交流输入V输岀咅

11、盼 a功率转换咅盼匸河南机电高等专科学校6U 2.5Uwi二 500V当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管， 因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB 可由下式求得，取开关管的截止时间为 2S：2.3.2 续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管传输到负载.由此可知, 续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流当开关管饱和 时，集电极间的电压可以忽略不记， 续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路 的输出电压 Uwi。本实验续流管仍然选用的是 IGBT。233 具体参数计算给定参数为 U1=200V,Id=18A1、U0 的计

12、算U0 最小值为 0,最大值为 220V。这里选取 200 乂则电阻为 R=U0/ld=10 门功率因素=U0/U1=0.992、二极管参数计算二极管承受反向最大电压 Udm=1.414U1=282V 考虑 2 倍裕量，则Uvd=2*282=564V 取 600V。VD1、VD2 的有效电流 IVT=0.5*Id=9A,考虑 2 倍裕量，因此取 ld=18A。VD3、VD4 的有效电流为 0,因为 VD3 VD4 属于续流部分，此部分输出电压为 0,固电流也为 0。4、IGBT 及续流管的选择因为 U1=200V，取 3 倍裕量，选耐压为 600V 以上的 IGBT。由于 IGBT 是 以最下

13、式选取:式中 I0 为负载的电流,Io賠toffUwi 为整流输出电压,21Atoff 为河南机电高等专科学校7大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系，故应选用大于 4 倍额定负 载电流的IGBT为宜， 因此选用72A,额定电压600V左右的IGBT。 因为续流管 也是IGBT，固可以同上。2.4 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图 7 所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占 空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、占空比可调的 电压波形。该电压的调制频率 f0，其基本谐波频率为土 50Hz。改变占空比，即 可改变输出电压。利用具有自关断能力的电力半导体器件

14、就可方便地构成交流2.5 主电路原理斩控式交流调压电路的原理图如图 8 所示，一般采用全控型器件作为开关器 件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处， 只是直流斩波电路的输入是直流电 压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源 u1 的正半周， 用 V1 进行斩波控制， 用 V3 给负载电流提供续流 通道；在 u1 的负半周，用 V2 进行斩波控制，用 V4 给负载电流提供续流通道。 设载波器件河南机电高等专科学校8（V1 或 V2）导通时间为 ton，开关周期为 T,则导通比 a=ton/T。和 直流斩波电路一样，也可以通过改变 a 来调节输出电压。图 8 斩控式交流调压主电路原

15、理图图 8 给出了电阻性负载时负载电压 uO 和电源电流 i1 （也就是负载电流）的波 形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T 有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接 近 1。2.6 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图 8 所示的主电路，主回路 由QIQ3 三个 VMOS 管和 D1 D3 三个二极管组成的全控整流电路实现对交流 输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电流流经VD1、Q3、VD3 ；当交流输入处于负半周时，电流流经

16、VD2、Q3、VD4、； Q3 始终处于正向电压 作用下，当在 Q3 源栅极之间加入触发信号时，Q3 处于开关状态。调整加在栅 极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3 处于开关状态，且 VMOS管具有很小的关断时间，只要适当选择较低的饱和压降，Q3 的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由Q1、Q2 及 D1、D2 组成的续流环节。当 Q3 关断时，在电压处于正半周时，Q2 导通,河南机电高等专科学校9Q1 关断，流经负载的电流通过 Q2、D1 续流。在电压负半周，Q1 导通，Q2 关 断，流经负载的电流通过 Q1、D2 续流。为防止 Q1、Q

17、2、Q3 同时导通而引起 较大的短路电流，对加在 Q1 和 Q2 上的触发信号有一定要求，这在过零触发电 路中讨论。图中 L1、C1 为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对 外线路的干扰。L2、C2 为输出滤波环节，由于本机调制频率取得较高，所以L2和 C2 只需很小值即可。其中每个 VMOS 管都有保护装置如图所示。图 9 王电路图其中 Q3 的 PWM 波控制由 PWM 波发生器通过对给定的调整产生，输出占空比 一定的 PWM 波。2.7 主电路保护设计为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。

18、主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的主电路图设计中，在开 关器件 Q3 的触发控制电路中将提供过流保护，在后面的控制电路中将会介绍。 第二类是外部保护电路，主要包括过流保护装置（如保险管、自恢复保险丝、熔 断电阻器等）、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路（或 R、C、VD 型吸收电压输出2Q2河南机电高等专科学校10电路）、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计 采用接触器的方式，具体电路如下图所示。在主电路上有一个线圈 KM 的常闭触点，在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压与比较器上设定的正5 伏电压相比

19、较，如果电路出现了过电压的现象，输出电压就会高于设定值，比较器就会输出电压，使三极管导通，这样就会使线圈 KM 的保护电路接通，线圈就会被通电，KM 在主电路的常闭触点就会断开， 从而达到保护主电路的作用。Date:1 7-Jan -200 7SFile:高频交流调压斩波图DDBD67河南机电高等专科学校11第三章控制及驱动电路原理3.1 主控制芯片的详细说明3.1.1 芯片的选择本次课程设计由芯片 SG3525 产生脉冲，来控制 MOSFE 来实现斩波调压，它 具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用。3.1.2 芯片的详细介绍随着电能变换技术的发展，功率 MOSFE 在开关

20、变换器中开始广泛使用，为 此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出 SG3525 SG3525 是用于驱动 N 沟道功率 MOSFET 其产品一推出就受到广泛好评。SG3525 系列 PWM 控制器分： 军品、工业品、民品三个等级。下面我们对 SG3525 特点、弓 I 脚功能、电气参数、 工作原理以及典型应用进行介绍。SG3525 是电流控制型 PW 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反 馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与 误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差 电压变化而变化。由于结构上有电压环和

21、电流环双环系统， 因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。SG3525 引脚功能及特点简介其原理图如图 4.13 下：1.Inv.input（引脚 1）:误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接 反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input（引脚 2）:误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统 中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync（引脚 3）:振荡器外接同步信号输入端。

22、该端接外部同步脉冲信号可 实现与外电路同步。4.OSC.Output（引脚 4）:振荡器输出端。5.CT（引脚 5）:振荡器定时电容接入端。6.RT （引脚 6）:振荡器定时电阻接入端。河南机电高等专科学校12图4.13 3G3525内部框图7.Discharge （ 引脚 7） :振荡器放电端。 该端与引脚 5 之间外接一只放电电 阻，构成放电回路。8.Soft-Start（ 引脚 8）:软启动电容接入端。该端通常接一只 5 的软启动电 容。9.Compensation（ 引脚 9）: PWM 匕较器补偿信号输入端。在该端与引脚 2 之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等

23、类型调节器。10.Shutdown（引脚 10）:外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出 被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.Output A （引脚 11）:输出端 A。引脚 11 和引脚 14 是两路互补输出端。12.Ground（ 引脚 12）:信号地。13.Vc（引脚 13）:输出级偏置电压接入端。16Vref 015Vcc 0-*-12Ground 4OSC. Output -Compensation aINV input oKoninv. inputZ8Soft-Start 0Vc基准电源融发器胃Sa0SyncRT5 叫CTDischarge13QSG3525

24、A犒出级_ io sjkShut down 0W河南机电高等专科学校1314.0utput B （引脚 14）：输出端 B。引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。15. VCC （引脚 15）:偏置电源接入端。16. Vref（ 引脚 16）:基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。特点如下：（1）工作电压范围宽：835V。（2）5.1 （ 1 1.0%）V 微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz? 400KHZ.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有 PWM 琐存功能，禁止多脉冲。（9

25、）逐个脉冲关断。（10） 双路输出（灌电流/拉电流）：mA（峰值）。3.1.3 芯片的工作原理SG3525 内置了 5.1V 精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入 电压范围内，无须外接分压电组。SG3525 还增加了同步功能，可以工作在主从 模也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在 CT 引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。 由于 SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525 的软启动接入端（引脚 8） 上通常接一个 5 的软启动电容。上电过 程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动

26、电容接入端相连的 PWI 比较 器反向输入端处于低电平，PWI 比较器输出高电平。此时，PWM 琐存器的输出也 为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚 8 处于高电平时，SG3525 才开始工作。由于 实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变河南机电高等专科学校14化而升高时， 误差放大器的输出将减小， 这将导致 PWM 比较器输出为正的时间变 长，PWM 琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变 短，从而使输出

27、电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown （引脚 10）上的信号为高电平时，PWM 琐存器将立即动作，禁止 SG3525 勺输出，同时，软启 动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号 结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown 引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525 的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。 如果输入电压过低， 在 SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525 还具有以下功能，即无论因为什么原因造成P

28、WM 脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM 琐存器才被复位。3.2 驱动电路设计及工作原理采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路 相比，具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理框图如图 21。图1-21输入交流电压为 220V,经过同步变压器 T 后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为 180，分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525 进行调制（调制频率约为 2.5kHz ）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。工作过程为:VD1口VD2訪2调制、隔离及驱动FUTi7YM RS河南机电高等专科学校15当输入交流电处于正半波

29、时经调解制的方波信号施加于极，VT1 的控制电压为 OV,交流电经 L、R、VT2 VD1 构成回路； VT1、VT2 控制电压为 0,交流 ，从而在 R 上得到一完整的经过调制的单相正荒电处于负半周时，方波信号加于VT2 的栅极和源当输入交流弦s第有效值通过调节脉冲的占空比进行改变4D2 R、L141!胛了WWM血com河南机电高等专科学校1216345第四章保护电路及设计4.1 过零检测及续流触发电路当负载为阻感负载时，电路必须有续流环节，续流环节由Q1 和 Q2 两个MOSFE 来控制，当电压处于正半周时通过 Q2,在负半周时通过 Q1,但 Q1 与 Q2 之 间如何进行转变这必须有一个

30、正确的判断，这就需要过零检测电路。如下图所示， 交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和负向过零点， 故运用一个 正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中的Q1 和 Q2 两个 MOSFE 管控制端。AC-为了防止 Q1、 Q2 两个同时开通， 我们采用了互锁， 就是说 同时导通，在正半波，开通 Q2 管续流；在负半波，开通 Q1 管续流。+ 12V+ 15V2丁5R17-9V2Q1Q1、 Q2 管不可以-T3TRANS1U3AR13+5VU5+U3B+-9V1河南机电高等专科学校174.2输出限流电路为了防止输出电流超过额定电流，控制电路中设置了输出限流电路，如上图 所示，该电路采用 PI 调节器。5V 基准电压经电位器 RV2 分压后作为输出电流限 制值给定。输出电流由磁环构成的电流互感器 T201 检测。4.3 输入过压电路VlN端R2O9K210 10K图 4.3输入过压保护电路经二极管接到同输入欠压电路一样， 当发生过压时，比较器输出高电平，通 过二极管接至 CS 端，关断所有输出。总电路中，输入欠压、过压经与非门“或” 后，同输入欠压一样，当发生输入过压时R211R213 -3K到电流检测端河南机电高等专科学