直流電動機可調可控直流穩(wěn)壓電源的設計

1、第一章 緒論1.1 電機調速方案脈寬調制技術是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術的理論基礎為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。直流電動機的轉速和其他參量的關系可表示為 （1-1）式中 ：電樞供電電壓（V）。 ：電樞電流（A）。 ：勵磁磁通（Wb）。 ：電樞回路總電阻（）。 ：電勢系數。1.2 本設計內容簡介本系統采用P

2、WM調壓調速，設計包括主電路、觸發(fā)電路、驅動電路三個部分，如圖1.1所示。 圖1.1 總體結構框圖交流電源由電網接入，經過變壓器變壓后輸入整流橋變?yōu)橹绷鳌Ｍㄟ^調節(jié)占空比來調節(jié)斬波輸出電壓以控制電機電樞電壓，調節(jié)電機轉速。第二章 主電路的設計2.1 電路原理圖說明主電路的結構如圖2.1所示。圖中組成電網濾波器，單項整流橋及電容組成的輸入整流濾波器。主功率開關元件IGBT構成斬波器，他在控制電路產生的PWM脈沖作用下，根據用戶所需要的電壓按照一定的占空比導通或關斷；經電感和電容濾波后，向負載提供一個可調的平滑直流電壓。并聯在電源輸出端的電阻R1用來給負載提供最小的負載電流，以滿足電源在輕載狀態(tài)下，

3、電感續(xù)流的要求。 圖2.1 主電路原理圖 2.2 電路工作狀態(tài)分析（1） 整流輸出工作原理及波形分析 圖2.2 整流電路原理圖基本工作過程： 在正半周過零點至wt=0期間，因<，故二極管均不導通，此階段電容向放電，提供負載所需電流，同時下降。 至wt=0之后，將要超過，使得D1和D4開通，=，交流電源向電容充電，同時向負載R1供電。 電容被充電到wt=q時，=，D1和D4關斷。電容開始以時間常數RC按指數函數放電。 當wt=p，即放電經過p-q角時，Ud降至開始充電時的初值，另一對二極管D2和D3導通，此后又向充電，與正半周的情況一樣，如圖2.3所示。 圖2.3 電容濾波對整流電路的影響

4、主要的數量關系：:1、輸出電壓平均值 1) 空載時， 。2) 重載時，逐漸趨近于0.9，即趨近于接近電阻負載時的特性。3) 在設計時根據負載的情況選擇電容C值，使,此時輸出電壓為：1.2 (2.1) 2、電流平均值 1) 輸出電流平均值為： =/R (2.2) = (2.3) 2) 二極管電流平均值為：=/2=/2 (2.4) 3、二極管承受的電壓 1) 為變壓器二次側電壓最大值，即 。 （2）斬波電路工作原理及波形分析 圖2.4 斬波電路原理圖直流降壓斬波電路基本工作原理：直流降壓斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現反電動勢，如圖

5、中Em所示。t=0時刻，驅動V導通，電源向負載供電，負載電壓=，負載電流按指數曲線上升。t=時刻，控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數曲線下降，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小或基本維持不變。 圖2.5 斬波電路波形圖 當電感足夠大，電流連續(xù)時，負載電壓的平均值可化簡得： （2.5）所以輸出電壓為： （2.6） 其中：=，為降壓比。 降壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是電感儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容可將輸出電壓保持住。2.3 主要元件選型一、電力二極管的選擇由設計要求知道輸入交流電壓=220V，整流輸出電壓為=200V，斬

6、波輸出電壓為0220V直流恒壓，對于斬波電路其控制波形的占空比為0%98%， 故對于電力二極管：電力二極管平均電流為：=1/2=（37）A電力二極管承受最大反壓：=1.414=311V考慮安全裕度，電力二極管額定電壓=（23）×311=（622 933）V。取電力二極管額定電壓=940V。流過電力二極管電流有效值=/1.414=(1.4145.66)A考慮裕量問題，一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結果的1.5 2倍。根據正弦半波波形平均值與有效值比為1:1.5；故需電力二極管的額定電流為：=（1.52）*5.66/1.57=（5.47.2）A。在考慮裕量，將計算結果放大到兩倍，

7、本設計選取取額定電流15A的電力二極管。二、濾波電容的選擇濾波電容選擇一般根據放電的時間常數計算，負載越大，要求紋波系數越小，一般不做嚴格計算，多取2000 uF以上。因該系統負載較大，故取=0.15F；耐壓：1.5=1.5×220=360V，取360V。即選用0.15F、360V電容器。三、IGBT的選擇因為=220V，則取3倍裕量，選耐壓為660V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜，因此選用60A,額定電壓為240V以上的IGBT。本設計選用FGL60N100BNTD  &#

8、160; 60A，300V，IGBT。 四、 續(xù)流二極管的選擇根據公式U=（23）=（160240）V，而電流I=(1.52)I2=(1216)A,為了留出充足裕量，選擇了額定電壓為240V、額定電流為20A的續(xù)流二極。五、 輸出濾波器元件參數的選擇： 在主電路中，L1、C2構成電源輸出濾波器。為了維持電感的濾波效果，上鋸齒波電流的 最小值必須大于或等于零。因此必須滿足下列條件： （2.7）式中，：IGBT輸入電壓；：電源輸出電壓，：電感續(xù)流二極管的凝結負載電流；：IGBT的導通時間。越大，輸出電流紋波越小，所允許的臨界負載電流也越小，但考慮到電感的損耗、體積及動態(tài)特性的影響，不宜過

9、大，通常取(1.51.2) 本設計取=0.1H。 濾波電容可由式（2.9）算出，本設計中取0.01F。 （2.8）（7）變壓器參數選擇：由于PWM控制信號中最大脈沖寬度為50%，系統要求可知，本設計所采用的變壓器一、二次線電壓分別為220V和400V。變比K=400/220=1.82，因為1.2，故采用的變壓器二次側電壓為U=400V。又由于電樞電流達到6A左右，其中電機啟動電流達到了50A，為了留出充足裕量，本設計采用的變壓器額定電流為I=60A。故變壓器容量為S=UI=2400VA，考慮到裕量問題，我們采用的變壓器容量為2.4KVA。第三章 控制電路的設計3.1 觸發(fā)電路設計斬波電路有三種

10、控制方式：（1）保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調制或脈沖調寬型：（2）保持導通時間不變，改變開關周期T，成為頻率調制或調頻型；（3）導通時間和周期T都可調，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產生方法有很多。這里我使用的是IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如圖3.1。圖3.1 PWM信號產生電路SG3525所產生的僅僅只是PWM控制信號，強度不夠，不能夠直接去驅動IGBT，中間還需要有驅動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產生。因此，還需要對控制電路和主電路進行電氣隔離。

11、3.2 驅動電路設計IGBT是電力電子器件，控制電路產生的控制信號一般難以直接驅動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導致電力電子器件的損壞。因而還設計中還學要有帶電器隔離的部分。具體來講IGBT的驅動要求有以下幾點：（1）動態(tài)驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。否則IGBT會在開通及關延時，同時要保證當IGBT損壞時驅動電路中的其他元件 不會被損壞。（2）能向 IGBT提供適當的正向和反向柵壓，一般取+15 V左右的正向柵壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。（3）具有柵壓限幅電路，保護柵極不

12、被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20 V，驅動信號超出此范圍可能破壞柵極。（4）當 IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。當然驅動電路還要注意其他幾個問題。主要是要選擇合適的柵極電阻Rg和Rge。以及要有足夠的輸入輸出電隔離能力。這里，使用了EXB841集成電路作為IGBT的驅動電路。其具體電路原理圖參見圖3.2。圖3.2中的標號Y1、Y2分別與圖3.1中的Y1、Y2相連。EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典

13、型的驅動電路。其功能比較完善，在國內得到了廣泛應用。當EXB841輸人端腳14和腳15有10m A的電流流過時，光禍ISO1導通，A點電位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D點電位上升至20 V,V4導通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻Rg向一個IGBT提供電流使之迅速導通?？刂齐娐肥笶XB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光藕ISO1不通，A點電位上升使V1和V2導通;V2導通使V4截止、V5導通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，使EXB841的腳3電位迅速下降至0V(相對于EXB841腳1低5 V)，使IGBT可靠關斷。設IGBT已正常導通，則V1和V2截止，V4

14、導通，V5截止，B點和C點電位穩(wěn)定在8V左右，Vzi不被擊穿，V3截止，E點電位保持為20 V，二極管VD6截止。若此時發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退飽和，uce上升很多，二極管VD7截止，則EXB841的腳6"懸空”,B點和C點電位開始由8V上升;當上升至13V時，VZ，被擊穿，V3導通，C4通過R，和V3放電，E點電位逐步下降，二極管VU6導通時D點電位也逐步下降，使EXB 841的腳3電位也逐步下降，緩慢關斷IGBT。對于EXB841，它本身存在一些不足之處。例如過流保護閾值過高，保護存在盲區(qū)，軟關斷保護不可靠，負偏壓不足，過流保護五自鎖功能等。為此，對驅動電路進行了一些優(yōu)化

15、，還增加了故障信號封鎖電路。這些主要都是為了加強對電路的保護，屬于保護電路的范疇。圖3.2 驅動電路原理圖第四章 仿真分析與調試本設計采用Matlab軟件仿真分析及SIMULINK環(huán)境下的仿真工具。simulink環(huán)境下仿真工具PSB(Power System Blocksets) 是為電力電子系統以及電力傳動系統而設計的。它的基礎是MATLAB中的simulink。4.1 建立仿真模型在電力電子設計過程中利用MATLAB來進行仿真建模分析有很大的好處，它不但非常方便而且能夠在很大程度范圍內減少因設計問題而造成的浪費。這里的仿真主要是運用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simul

16、ink的元件庫中找到需要用的元件，然后搭建相應的主電路，設置好參數后即可進行仿真。選擇電機的屬性如圖4.1所示。圖4.1 電機參數及屬性仿真電路中，用虛擬的示波器監(jiān)控了斬波電路輸出電壓輸出電流的波形，以及IGBT電壓電流的波形。另外還在電路中加了一個濾波電容。設定好元器件的參數之后,還需要設置仿真算法和仿真時間。本設計設置如圖4.2所示。圖4.2 MATLAB 屬性設置有一類特殊的微分方程，其中一些解變化緩慢，另一些變化快，且相差較懸殊，這類方程常常稱為剛性方程，又稱為Stiff方程。剛性方程一般不適合用ode45()求解。通常電力電子仿真中大量存在非線性環(huán)節(jié)，算法ode15s比較適用。由圖可

17、見，本設計設定為60S的仿真時間。設置的仿真算法是ode15S。仿真電路圖見附錄一。4.2 仿真結果與分析變壓器二次側輸出電壓波如圖4.3： 圖4.3 變壓器二次側輸出電壓波形從上圖可以看出，變壓器二次側輸出電壓值穩(wěn)定值為400V。（1） 額定電壓時運行分析電樞電壓波形如圖4.4所示：圖4.4 額定電壓時電樞電壓波形經整流、斬波環(huán)節(jié)輸出最大電壓穩(wěn)定值為240V，等于所采用直流電機額定電壓大小。電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩如圖4.5所示：圖4.5 電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩波形如圖可知，電機轉速n=178rad/min。（2） PWM信號為30%時，電路運行分析電樞電壓波形如圖如圖4.6所示：圖4.6 PWM信號為30%時電樞電壓波形當PWM信號占空比為30%時，輸入的電樞電壓為Ua201V。電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩如圖4.7所示： 圖4.7 PWM信號為30%時電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩由圖可知，PWM信號為30%時額定電壓下直流電機運行轉速n117r/min。（3） PWM信號為20%時，電路運行分析 電樞電壓波形如圖：圖4.9 PWM信號為20%時電樞電壓波形當PWM信號占空比為20%時，輸入的電樞電壓為Ua120V。電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩：圖4.10 PWM信號為20%時電機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁