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1、开关磁阻电动机的 调速控制理论与设计,江苏大学 电气信息工程学院,第1页,第三章,第四章,第2页,功率变换系统的组成: 电流的整流与滤波; 功率变换的主电路(开关主电路); 主开关的驱动与保护; 位置与转速的控制; 电流电压的控制。,第三章 SRM功率变换器与控制电路的设计方法,第3页,典型的整流与主开关电路如下图:,第一节 整流与主开关电路,第4页,一、整流电路: 组成:整流模块(普通二极管模块); 滤波电容(有极性电容,耐压为峰值); 交流侧保护(阻容,压敏电阻等); 直流侧保护(电流保护为主)。 元件参数:整流管(平均电流IV,额定电压UC) 滤波电容:C1RP (4 - 5)TP(脉动
2、周期) C2 与 Rp 为经验参数 C2 :10-7 10-8 F RP :,输入电压波形,电容电压与整流桥输出电流,交流侧输入电压与输入电流,第5页,第6页,二、主开关电路:,1. 常用的主电路的结构与特点:,双开关式主电路,第7页,电容分压式主电路,第8页,双绕组式主电路,第9页,公共开关式主电路,第10页,2主电路开关元件的介绍与选择,元件介绍,、主电路开关元件的介绍与选择,(1)SCR:高电压、大电流、大功率容量、低正向压降, 速度慢(几百Hz) 4500A/12000V ;,(2)GTR:自关断、小功率、速度较快(几十KHz)存在 二次击穿现象 1000A/1800V ;,(3)GT
3、O:(可关断可控硅),优点同SCR,加上可自关断 6000A/6500V;缺点:关断控制电流太大,应用复杂;,(4)MOSFET:电压控制型,小功率,正向压降大,速度快 (2MHZ)150A/1000V ;,(5)IGBT:集成功率模块,具有MOSFET与GTR的双重优 点, 速度与MOSFET相当1000A/4500V;,第11页,(6)IPM:驱动、过压、过流、短路、过热,且电压保护与主 电路元件封装在一起, (主电路可有不同类型,要根据 型号,主要为IGBT,注入增强型栅晶体管);,(7)MCT:MOS控制晶闸管,也叫MOS-GTO(50A/1000V)取代 SCR、GTR、排挤IGBT
4、 ;,(8)IGCT:集成门极换向晶闸管(GCT) (V:4500V;ITGQ : 4000A) 串上N沟道和P沟道MOSFET,关断时电流全部从门极流出。,MOSFET内部结构断面示意图,电气图形符号,第12页,(一)漏极额定电流ID和峰值电流IDM (二)通态电阻rDS(ON) (三)阀值电压UGS(th) (四)漏源击穿电压U(BR)DSS (五)最大结温TJM (六)最大耗散功率PD (七)热阻,第13页,第14页,第15页,IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,第16页,IGBT的开关过程,第17页,第18页,参数选择:额定电压、额定电流、工作频率 电压和电流
5、: 双开关式主电路,开关管承受电压=电源电压; 开关管的平均电流=(1/N)总电流; 电容分压式主电路: 与双开关式主电路相同,但电机绕组电压仅为双开关电 路的1/2; 双绕组式主电路: 主开关管承受电压 = 2电源电压; 电流同上 公共开关式主电路: 主开关管承受电压=电源电压; 相开关管承受电压=2电源电压; 主开关管的电流=Ie ; 相开关管的电流=Ie/N,三、主开电路的保护,1电压保护,续流电路要合理可靠,开通,恢复速度要大于主开管。R、C、D瞬态电压保护。,第19页,图:R、C、D关断保护电路,RS为漏感储能的释放电阻,DS是抑制集电极尖峰电压阻尼振荡二极管,CS为开断吸收电容,以
6、减少开关管的关断损耗和保护瞬间尖峰电压击穿开关管。,关断时的负载线,第20页,第21页,参数计算原则:,依据: 开关管的关断时间tf 相电流Iph 电源电压Us 电流斩波频率f,第22页,2电流保护,采用开关管的正向压降作为基本信号,采用专用电流检测电路进行锁定钳位保护。,采用管压降作为保护信号,第23页,采用外部电流检测的钳位保护,第24页,第二节 主开关管的驱动电路,一、主开关管对驱动电路的基本要求,1. 要能的驱动开关管可靠的饱和导通和可靠的截止关断;,2. 驱动频率能够满足主开管的要求;,3. 具有可靠的隔离能力和抗干扰能力和保护功能。,二、典型器件的驱动和常用模块,1SCR: 主要脉
7、冲变压器,光电隔离器件的驱动。,SCR驱动功能的特点: 进行移相触发; 调功触发。,第25页,常用的如,相移式:,KJ001 KJ011 KM KM ,过零与移相功能兼有,如:,KTM03 (双向晶闸管移相,过零触发),内部全数字 KC168 智能型全数字 KC188,第26页,2GTO导通驱动与SCR相仿,关断要靠快速、较大的反向电流 控制关断,控制比较复杂要求比较高,GTO常用的专用门 极驱动控制集成模块HL301A(加工厂外围的功率电路)。 GTO的驱动是GTO应用技术的关键。目前还在不断研究与发 展(“硬驱动”技术)。,3GTR 驱动的关键技术:是基极合理驱动和快速有效的保 护(比晶闸
8、管要复杂得多)。 国产HL201、HL202、EXB356、EXB357(日本富士合作)、 M57XXX系列(日本三菱合作)等。,4MOSFET各个公司生产器件基本有与其相配套的驱动电路。 典型(合作国产)IR21XX系列。,第27页,5IGBT的使用的关键问题同样是栅极驱动和快速有效的保护 问题,一般情况下,IGBT均采用专用的驱动保护集成模块,加上一些外接元件组成驱动电路,典型的驱动专用模块,EXB850、EXB851(标准型115KHZ)、EXB840、EXB841 (高速型、40KHZ)、M579XX系列、HL40XX系列。,EXB841的应用介绍:,EXB系列驱动器内部结构框图,第2
9、8页,第29页,EXB系列驱动器的引脚图,EXB 的内部电路原理图,第30页,第31页,EXB8系列驱动的典型应用图,M57962L 的内部电路原理图,第32页,M57962L外形图,M57962L 接线图,第34页,VGE=15V时的IGBT(FF200R12KE3)典型输出特性,第35页,第36页,光耦隔离MOSFET驱动器 HCPL3120 TLP250,IR2110 典型接线图,第37页,IR2110 内部原理图,第38页,第39页,IR2130 典型接线图,IR2130驱动模块(可以同时驱动六个MOSFET或IGBT,仅需1个输入级电源,采用悬浮电源连接)。,第40页,IR2130
10、内部原理图,2SD315A原理框图,第41页,具有使能端的双4A低端高速MOSFET驱动器UCC27424,第42页,变压器隔离MOSFET/IGBT驱动电路,第43页,HKX工作原理图,第44页,转子位置信号的测量处理和细分;,常用传感元件:霍尔传感器、光电传感器、 专用磁栅和光栅编码盘。,1. HKX霍尔翼片传感器:,测量原理:,信号的测量与隔离整形,第45页,第46页,典型的光电传感器的检测电路,2. 光电传感器:,位置角度的细分技术:,第47页,1硬件细分:采用锁相环和计数器进行细分,锁相环的基本工作原理,组成:频率鉴相器PC、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO 。,锁相环原理电路,采
11、用锁相环和计数器进行细分原理图,第48页,2数字细分,第49页,方法:,由微处理器(定时计数器)产生高频固定周期的 细脉冲(周期由最高转速下的精度要求来决定),(2) 对固定角度的脉冲进行计数。,(3) 确定单个小脉冲对应的角度数( ),第50页,第三节 位置信号的逻辑与控制,1、基本概念:,定子的极距角: 定、转子的极距差:,转子的齿距角:,相电感的周期角:,第51页,相电感的相位差:,临相可导通的最大间隔为:二相电感的相位差( ) 各相的理论导通区域: 正反转运行的关系角 ,若 分别为正向运行时的开通角和关断角,则反转关系角 。,第52页,位置传感器的空间间隔角 :,2、基本概念的说明:,
12、齿盘方案与传感器位置图,控制信号图,8/6极:,6/4极:,第53页,3、逻辑译码与控制,在确定控制策略后,决定SRM相绕组的运行方式,不同的运行方式有不同的位置信号的检测、译码与控制方式。,各相的理论导通角度 22.5,传感器齿、槽均为30, 采用两个传感器SP 、Sa ,空间间隔为:15。,传感盘与传感器的安装图,(若起始角为0, 则SP 装在相轴线前22.5处),临相导通间隔为:,例如:对于8/6极SRM,运行方式: (1)四相单四拍运行。,第54页,各相控制逻辑为(P装在A相轴线处 ,起始角为 ),第55页,(2) 四相双拍运行,每相导通,若采用凸凹相间的传感盘(齿宽为 ),采用两个传
13、感器,相间隔为 。 各相控制逻辑为:(起始角由传感器的相对位置决定),第56页,正反转逻辑控制示意图,第57页,实现上述逻辑的电路为:,8/6级SRM双四拍运行逻辑变换图,(细分前后移动控制,电流斩波控制),第58页,(3) 6/4极SRM,运行形式: 三相双三拍运行。 三只传感器SP、SQ、SR ,传感器为:齿、槽均为450,则控 制信号的逻辑为:,正反转逻辑控制示意图,第59页,第四节 转速和电流的测量,一. 转速测量,在电机的调速控制系统中,转速的测量关键问题在于实时性和测量的精度。,1、输入反馈量为模拟量,需要将单位时间内脉冲的变化转变成电压大小的变化(位置信号脉冲的占空比不变,周期在
14、变),第60页,可采用 变换器(注意速度变化引起输出量的波动),典型的集成芯片: LM2917,LM331,第61页,LM2917 内部原理图,7.56V,第62页,采用LM2917的频压转换电路,C1,R1,第63页,采用LM331的频压转换电路,第64页,2、输入反馈量为数字量,方法:,(1)频率法:在设定时间T内,对输入脉冲计数,即,在某一确定时间内测转速,缺点是低速误差大,高速实时性太差; (2)周期法:在设定的转角Q内,测量所需用的时间,由此计算转速,这种方法在高速时精度和分辨率不够高,但是只要所取的单位时间足够小,选的被测角度足够小,其P实时性和精度均能满足; 若每转用周期法测量N
15、次,测试所用标准脉冲的频率为f0,某一次测量的脉冲数为 ,则转速 (该过程可以通过计算机内的定时计数器来实现),二、电流的测量,电流的检测元件,常用:,一般来讲在SRM中和其它的电机调速控制中的内环 控制对电流的精度要求不高,而对它的实时快速性要求 很高,所以在SRM中的电流测量可以采用线性度较好的 光电隔离器件传送。,关键靠通道信号传感的实时性和可靠的隔离。,1、霍尔传感器,2、电阻(感性小)直接取样,第65页,第66页,电流传感器检测电路,直接检测式霍尔电流互感器,第67页,第68页,磁平衡式霍尔电流传感器原理框图,第69页,磁平衡式霍尔电流传感器原理图,第70页,HCPL7820内部原理图,光耦隔离放大器原理图,第71页,ISO124隔离放大器内部原理图,第72页,ISO124隔离放大器原理图符号,第73页,第74页,三. 电流过载保护与电流斩波硬件电路,过载保护电路,第75页,滞环