《电力电子课程设计---直流电动机的斩波调速设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子课程设计---直流电动机的斩波调速设计（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1电力电子技术课程设计报告直流电动机的斩波调速设计指导教师： 学 生： 学 号： 专 业： 班 级： 设计日期： 重庆大学自动化学院2012 年 12 月2课程设计指导教师评定成绩表优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x6 0)不及格(xE 时电流连续，输出电流平均值大小为： 当 UoE 时，电流既无法通过 IGBT 也无法通过二极管。于是便出现了电流断续的现象。一般 不希望出现电流断续的现象，因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。 对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想，按 V 处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分 电流连续和断续
2、。在 V 处于通态期间，设负载电流为，可列出如下方程：1iEERidtdiLM11设此阶段电流初值为，=L/R,解上式得10I)1 (101t Mt eREEeIi在 V 处于断态期间，设负载电流为，可列出如下方程：2i0diL22MERidt直流电动机的斩波调速设计5设此阶段电流初值为，解上式得20I)1 (202onontt Mtt eREeIi当电流连续时，有)(2210tiI)(1120tiI电流连续时得出（1）（2）式中 ，RLTEEMm)(t(t11T T和分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 10I20I把式（1）和式（2）用泰勒级数近似，可得 （3）02010I)(REmII
3、平波电抗器 L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 式（3）所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则 电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 TIET0M2 00 RItEIon则 REEIM0假设电源电流平均值为，则有 1I001IITtIon其值小于等于负载电流，由上式得 0I0001IUEIEI即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。电流断续时有，且时，可以得出0I10xonttt020I直流电动机的斩波调速设计6)1 (1lnmemtx 当时，电路为电流断续工作状态， 是电流断续的条件，即11mee输出电压平均值为EmT
4、t TEttTEtUxonMxonon)t1 ()(0负载电流平均值为RE-U RE)()(1M0 2010 onmTttdtidtiTIxonttttxonon3.3 直流供电电路直流供电电路生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。本设计采 用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.由整流电路出来的电压含有较大的 纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用 RL 低通滤波器（通过串联一个电感， 滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。图如下图 3 所示：】【原理32protell图 4 直流供电电路 输入端接 220V、50
5、Hz 的市电，进过变压器 T1（原线圈/副线圈为 8.25）后输出 26.7V、50Hz。当同名端为正时 D1、D4 导通，D2、D3 截止，电压上正下负。当同名端为负 时 D1、D4 截止，D2、D3 导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能 突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能 突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件 的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为 24V 左右）。 由于采用不可控器件，则计算公式相当于可控期间的 =0 时的计算公式，即：直流电动机的斩波调速设
6、计7cos9 . 0)(Usin21E 0Uttd所以有UE9 . 0其中整流输如 U=110V，E 为整流输出电压（斩波电路的输入电压）。3.4 信号发生电路的设计信号发生电路的设计1）晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发电路，保证晶闸管在需要的时刻由 阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足以下要求： 1.触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 2.触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发 电流的 35 倍，脉冲前沿的陡度也需增加。 3.所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性 的可靠触发区域之内。 4.应有良好的抗干扰
7、性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 2）信号发生电路，是整个电路的控制电路，是整个电路的关键部分。没有这部分，就 没法实现斩波电路的控制，实现直流电机的调速。通过可调节的信号产生的电路，产生相应 的信号，通过 IGBT 的驱动电路来控制 IGBT 的通断，实现直流斩波，就能达到直流电动机调 速的目的。图 5 】【信号发生电路43.5 IGBT 驱动电路选驱动电路选IGBT 是电压型控制器件，为了能使 IGBT 安全可靠地开通和关断其驱动电路必须满足以下 的条件：直流电动机的斩波调速设计8IGBT 的栅电容比 VMOSFET 大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置 电压和门
8、极串联电阻。 （1）门极电压 任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为 20v），最 佳门极正向偏置电压为 15v 土 10。这个值足够令 IGBT 饱和导通；使导通损耗减至最小。 虽然门极电压为零就可使 IGBT 处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高 IGBT 的耐压、耐量和抗干扰能力，一般在使 IGBT 处于阻断状态时可在门极与源极之间加一个-5-15vdtdv的反向电压。 （2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻对 IGBT 的驱动相当重要。gRIGBT 的输入阻抗高压达 1091011，静态时不需要直流电流只需要对输入电容进行充放电 的动态电流。其直
9、流增益可达 108109，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少 IGBT 集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻，当增大时，会使gRgRIGBT 的通断时间延长，能耗增加；而减少 RF 又会使增高，可能损坏 IGBT。因此应根据dtdiIGBT 电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的，一般选心值为几十欧姆至gR几百欧姆。具体选择时要参考器件的使用手册。gR（3）驱动功率的要求IGBT 的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为，工GE作频率为 f，栅极电容为，则电源的最少峰值电流为：GECGGE GPRRi驱动电源的平均功率为：fCPG
10、EGEAV2IGBT 的过流保护 IGBT 的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产 生很大的短路电流，IGBT 饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过 流时，将短路电流及其关断时的 IV 运行轨迹限制在 IGBT 的短路安全工作区，用在损坏器 件之前，将 IGBT 关断来避免开关管的损坏。本设计采用了一个具有过流保护功能的光耦隔离的，如下图。】【的驱动电路5IGBT直流电动机的斩波调速设计9图 6 IGBT 驱动和过流保护电路图 6 中，高速光耦 6N137 实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合 高频应用场合。驱动主电路
11、采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了 驱动能力，使之适合于大功率 IGBT 的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生 过流时及时的关断 IGBT，其中 V1、V3、V4 构成驱动脉冲放大电路。V1 和 R5 构成一个射极 跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集 电极退饱和原理，D1、R6、R7 和 V2 构成短路信号检测电路其中 D1 采用快速恢复二极管， 为了防止 IGBT 关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通， 在栅源之间并接双向稳压管 D3 和 D4。如是 IGBT 的门极串联电阻。 正常
12、工作时： 当控制电路送来高电平信号时，光耦 6N137 导通，V1、V2 截止，V3 导通而 V4 截止， 该驱动电路向 IBGT 提供+15V 的驱动开启电压，使 IGBT 开通。 当控制电路送来低电平信号时，光耦 6N137 截至，VI、V2 导通。V4 导通而 v3 截止，该 驱动电路向 IBGT 提供-5v 的电压，使 IGBT 关闭。 当过流时： 当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15V 的电压几乎全加在 IGBT 上产生很大 的电流，此时在短路信号检测电路中 v2 截止，A 点的电位取决于 D1、R6、R7 和 Vces 的分 压决定，当主电路正常工作时，且 IGBT 导通时
13、，A 点保持低电平，从而低于 B 点电位。所 有 A1 输出低电平，此时 V5 截止，而 c 点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦 6N137 的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，IGBT 集电极退饱和，A 点电位升高，当高于 B 电位（即是所设置的电位）时，即是当电流超过设计定值时，A1 翻转而输出高电平，V5 导 通，从而将 C 点的电位箝在低电位状态，使与门 4081 始终输出低电平，即无论控制电路送 来是高电平或是低电平，输人到光耦 6N137 的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从 而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。3.6 保护电路保护电路1过电流保护电路
14、：晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸 管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶 闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在 另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流直流电动机的斩波调速设计10桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变 桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆 变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1）对于第一类过流，即
15、整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以 采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。图 7 晶闸管过电流保护电路2）对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电 路进行保护。2过电压保护：晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要 来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。， 包括换相过电压和关断过电压。 晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较 小，这里主要分析内因过电压的电路设计。 晶闸管内因过电压保护电路如图所示。图 8 晶闸
16、管过电压保护电路 这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和 di/dt 抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管，如下图。图 9 晶闸管过电压、di/dt 抑制保护电路直流电动机的斩波调速设计11如图所示，V 开通时刻缓冲电容 Cs 先通过 Rs 向 V 放电，使电流 iC 先上一个台阶，以后 因为有 di/dt 抑制电路的 Li，iC 的上升速度减慢。Ri、VDi 是在 V 关断时刻为 Li 中的磁场能量 提供放电回路设置的。在 V 关断时，负载电流通过 VDs 向 Cs 分流，减轻了 V 的负担，抑制 了 du/dt 和过电压。4 电路参数计算电路参数计算4
