IGBT斬波控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)名稱： 電力電子技術(shù) 題 目： igbt斬波控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專 業(yè)：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目igbt斬波控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1 選用合適的igbt設(shè)計(jì)制作一個(gè)斬波調(diào)速器，使占空比可調(diào),占空比調(diào)節(jié)范圍為10%90%。2斬波調(diào)速器負(fù)載選用額定電壓為220v，額定電流為1.2a，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的單向調(diào)速，即電機(jī)的單象限運(yùn)行。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第1天：查閱相關(guān)材料，熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)；第2天：確定設(shè)計(jì)的內(nèi)容以及主電路的選擇；第3天：igbt驅(qū)動(dòng)電路的選擇；第4天：保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；第5天：軟件繪圖四、設(shè)計(jì)要求1. 主電路的設(shè)計(jì)及原理說(shuō)明；2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及原理

2、說(shuō)明；3控制電路的設(shè)計(jì)及分析 4保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教師：李國(guó)華時(shí) 間：20年月日遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué) 期姓 名專 業(yè)班 級(jí)課程名稱電力電子課程設(shè)計(jì)論文題目igbt斬波控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績(jī)100評(píng)語(yǔ)：任課教師時(shí) 間年 月 日備 注摘 要在工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械制造中，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域和高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制

3、(pwm)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法，調(diào)節(jié)電阻r 即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。當(dāng)今市場(chǎng)上用的最多的igbt直流斬波器，是一種全控型斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國(guó)際上先進(jìn)的電力電子器件igbt，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及gtr 斬波器的缺點(diǎn)。該斬波器既能為煤礦窄軌電機(jī)車配套的調(diào)速

4、裝置，又可以針對(duì)不同的負(fù)載對(duì)象，做少量的改動(dòng)用于其它要求供電電壓可調(diào)的直流負(fù)載上。與可控硅脈沖調(diào)速方式和電阻調(diào)速方式相比，具有極其明顯的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞： 直流電動(dòng)機(jī)；igbt；直流斬波；調(diào)速目 錄前言11課程設(shè)計(jì)的目的22系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)22.1主電路方案22.2基本直流斬波電路原理圖22.3各參數(shù)間數(shù)量關(guān)系33 igbt驅(qū)動(dòng)電路的選擇33.1 igbt元件簡(jiǎn)介33.2 igbt驅(qū)動(dòng)電路的條件34 控制電路的選擇44.1 控制電路方案選擇44.2 sg3525芯片工作原理簡(jiǎn)介55保護(hù)電路的設(shè)計(jì)75.1 主電路器件的保護(hù)電路76設(shè)計(jì)總結(jié)8心得體會(huì)9參考文獻(xiàn)10遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)前言隨著電力電子

5、技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速性能、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要。igbt降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用igbt作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。igbt是mosfet與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有mosfet易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性

6、介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用igbt作為全控型器件的降壓斬波電路就有了igbt易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開(kāi)關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢(shì)，促進(jìn)了igbt降壓斬波電路的發(fā)展。1課程設(shè)計(jì)的目的電力電子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)。由電力電子器件構(gòu)成的直流電機(jī)斬波調(diào)速電路，由于其節(jié)能，先進(jìn)，靈活等特點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用?；趇gbt的直流電機(jī)脈寬調(diào)速與轉(zhuǎn)速檢測(cè)課程設(shè)計(jì)，結(jié)合電力電子、電力拖動(dòng)和電子技術(shù)基礎(chǔ)等多門專業(yè)課的理論知識(shí)的運(yùn)用。

7、通過(guò)實(shí)踐，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手和靈活運(yùn)用多門專業(yè)知識(shí)的能力，并達(dá)到深化運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)結(jié)合相關(guān)資料設(shè)計(jì)出理想的igbt斬波控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1主電路方案 對(duì)于降壓斬波電路的選擇，可運(yùn)用電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個(gè)方案是較為簡(jiǎn)單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡(jiǎn)單的電路復(fù)雜化，不可取。至于開(kāi)關(guān)的選擇，選用全控型的igbt管，而不選半控型的晶閘管，因?yàn)閕gbt

8、控制較為簡(jiǎn)單，且它既具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)。2.2基本直流斬波電路原理圖 系統(tǒng)的基本直流斬波電路原理圖如圖2.1所示：圖2.1降壓斬波電路原理圖此電路使用一個(gè)全控型器件v，圖中為igbt，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管vd，在v關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中em所示。上述直流斬波電路的工作原理為：（1）t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)v導(dǎo)通，電源e向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=e，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。（2）t

9、=t1時(shí)控制v關(guān)斷，二極管vd續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。（3）通常串接較大電感l(wèi)使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 具體工作區(qū)間分段詳見(jiàn)圖2.2：圖2.2 電流連續(xù)與斷續(xù)波形圖2.3各參數(shù)間數(shù)量關(guān)系（1）電流連續(xù)時(shí)負(fù)載電壓平均值：式中，ton為v處于通態(tài)的時(shí)間，toff為v處于斷態(tài)的時(shí)間，t為開(kāi)關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū蓉?fù)載電流平均值：（2）電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓u0平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。3 igbt驅(qū)動(dòng)電路的選擇3.1 igbt元件簡(jiǎn)介igbt是一種場(chǎng)控器件，其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射機(jī)間的電壓決定。該電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，mosfet內(nèi)形

10、成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使igbt導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得igbt關(guān)斷。而且igbt 是三端器件，具有柵極g，集電極 c和發(fā)射極 e。通態(tài)時(shí)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 r減小，使通態(tài)壓降減小。當(dāng)柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，igbt 關(guān)斷。3.2 igbt驅(qū)動(dòng)電路的條件驅(qū)動(dòng)電路的作用是將芯片輸出的脈沖進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動(dòng)igbt.保證igbt的可靠工作,驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用,對(duì)igbt驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下: (1) 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?使igbt可

11、靠的開(kāi)通和關(guān)斷. (2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流,使igbt能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通. (3) 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間,以提高工作效率. (4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣. (5) 具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力.本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路為igbt光電隔離門極驅(qū)動(dòng)電路。為使igbt工作穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電路按要求使用正15v和負(fù)15v正、反偏壓的雙電源供電。為使驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電路隔離，采用抗噪能力強(qiáng)、響應(yīng)快的光耦合器件。輸入信號(hào)通過(guò)u3光耦合器件引入驅(qū)動(dòng)電路，然后通過(guò)推拉式的電路，向igbt集電極提供電流。由于igbt的轉(zhuǎn)移特性，當(dāng)其集電極電流增加到一定值時(shí)，其柵射電壓就會(huì)

12、突然上升，這樣，igbt就導(dǎo)通了。集電極電流下降到一定值或被撤除時(shí)，柵射電壓不足，igbt又?jǐn)嚅_(kāi)。根據(jù)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖其工作原理：控制電路所輸出的信號(hào)通過(guò)tlp521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號(hào)放大。驅(qū)動(dòng)電路的隔離方式，采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路比較方便，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測(cè)igbt的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對(duì)脈沖信號(hào)有1us的時(shí)間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場(chǎng)合。對(duì)于光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路可以直接用光耦電路進(jìn)行主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)

13、動(dòng)信號(hào)加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以驅(qū)動(dòng)igbt管。igbt降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，再加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。采用的光耦是tlp521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖3.2所示：圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路4 控制電路的選擇 4.1 控制電路方案選擇控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。斬波

14、電路有三種控制方式：1.保持開(kāi)關(guān)周期t不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；2.保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期t，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3.導(dǎo)通時(shí)間和周期t都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因?yàn)閿夭娐酚羞@三種控制方式，又因?yàn)閜wm控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用pwm控制方式來(lái)控制igbt的通斷。pwm控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖是等幅的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。圖3.1 sg3525引腳圖

15、對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過(guò)一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、cpld等等來(lái)輸出pwm波，也可以通過(guò)特定的pwm發(fā)生芯片來(lái)控制。因?yàn)轭}目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的pwm發(fā)生芯片來(lái)進(jìn)行連續(xù)控制。對(duì)于pwm發(fā)生芯片，我選用了sg3525芯片，其引腳圖如圖所示，它是一款專用的pwm控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。其11和14腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的pwm信號(hào)。腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成sg3525 的振蕩器。振蕩器還

16、設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。4.2 sg3525芯片工作原理簡(jiǎn)介查閱資料顯示，sg3525的振蕩頻率可表示為 ：式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為40khz，所以由上式可取=0.01f, = ,=?？傻胒=40khz，滿足要求。系統(tǒng)控制電路如圖3.2所示： 圖3.2 系統(tǒng)控制電路芯片

17、sg3525有過(guò)流保護(hù)的功能，可以通過(guò)改變10腳電壓的高低來(lái)控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動(dòng)電路輸出的過(guò)流保護(hù)電流信號(hào)經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，同理也可以用10端進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，如圖所示10端外接過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到過(guò)流時(shí)發(fā)出電流信號(hào)，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其沒(méi)有過(guò)流時(shí)，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出pwm波。芯片sg3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負(fù)載輸出電壓，通過(guò)1端的變位器得到它的一個(gè)基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)生變化時(shí)能夠通過(guò)1、2所接的誤差放大器來(lái)控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈

18、寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1 主電路器件的保護(hù)電路系統(tǒng)的安全運(yùn)行需要保護(hù)電路的保護(hù)，所以當(dāng)本系統(tǒng)達(dá)到定電壓值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖5.1所示。圖5.1 rc阻容過(guò)電壓保護(hù)電路圖6設(shè)計(jì)總

19、結(jié)本次設(shè)計(jì)深刻的體會(huì)到電力電子器件的系統(tǒng)的五個(gè)組成部分：主電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和檢測(cè)電路的強(qiáng)大功能和相互間的協(xié)調(diào)。并學(xué)會(huì)了各電路的區(qū)分：主電路為電力電子電路，控制電路為信息電子電路，驅(qū)動(dòng)電路用于控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，保護(hù)電路主要是保護(hù)電力電子器件。本次課程設(shè)計(jì)目的是用igbt直流斬波電路控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變igbt的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間，來(lái)控制電樞回路電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。在本次課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)查找相關(guān)文獻(xiàn)和參閱課本，主要完成了對(duì)直流斬波電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路的選擇，驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了用光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號(hào)放大?？刂齐娐返倪x擇和設(shè)計(jì)，控制電路主要通過(guò)特定的pwm發(fā)生芯片，對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。保護(hù)電路