PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）英文題目 The design of PWM DC speed regulating system 姓名 趙文琦 專 業(yè) 電氣自動化 年 級 12級 指導(dǎo)教師 張曉紅 職 稱 提交日期 答辯日期 遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院年 月 摘要隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。電機(jī)分為多種，而直流電機(jī)是非常普遍的一種電機(jī)，他具有良好的調(diào)速性能，較大的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力，因此在各領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、和提高產(chǎn)品的質(zhì)量都具有重要意義。

2、電機(jī)調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的環(huán)節(jié)之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本設(shè)計(jì)是以電力電子學(xué)，電機(jī)與拖動學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于脈沖寬度調(diào)制（簡稱PWM）控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng),對于調(diào)速系統(tǒng)中要用到的大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，鑒于各項(xiàng)指標(biāo)的考慮，本文選用的是絕緣柵雙極型晶體管（簡稱IGBT）。論文中對IGBT應(yīng)用時要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，對PWM控制的原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明。論文給出了以SG3525芯片為核心的IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路，重點(diǎn)對集成PWM控制器SG3525做了詳細(xì)的介紹，分析了SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍電路的接法

3、，并給出了它在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路。為了驗(yàn)證系統(tǒng)初步運(yùn)行的可靠性，本論文進(jìn)行了相應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞: IGBT；PWM控制；調(diào)速；仿真AbstractWith the development and progress of the society, the motor in industrial and agricultural production, plays a very important role in People's Daily life. Motor is divided into multiple, and dc motor is one of the very com

4、mon, he has a good speed regulating performance, bigger starting torque and overload capacity, thus is widely used in various fields. Study of dc motor control and measurement method, to improve the control accuracy and response speed, and improve the quality of the product is of great significance.

5、 Motor speed control automation is one of the more important link. Different areas for motor speed control performance has different requirements, therefore, different control methods have different applications.This design is based on power electronics, motor and drag as the foundation, design a ki

6、nd of based on pulse width modulation (PWM) control technology of the dc motor speed control system, the speed control system used in high power semiconductor switching devices, in view of the consideration of the indicators, this article chooses the insulated gate bipolar transistor (IGBT). Items t

7、o be paid attention to when using the IGBT in the paper discussed in detail, and has carried on the detailed instructions to the principle of PWM control. Paper gives the SG3525 chip as the core of IGBT drive and protective circuit, focusing on integrated PWM controller SG3525 is introduced in detai

8、l, analyzes the internal structure of SG3525 and peripheral circuit connection, and its application in the system circuit is presented. In order to verify the reliability of system preliminary operation, this paper has carried on the corresponding simulation design.Key words: IGBT; PWM control; Spee

9、d control；The simulation- II -目錄0 引言11 直流電動機(jī)及PWM調(diào)速系統(tǒng)31.1 直流電動機(jī)調(diào)速方式的選擇31.1.1 直流電動機(jī)調(diào)速方法的選擇31.1.2 直流電源的選擇41.1.3 晶閘管整流的缺點(diǎn)51.2 PWM控制系統(tǒng)61.2.1 選擇PWM控制直流電動機(jī)調(diào)速的理由62 元器件的選擇72.1 門極可關(guān)斷器件72.1.1 幾種常見的門極可關(guān)斷器件72.2 IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理92.2.1 基本結(jié)構(gòu)92.2.2 工作原理102.3 IGBT的基本特性與主要參數(shù)102.3.1 IGBT的基本特性112.3.2 IGBT的主要參數(shù)122.3.3 IGBT

10、的特性和參數(shù)特點(diǎn)122.4 注意事項(xiàng)與IGBT的保護(hù)122.4.1 注意事項(xiàng)122.4.2 IGBT的保護(hù)132.5 直流電動機(jī)及驅(qū)動芯片的選擇132.5.1 直流電動機(jī)的選擇132.5.2 驅(qū)動模塊的選擇133 PWM調(diào)速直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路143.1 直流電源的設(shè)計(jì)143.1.1 三相橋式整流電路143.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì)163.2.1 PWM變換器的介紹164 PWM控制直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)244.1 PWM信號發(fā)生器244.1.1 SG3525芯片的主要特點(diǎn)244.1.2 SG3525各引腳端子功能254.1.3 SG3525工作原理274.1.4 SG3525外圍

11、接線電路284.2 IGBT的驅(qū)動與電路的過流保護(hù)284.2.1 IGBT的驅(qū)動284.2.2 電路的過流保護(hù)電路304.3 總設(shè)計(jì)圖305 PWM控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)325.1 軟件簡介325.1.1 工作窗口325.1.2 元器件的選擇及參數(shù)設(shè)置325.2 電路的仿真335.2.1 ±15V電壓源的設(shè)計(jì)及仿真335.2.2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)335.2.3 主電路的仿真35結(jié)束語36參考文獻(xiàn)37致謝38遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0 引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電氣自動化在20世紀(jì)50年代以來曾進(jìn)行了兩次重大的技術(shù)更新。一次是元器件的更新，

12、即以大功率半導(dǎo)體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機(jī)組，以線形組件運(yùn)算放大器取代電磁放大器件。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進(jìn)入了數(shù)字式。在前一次技術(shù)更新中，電氣系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計(jì)思想和理論概念上的一個飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統(tǒng)中，電力拖動及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分?？v觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩種拖動方式并存于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩種拖動方式在相互競爭、相互促進(jìn)中發(fā)生著深刻的變革。在交流電機(jī)出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的拖動方式。19世紀(jì)末，由于研制出了經(jīng)

13、濟(jì)實(shí)用的交流電機(jī)，使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機(jī)械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進(jìn)步，對電力拖動在啟動、制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)特性響應(yīng)方面提出了更新、更高的要求。由于交流電力拖動比直流電力拖動在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)這些要求，所以20世紀(jì)以來，在可逆、可調(diào)速與高精度的拖動領(lǐng)域中，在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖動則主要用于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。電力拖動的發(fā)展大致可以分為這樣幾個階段：第一階段是單一電機(jī)的拖動控制階段，很多工作機(jī)械都是由一臺主電機(jī)作為動力，通過天軸和機(jī)械傳動的方式進(jìn)行，往往在一個車間就只有一臺電動機(jī)，對電機(jī)的

14、控制采用繼電-接觸器，這種工作方式噪聲大、效率低、指針精度差；第二階段，電力拖動走向了單機(jī)拖動的時代，一臺電機(jī)拖動一臺機(jī)械設(shè)備，采用模擬電路與晶閘管等電力電子器件進(jìn)行控制，與前一階段相比，電機(jī)的利用率、加工精度都有了很大的提高；第三階段，電機(jī)的拖動控制向單獨(dú)的器件發(fā)展，即一個旋轉(zhuǎn)部件由一臺電機(jī)拖動，采用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)等數(shù)字控制設(shè)備進(jìn)行控制，先進(jìn)的控制方法也逐漸在電力拖動領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟并日漸成為實(shí)際應(yīng)用的主流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實(shí)際應(yīng)用的舞臺。相反，近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，

15、于是直流調(diào)速的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。譬如在對控制精度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺，輪機(jī)定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強(qiáng)對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國防事業(yè)中的重要作用，有必要對直流調(diào)速系統(tǒng)作進(jìn)一步的研究和開發(fā)。1 直流電動機(jī)及PWM調(diào)速系統(tǒng)直流電動機(jī)的種類有很多，按照勵磁方式分為他勵、并勵，串勵，復(fù)勵（集復(fù)勵和差復(fù)勵）本設(shè)計(jì)主要研究他勵直流電動機(jī)，及調(diào)速方式的選擇。1.1 直流電動機(jī)調(diào)速方式的選擇1.1.1 直流電動機(jī)調(diào)速方法的選擇直流電動機(jī)的調(diào)速方法有如下三種：1）電樞串電阻調(diào)速。調(diào)速范圍小，從曲

16、線可以看出，電樞回路串入的電阻越大，調(diào)速范圍就越大，但串入較大的電阻時，機(jī)械特性又太軟，負(fù)載稍有波動，轉(zhuǎn)速就會有很大的波動，使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定；在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。如下圖1-1圖1-1 他勵直流電動機(jī)電樞串入電阻時的接線圖及特性曲線2）減弱磁通調(diào)速。調(diào)速范圍小，減弱磁通調(diào)速只能從基速向上調(diào)，而轉(zhuǎn)速的上限受換向和機(jī)械強(qiáng)度的限制，因而調(diào)速范圍小；調(diào)速的相對穩(wěn)定性差，調(diào)速速后的特性變軟；調(diào)速的的平滑性好；屬于恒功率調(diào)速。如下圖1-23）降低電壓調(diào)速。改變電樞

17、電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。如圖1-3所示變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。圖1-2 直流電機(jī)的減弱磁通調(diào)速圖1-3 他勵直流電動機(jī)降低電壓調(diào)速的接線圖及特性曲線總觀以上三種的調(diào)速方式，改變電樞電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。

18、因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。1.1.2 直流電源的選擇降低電壓調(diào)速需要有專門的可調(diào)壓直流電源，可調(diào)直流電源一般分為以下三種：1）直流發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組（簡稱G-M系統(tǒng)）。這種系統(tǒng)電機(jī)多，占地面積大，噪音大，效率低，目前已很少采用。2）晶閘管整流裝置。整流裝置是將交流電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓，向直流電動機(jī)供電，改變晶閘管出發(fā)裝置的控制角，可以改變整流裝置輸出的直流電壓，即可改變電動機(jī)電樞兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速。3）脈寬調(diào)制器或直流斬波電路。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。綜以上三種情況考慮，直流發(fā)電

19、機(jī)-電動機(jī)組，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)較多，性價比較差，占地面積，大噪音大，給環(huán)境造成了污染，采用晶閘管整流相對G-M這種靜止的這種整流裝置來說，它的整流裝置的供電調(diào)速系統(tǒng)的占地面積小，噪音小，效率高，現(xiàn)已基本上代替了直流發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組，但是晶閘管整流也有其自身的缺點(diǎn)。1.1.3 晶閘管整流的缺點(diǎn)晶閘管整流的缺點(diǎn)一般常見為如下幾點(diǎn)：1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。2）晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和d

20、i/dt十分敏感，其中任意指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負(fù)載，吸取滯后的無功電流，因此功率因數(shù)低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措

21、施。4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2 PWM控制系統(tǒng)在異步電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)其輸出電壓。此外，在變頻器輸出頻率不變的情況下，為了補(bǔ)償電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化所引起的輸出電壓波動，也應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其輸出電壓。具體現(xiàn)實(shí)調(diào)節(jié)和調(diào)頻的方法有很多種，但一般按變頻器的輸出電壓和頻率的控制方

22、法分為PAM和PWMPAM脈幅調(diào)制型變頻，是一種通過改變電壓源的電壓Ud或電流源Id的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式。它在逆變器部分只控制頻率，在整流電路和中間電路部分控制輸出的電壓或電流。由于PAM存在一些固有的缺陷，目前變頻器中已很少應(yīng)用。PWM脈寬調(diào)制型變頻，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率。脈寬調(diào)制的方法很多，以調(diào)制脈沖的極性分，可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種；以載頻型號與參考信號頻率之間的關(guān)系分，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。1.2.1 選擇PWM控制直流電動機(jī)調(diào)速的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國Silicon General開發(fā)的快速型IGBT驅(qū)動專用模塊

23、SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4）如果可以與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗不大，因而裝置效率較高。6）直流電源采用不可控整流時電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。

24、2 元器件的選擇本設(shè)計(jì)采用的元器件主要包括門極可關(guān)斷開關(guān)元器件，直流電機(jī)的選擇，驅(qū)動模塊的選擇2.1 門極可關(guān)斷器件隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件不斷涌現(xiàn)，20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合，出現(xiàn)了高頻化，全控型，采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)帶入了一個嶄新的時代。典型代表有門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管（GTR）、電力場效應(yīng)管（Power-MOSFIT）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）以及智能功率模塊等多種新型電力電子器件。這些器件通過對基極（門極，柵極）的控制，既能控制其導(dǎo)通，有能控制其關(guān)短，因此稱其為全控器件，也稱為自關(guān)斷器件

25、，和普通晶閘管相比，這種器件可應(yīng)用在多種場合，控制靈活，電路簡單，能耗小，使電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍大為拓寬。2.1.1 幾種常見的門極可關(guān)斷器件常見的門極可關(guān)斷器件有如下幾種 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）GTO和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部也是引出陽極，陰極和門極。但和普通晶閘管不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件。雖然外部同樣引出三個極，但內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元，這些GTO單元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)，他是為了實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷而設(shè)計(jì)的。1)在設(shè)計(jì)器件時使a2較大，這樣晶體管V2控制靈敏，這樣GTO可以很容易關(guān)斷。2)使得a1+a2趨向與1，普通晶閘

26、管a1+a2>=1.15，而GTO的近似為1.05，這樣GTO導(dǎo)通時飽和程度不深，更接近與臨界飽和，為門極可關(guān)斷控制提供了有力條件。不利因素，導(dǎo)通是管壓降增大了。3)集成結(jié)構(gòu)中每個GTO單元的陰極面積小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2基區(qū)的橫向電阻很小，使門極抽出較大的電流成為可能。4)它比普通晶閘管開通過程快，承受的電壓能力強(qiáng)。 電力晶體管(GTR)電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管Giant TransistorGTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有時也稱為Power

27、BJT；其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，但驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動功率大；GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。1)靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時可分為三個工作區(qū): 截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，ib0，Ube0，Ubc<0，集電極只有漏電流流過。 放大區(qū)。ib >0，Ube>0，Ubc<0，ic =ib。 飽和區(qū)。ib >Ics/，Ube>0，Ubc>0，ics是集電極飽和電流，其值由外電路決定。結(jié)論:兩個PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。飽和時，集電極、發(fā)射極間的管壓降Uce很小，相當(dāng)于開關(guān)接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進(jìn)入飽和時為臨界飽和，如

28、ib繼續(xù)增加，則為過飽和，用作開關(guān)時，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低Uce和減小導(dǎo)通時的損耗。2)動態(tài)特性GTR在關(guān)斷時漏電流很小，導(dǎo)通時飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，所以開關(guān)過程中損耗也較大。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關(guān)斷時間對降低損耗、提高效率和提高運(yùn)行可靠性很有意義。 電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）電力MOS場效應(yīng)管 通常主要指絕緣柵型中MOS(MetalOxideSemiconductor FET)，簡稱電力MOSFET(Power MOSFET) 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般

29、稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor-SIT)。 是一種單極型的電壓控制全控型器件。主要特點(diǎn)如下：用柵極電壓來控制漏極電流。輸入阻抗高。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。 絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容

30、量大的優(yōu)點(diǎn)，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)考慮的一個環(huán)節(jié)。縱觀以上三種門極可關(guān)斷器件：可以得出如下結(jié)論門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）正脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)脈沖控制關(guān)斷，對門電路性能要求

31、較為嚴(yán)格，導(dǎo)通時的管壓降大；電力晶體管（GTR）流控器件，最高工作頻率50KHz以下，工業(yè)應(yīng)用中常用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率在2KHz以下，存在二次擊穿現(xiàn)象；場效應(yīng)晶體管（MOSFET）高速開關(guān)型電壓控制三端（柵極G、源極S、漏極D）器件，驅(qū)動功率小，工作頻率高，但是難以控制大電流和高電壓，存在導(dǎo)通壓降較大，柵極擊穿等問題；絕緣柵雙極性晶體管（IGBT） 它兼有GTR和MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，控制功率小，開關(guān)速度快，電流處理能力強(qiáng)和飽和壓降低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)分析論證決定選IGBT作為電路中的可關(guān)斷元器件2.2 IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1 基本結(jié)構(gòu)IGBT的結(jié)構(gòu)、符號及等效電路如圖2-1所示：圖

32、2-1 IGBT的結(jié)構(gòu)、符號及等效電路圖2-1（a ）所示是N溝道MOSFET與GTR復(fù)合而成N溝道IGBT（N-IGBT），厚基區(qū)GTR為主導(dǎo)器件、MOSFET為驅(qū)動器件的復(fù)合管；IGBT比MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N+結(jié)J1；IGBT導(dǎo)通時，由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力；簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管；RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個寄生晶體管，寄生晶體管使IGBT出現(xiàn)電流鎖定效

33、應(yīng)（電流擎住效應(yīng)）。采用空穴旁路結(jié)構(gòu)并使發(fā)射區(qū)寬度微細(xì)化后可基本上克服寄生晶體管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。2.2.2 工作原理驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，屬于場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導(dǎo)通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT分為N-IGBT和P-IGBT，實(shí)際應(yīng)用中以N溝道IGBT為多，故以下以N-IGBT為例進(jìn)

34、行介紹。2.3 IGBT的基本特性與主要參數(shù)2.3.1 IGBT的基本特性1）靜態(tài)特性 a轉(zhuǎn)移特性 b輸出特性圖2-2 靜態(tài)特性2）IGBT的動態(tài)特性（開關(guān)特性如下圖2-3所示）圖2-3 IGBT動態(tài)特性a 開通時間ton ton = td + tr td 開通延遲時間。 tr電流上升時間。b 關(guān)斷時間t off t off = td（ off ） + tf td（off）關(guān)斷延遲時間。 tf電流下降時間。電流下降時間tf又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1為IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2為IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，此時MOSFET以關(guān)斷。2.3.

35、2 IGBT的主要參數(shù)1) 最大集射極間電壓UCES ：由內(nèi)部PNP管的擊穿電壓確定的。 2)開啟電壓UT和最大柵射極電壓UGES ：開啟電壓UT使IGBT導(dǎo)通所需的最小柵-射極電壓,在25的條件下，UT一般為2V6V。UGES限制在±20V以內(nèi)，最佳值一般為15V左右。3) 通態(tài)壓降UCE(on) :IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時，集電極與發(fā)射極間的導(dǎo)通壓降。壓降越小越好。一般為 2.5V3.5V之間。4) 集電極連續(xù)電流IC和峰值電流ICP： 在額定的測試溫度(殼溫為25)條件下， IC是IGBT所允許的集電極最大連續(xù)電流，也是額定電流。峰值電流ICP（脈寬1ms）為IC的2倍左右。2.

36、3.3 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)1）開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只是GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。2）相同電壓和相同電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且有耐脈沖電流沖擊能力。3）通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4）輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。5）與MOSFET和GTR相比，耐壓能力和通流能力還可進(jìn)一步提高，同時還保持了開關(guān)頻率高的特點(diǎn).2.4 注意事項(xiàng)與IGBT的保護(hù)2.4.1 注意事項(xiàng)1）IGBT的控制、驅(qū)動及保護(hù)電路應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配。2）當(dāng)G、E端在開路的情況下，不要給C、E端加電壓。3）在沒有適當(dāng)?shù)姆漓o電措

37、施情況下，G、E端不能開路。2.4.2 IGBT的保護(hù)1) 在IGBT器件上設(shè)置的保護(hù)，柵源過電壓保護(hù)、靜電保護(hù)、采用R、C、VD緩沖電路等。2）在IGBT電控系統(tǒng)中設(shè)置的保護(hù)、過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)單元。IGBT不發(fā)生擎住效應(yīng)。 設(shè)計(jì)中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：250 mW 額定電壓U：220V額定電流I：10A2.5 直流電動機(jī)及驅(qū)動芯片的選擇2.5.1 直流電動機(jī)的選擇型號：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600r/m調(diào)速范圍：1：120

38、0起動時超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 2.5.2 驅(qū)動模塊的選擇本設(shè)計(jì)采用了IGBT專用驅(qū)動芯片SG35253 PWM調(diào)速直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路包括直流電源的設(shè)計(jì)，PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3.1 直流電源的設(shè)計(jì)能得到直流電源的方法有很多，比如可以用蓄電池供電，交流電通過單相半波整流電路，單相橋式整流電路以及三相橋式整流電路。相比之下，用蓄電池供電投資大，性價比極低；單項(xiàng)橋式整流電路和單項(xiàng)半波整理電路相比三相橋式整流電路而言，三相橋式的波形更接近于理想直流，平滑性較好，而且可以使三相供電電源負(fù)載對稱，減少了因負(fù)載不對稱造成對電網(wǎng)的污染。3.1.1 三相橋式整流

39、電路整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流電路按照輸入交流電源的是否可控分為可控整流電路和不可控整流電路，單相可控整流電路適用于小功率的負(fù)載，對大功率的負(fù)載（負(fù)載容量超過4KW），如果采用單相橋式整流的話，必然會造成負(fù)荷不平衡，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用三相可控整流電路，如圖3-1其中這里采用了電感電容濾波電路。電路組成如下：圖3-1三相橋式整流及濾波電路三相全控橋式整流電路中共陰極接法(D1，D3，D5)和共陽極接法(D4，D6，D2)的控制角分別與三相半波可控整流電路共陰極接法和共陽極接法相同。在一個周期內(nèi)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)镈1、D2、D3、D4、D5、D6。仿真電路如圖3-2所

40、示(其中示波器中的直線為濾波后的特性,非直線為濾波前的特性a濾波前的波形b濾波后的波形圖3-2 三相橋式整流濾波電路由示波器圖可以看出濾波后的曲線更趨近于理想直流,更適合PWM 變頻調(diào)速使用。由于三相橋式整流電路則輸出電壓為Ud=2.34*Ui=2.34*94=220V3.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì)PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主要包括門極可關(guān)斷晶體管IGBT，通過調(diào)節(jié)每個晶體管的導(dǎo)通的占空比來達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的。3.2.1 PWM變換器的介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下

41、面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡要的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為有制動作用和無制動作用兩種。圖3-3（a）所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機(jī)電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖3-3 簡單的不可逆PWM變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)時，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)

42、二極管VD續(xù)流。電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為 式中，PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖3-3（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間 式中，R，L電動機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動機(jī)的反電動勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以

43、忽略不計(jì)，視 n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機(jī)的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。圖3-4（a）所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT

44、1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖3-4（b）所示，與圖3-3沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機(jī)在電動運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電

45、力晶體管VT2能在電動機(jī)制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和導(dǎo)通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖3-4（c）。反向電流的制動作用使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖3-4 具有制動作用的不可逆PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，

46、即在電動機(jī)的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2經(jīng)VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖3-4（d）中的期間的時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈方?jīng)VT1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖3-4（d）。綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)電樞回路中的電流始終

47、是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動態(tài)性能。由具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)有兩種運(yùn)行狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開和關(guān)兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下則依靠VT2的開和關(guān)兩種狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)下電路電壓平衡方程式都分為兩個階段，情況同簡單的不可逆的PWM變換器電路相同，即在期間為式，在期間為式，只不過兩種狀態(tài)下電流的方向相反，即在制動狀態(tài)時為。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖3-5所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。圖3-5 可逆PWM變換器電路（a）T型

48、 （b）H型T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)電樞兩端浮地。H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。（1）雙極式

49、可逆PWM變換器：雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖3-5（b）所示。四個電力晶體管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓波形相同，即，VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷；，VT2和VT3同時導(dǎo)通和關(guān)斷。而且，和，相位相反，在一個開關(guān)周期內(nèi)VT1，VT4和VT2，VT3兩組晶體管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，變換器輸出電壓在一個周期內(nèi)有正負(fù)極性變化，這是雙極式PWM變換器的特征，也是“雙極性”名稱的由來。H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因

50、此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。由于電壓極性的變化，使得電樞回路電流的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖3-6所示。圖3-6 雙極式PWM變換器電壓和電流波形（a）電動機(jī)負(fù)載較重時 （b）電動機(jī)負(fù)載較輕時如果電動機(jī)的負(fù)載較重，平均

51、負(fù)載電流較大，在時，和為正，VT1和VT4飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，VT2和VT3截止。這時，加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路流通（見圖3-6（a），電動機(jī)處于電動狀態(tài)。在時，和為負(fù)，VT1和VT4截止；和為正，在電樞電感釋放儲能的作用下，電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導(dǎo)通，電樞電流沿回路2流通，電動機(jī)仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖如圖3-6（a）。如果電動機(jī)負(fù)載較輕，平均電流較小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當(dāng)時，。于是在時，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負(fù)的電源電壓（）和電動機(jī)反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞

52、電流反向，沿回路3流通，電動機(jī)處于反接制動狀態(tài)。在（）時，和變負(fù)，VT2和VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流，使VT1和VT4的c-e極承受反壓，雖然和為正，VT1和VT4也不能導(dǎo)通，電流沿回路4流通，電動機(jī)工作在制動狀態(tài)。當(dāng)時，VT1和VT4才導(dǎo)通，電流又沿回路1流通。有關(guān)參量的波形示于圖3-6（b）。這樣看來，雙極式可逆PWM變換器與具有制動作用的不可逆PWM變換器的電流波形差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無論負(fù)載是輕還是重，加在電動機(jī)電樞兩端的電壓都在和之間變換；后者的電壓只在和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)制可逆運(yùn)行，由正、負(fù)驅(qū)動電壓的脈沖

53、寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時， ，電樞兩端的平均電壓為正，在電動運(yùn)行時電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，平均電壓為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p極式可逆PWM變換器電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為 若仍以來定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調(diào)速，的變化范圍為。為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在時，電動機(jī)雖然不動，但電樞兩端的瞬時電壓和流過電樞的瞬時電流都不為零，而是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。但是這個交變電流使電動機(jī)產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動機(jī)正

54、、反向切換時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用，有利于快速切換。（2）單極式可逆PWM變換器：單極式可逆PWM變換器和雙極式變換器在電路構(gòu)成上完全一樣，不同之處在于驅(qū)動信號不一樣。圖3-5（b）中，左邊兩個電力電子器件的驅(qū)動信號，具有和雙極式一樣的正、負(fù)交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個器件VT3、VT4的驅(qū)動信號則按電動機(jī)的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號：電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，使恒為負(fù)，恒為正，VT3截止VT4常通；電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，則使恒為正，恒為負(fù)，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動信號的變化顯然會使不同階段各電力電子器件的開關(guān)情況和電流流通的回路與雙極式變換器相比有不同。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載較重

55、時電流方向連續(xù)不變；負(fù)載較輕時，電流在一個開關(guān)周期內(nèi)也會變向。由于本次設(shè)計(jì)要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)，并且能進(jìn)行無極調(diào)速等。又根據(jù)雙極式H型可逆PWM變換器具有的優(yōu)點(diǎn)：電流一定連續(xù)，可以使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限動行；電動機(jī)停止時的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時由于每個電力電子器件的驅(qū)動脈沖仍較寬而有利于折可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，可達(dá)到很寬的調(diào)速范圍。但雙極式H型可逆PWM變換器也有缺點(diǎn)，在工作過程中，四個電力電子器件都處于開關(guān)狀態(tài)，容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件直通的事故，降低了設(shè)備的可靠性。為了避免這種情況，我們設(shè)置邏輯延時環(huán)節(jié)DLD，保證在對一個元件發(fā)出關(guān)斷信號后，延遲足夠時間再發(fā)

56、出對另一個元件的開通信號。由于電力電子的器件的導(dǎo)通時也存在開通時間，因此延遲時間通常大于元件的關(guān)斷時間即可以了。所以，本次設(shè)計(jì)我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖3-7所示。圖3-7 H橋主電路其中FU是熔斷器，當(dāng)電路出現(xiàn)過電流時使其熔斷，它起到保護(hù)電路的作用。RC為緩沖電路，它是為緩解電路中產(chǎn)生的過電壓而設(shè)計(jì)的。4 PWM控制直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PWM控制電路主要的作用是給主電路晶體管提供規(guī)律性的脈沖的4.1 PWM信號發(fā)生器PWM信號發(fā)生器以集成可調(diào)脈寬調(diào)制器SG3525為核心構(gòu)成，他把產(chǎn)生的電壓信號送給H橋中的四個IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而達(dá)到調(diào)速的目的。其控制電路如圖4-1所示.圖4-1 PWM控制電路4.1.1 SG3525芯片的主要特點(diǎn)SG3525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，如圖4