直流電動機(jī)可調(diào)可控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).

1、i#B234第一章緒論1.1 電機(jī)調(diào)速方案脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)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(shí)，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(jìn)行調(diào)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(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為1-1)U-1工Rn=aaaCe式中U:電樞供電電壓（V）。aI：電樞電流（A）。a：勵(lì)磁磁通（Wb）。R:電樞回路總電阻（Q）。aC：電勢系

2、數(shù)。e1.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介本系統(tǒng)采用PWM調(diào)壓調(diào)速，設(shè)計(jì)包括主電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動電路三個(gè)部分，如圖1.1所示。交流電源圖1.1總體結(jié)構(gòu)框圖交流電源由電網(wǎng)接入，經(jīng)過變壓器變壓后輸入整流橋變?yōu)橹绷?。通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)斬波輸出電壓以控制電機(jī)電樞電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。第二章主電路的設(shè)計(jì)2342.1電路原理圖說明主電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖中C、C、T組成電網(wǎng)濾波器，單項(xiàng)整流橋120及電容C組成的輸入整流濾波器。主功率開關(guān)元件IGBT構(gòu)成斬波器，他在控制1電路產(chǎn)生的PWM脈沖作用下，根據(jù)用戶所需要的電壓按照一定的占空比導(dǎo)通或關(guān)斷；經(jīng)電感L和電容C濾波后，向負(fù)載提供一個(gè)可調(diào)的平滑直流電壓。并聯(lián)12在

3、電源輸出端的電阻R1用來給負(fù)載提供最小的負(fù)載電流，以滿足電源在輕載狀(1)整流輸出工作原理及波形分析圖2.2整流電路原理圖D5L1C2基本工作過程：在U正半周過零點(diǎn)至et=O期間，因U<U，故二極管均不導(dǎo)通，此階段inind電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)U下降。11d至®t=0之后，U將要超過U，使得D1和D4開通，U=U，交流電源向inddin電容充電，同時(shí)向負(fù)載R1供電。電容被充電到®t=e時(shí)，U=U，D1和D4關(guān)斷。電容開始以時(shí)間常數(shù)RCdin按指數(shù)函數(shù)放電。當(dāng)毗二兀，即放電經(jīng)過K-0角時(shí)，Ud降至開始充電時(shí)的初值，另一對二極管D2和D3導(dǎo)通，此后U又向

4、C充電，與U正半周的情況一樣，如圖2.3所示。in1inVD1i21u2VD2圖2.3電容濾波對整流電路的影響b）dJ'a）主要的數(shù)量關(guān)系：1、輸出電壓平均值1）空載時(shí)，U=J2u。d22）重載時(shí)，U逐漸趨近于0.9U，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。3）在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇'電容C值，使RC>（35）T/2，此時(shí)輸出電壓為：U1.2Ud22、電流平均值1）輸出電流平均值I為：R(2.1)I=U/RRdI=IdRI=I/2=I/2DdR2）二極管電流I平均值為：D3、二極管承受的電壓1）為變壓器二次側(cè)電壓最大值，即空2u。2(2.2)(2.3)(2.4)23（2）斬波

5、電路工作原理及波形分析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(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。t=0時(shí)刻，驅(qū)動V導(dǎo)通，電源U向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U=U，負(fù)載電流Id0d0按指數(shù)曲線上升。t=t時(shí)刻，控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓U近似為零，負(fù)載電流10呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小或基本維持不變。15圖2.5斬波電路波形圖當(dāng)電感足夠大，電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓的平均值可化簡得:(2.5)_t_tUonUonU0t+tdTdonoff所以輸出電壓為:(2.6)其中：a二Ion，為

6、降壓比。T降壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。112.3 主要元件選型一、電力二極管的選擇由設(shè)計(jì)要求知道輸入交流電壓U=220V,整流輸出電壓為U=200V,斬波id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：I=1/2I=（37）Advtd電力二極管承受最大反壓：U=1.414U=311Vtt考慮安全裕度，電力二極管額定電壓U=（23）X311=（622933）V。n取電力二極管額定電壓U=940V。n流過電力二極管電流有效值I=

7、I/1.414=（1.4145.66）Avtd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(jì)算結(jié)果的1.52倍。根據(jù)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：I=（1.52）*5.66/1.57=（5.47.2）A。在考慮裕量，將計(jì)算結(jié)果放大到n兩倍，本設(shè)計(jì)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C一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)1越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000uF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載較大，故取C=0.15F；1耐壓：1.5U=1.5X220=360V，取360V。即選用0.15F、360V電容器。dm三、IGBT的

8、選擇因?yàn)閁=220V，則取3倍裕量，選耐壓為660V以上的IGBT。由于IGBT2m是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用60A，額定電壓為240V以上的IGBT。本設(shè)計(jì)選用FGL60N100BNTD60A，300V，IGBT。四、續(xù)流二極管的選擇根據(jù)公式U=（23）U=（160240）V，而電流I=（1.52）I2=（1216）A,2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(shù)的選擇：在主電路中，L1、C2構(gòu)成電源輸出濾波器。為了維持電感的濾波效果，L上鋸齒波電流的最小值必須大于

9、或等于零。因此必須滿足下列條件：1L>U1-U01（2.7）12IonOmin式中，U：IGBT輸入電壓；U：電源輸出電壓，I：電感續(xù)流二極管10Omin的凝結(jié)負(fù)載電流；t:IGBT的導(dǎo)通時(shí)間。L越大，輸出電流紋波越小，所允許on1的臨界負(fù)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，不宜過大，通常?。?.51.2）本設(shè)計(jì)取L=0.1H。12IOminon濾波電容C可由式（2.9）算出，本設(shè)計(jì)中C取0.01F。222.8)LI2(U+AU)2-U2007）變壓器參數(shù)選擇：由于PWM控制信號中最大脈沖寬度為50%，系統(tǒng)要求可知，本設(shè)計(jì)所采用的變壓器一、二次線電壓分別為220V和4

10、00V。變比K=400/220=1.82,因?yàn)閁d1.2U,故采用的變壓器二次側(cè)電壓為U=400V。又由于電樞電流達(dá)到6A左右,2其中電機(jī)啟動電流達(dá)到了50A,為了留出充足裕量，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)3.1觸發(fā)電路設(shè)計(jì)斬波電路有三種控制方式：（1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(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。其中第一種是最常用的方法。PWM

11、控制信號的產(chǎn)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。|-+5.1C4-qU.LOufR55.11=E141口應(yīng)10K+15心1TT1UQ1516FFF百9r2Y210±C3IlQOufVCCVC3SCOUT；YNCZTOUTA遼JISC3MPENOUTB:N-:心GND13111412SG3525AU1+15圖3.1PWM信號產(chǎn)生電路SG3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IGBT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制

12、電路和主電路進(jìn)行電氣隔離。3.2驅(qū)動電路設(shè)計(jì)IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以直接驅(qū)動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計(jì)中還學(xué)要有帶電器隔離的部分。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有以下幾點(diǎn)：（1）動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關(guān)延時(shí)，同時(shí)要保證當(dāng)IGBT損壞時(shí)驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。（2）能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍海话闳?15V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。（3）具有柵壓限

13、幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20V,驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。（4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。當(dāng)然驅(qū)動電路還要注意其他幾個(gè)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(qū)動電路。其具體電路原理圖參見圖3.2。圖3.2中的標(biāo)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(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比

14、較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)EXB841輸人端腳14和腳15有10mA的電流流過時(shí)，光禍ISO1導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降至0V,V1和V2截止;V2截止使D點(diǎn)電位上升至20V,V4導(dǎo)通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻Rg向一個(gè)IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)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(diǎn)電位上升使V1和V2導(dǎo)通;V2導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)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5V），使IGBT可靠關(guān)斷。設(shè)IGBT已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V4導(dǎo)通

15、，V5截止，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位穩(wěn)定在8V左右，Vzi不被擊穿，V3截止，E點(diǎn)電位保持為20V,二極管VD6截止。若此時(shí)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(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由8V上升；當(dāng)上升至13V時(shí)，VZ，被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R,和V3放電，E點(diǎn)電位逐步下降，二極管VU6導(dǎo)通時(shí)D點(diǎn)電位也逐步下降，使EXB841的腳3電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT。對于EXB841，它本身存在一些不足之處。例如過流保護(hù)閾值過高，保護(hù)存在盲區(qū)，軟關(guān)斷保護(hù)不可靠，負(fù)偏壓不足，過流保護(hù)五自鎖功能等。為此，對驅(qū)動電路進(jìn)行了一些優(yōu)化，還增加

16、了故障信號封鎖電路。這些主要都是為了加強(qiáng)對電路的保護(hù)，屬于保護(hù)電路的范疇。LLDI圖3.2驅(qū)動電路原理圖第四章仿真分析與調(diào)試本設(shè)計(jì)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(PowerSystemBlocksets)是為電力電子系統(tǒng)以及電力傳動系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它的基礎(chǔ)是MATLAB中的simulink。4.1建立仿真模型在電力電子設(shè)計(jì)過程中利用MATLAB來進(jìn)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(nèi)減少因設(shè)計(jì)問題而造成的浪費(fèi)。這里的仿真主要是運(yùn)用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simulink的元件

17、庫中找到需要用的元件，然后搭建相應(yīng)的主電路，設(shè)置好參數(shù)后即可進(jìn)行仿真。選擇電機(jī)的屬性如圖4.1所示。圖4.1電機(jī)參數(shù)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(gè)濾波電容。設(shè)定好元器件的參數(shù)之后，還需要設(shè)置仿真算法和仿真時(shí)間。本設(shè)計(jì)設(shè)置如圖4.2所示。圖4.2MATLAB屬性設(shè)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odel5s比較適用。由圖可見，本設(shè)計(jì)設(shè)定為6

18、0S的仿真時(shí)間。設(shè)置的仿真算法是ode15S。仿真電路圖見附錄一。4.2仿真結(jié)果與分析變壓器二次側(cè)輸出電壓波如圖4.30.5Time0.60.70.80.91Ian3002001000.5Time0.10.20.30.40.50.60.70.80.91%00.10.20.30.40.60.70.80.910.5Time-1從上圖可以看出，變壓器二次側(cè)輸出電壓值穩(wěn)定值為400V。-2001)-300額定電壓時(shí)運(yùn)行分析電0樞電壓0.1波形如圖0.24.4所0.3示：0.4經(jīng)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(jī)額定電壓大小。電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流I、勵(lì)磁電流/、電磁轉(zhuǎn)矩T如圖

19、4.5所示:afe圖4.5電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=178rad/min。2001002U0-100(-20)PWM信號為30%時(shí)，電路運(yùn)行分析0.70.80.90電樞電0.壓1波形0如.2圖如圖0.34.6所0.4示：0.50.6Time00.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time00.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time50000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time50T0-5030002000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time圖4.6PWM信號為30%時(shí)電樞電壓波形當(dāng)PWM信號占空比為30%時(shí)，輸入的電樞電壓為Ua201V。電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流I、勵(lì)磁電流I、電磁轉(zhuǎn)矩T如圖4.7所示:afe200n10002f100.30.40.50.60.70.80.91Time100圖4.7PWM信號