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

1、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(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可表示為 （1-1）式中 ：電樞供電電壓（V）。 ：電樞電流（A）。 ：勵(lì)磁磁通（Wb）。 ：電樞回路總電阻（）。 ：電勢(shì)系數(shù)。1.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介本系統(tǒng)采用P

2、WM調(diào)壓調(diào)速，設(shè)計(jì)包括主電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分，如圖1.1所示。 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)2.1 電路原理圖說明主電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖中組成電網(wǎng)濾波器，單項(xiàng)整流橋及電容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)電感和電容濾波后，向負(fù)載提供一個(gè)可調(diào)的平滑直流電壓。并聯(lián)在電源輸出端的電阻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態(tài)下，

3、電感續(xù)流的要求。 圖2.1 主電路原理圖 2.2 電路工作狀態(tài)分析（1） 整流輸出工作原理及波形分析 圖2.2 整流電路原理圖基本工作過程： 在正半周過零點(diǎn)至wt=0期間，因<，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容向放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)下降。 至wt=0之后，將要超過，使得D1和D4開通，=，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R1供電。 電容被充電到wt=q時(shí)，=，D1和D4關(guān)斷。電容開始以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。 當(dāng)wt=p，即放電經(jīng)過p-q角時(shí)，Ud降至開始充電時(shí)的初值，另一對(duì)二極管D2和D3導(dǎo)通，此后又向充電，與正半周的情況一樣，如圖2.3所示。 圖2.3 電容濾波對(duì)整流電路的影響

4、主要的數(shù)量關(guān)系：:1、輸出電壓平均值 1) 空載時(shí)， 。2) 重載時(shí)，逐漸趨近于0.9，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,此時(shí)輸出電壓為：1.2 (2.1) 2、電流平均值 1) 輸出電流平均值為： =/R (2.2) = (2.3) 2) 二極管電流平均值為：=/2=/2 (2.4) 3、二極管承受的電壓 1) 為變壓器二次側(cè)電壓最大值，即 。 （2）斬波電路工作原理及波形分析 圖2.4 斬波電路原理圖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(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

5、中Em所示。t=0時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。t=時(shí)刻，控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(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(dòng)小或基本維持不變。 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(jiǎn)得： （2.5）所以輸出電壓為： （2.6） 其中：=，為降壓比。 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：一是電感儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容可將輸出電壓保持住。2.3 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=220V，整流輸出電壓為=200V，斬

6、波輸出電壓為0220V直流恒壓，對(duì)于斬波電路其控制波形的占空比為0%98%， 故對(duì)于電力二極管：電力二極管平均電流為：=1/2=（37）A電力二極管承受最大反壓：=1.414=311V考慮安全裕度，電力二極管額定電壓=（23）×311=（622 933）V。取電力二極管額定電壓=940V。流過電力二極管電流有效值=/1.414=(1.4145.66)A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1.5 2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：=（1.52）*5.66/1.57=（5.47.2）A。在考慮裕量，將計(jì)算結(jié)果放大到兩倍，

7、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)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000 uF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載較大，故取=0.15F；耐壓：1.5=1.5×220=360V，取360V。即選用0.15F、360V電容器。三、IGBT的選擇因?yàn)?220V，則取3倍裕量，選耐壓為660V以上的IGBT。由于IGBT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FGL60N100BNTD  &#

8、160; 60A，300V，IGBT。 四、 續(xù)流二極管的選擇根據(jù)公式U=（23）=（160240）V，而電流I=(1.52)I2=(1216)A,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，上鋸齒波電流的 最小值必須大于或等于零。因此必須滿足下列條件： （2.7）式中，：IGBT輸入電壓；：電源輸出電壓，：電感續(xù)流二極管的凝結(jié)負(fù)載電流；：IGBT的導(dǎo)通時(shí)間。越大，輸出電流紋波越小，所允許的臨界負(fù)載電流也越小，但考慮到電感的損耗、體積及動(dòng)態(tài)特性的影響，不宜過

9、大，通常取(1.51.2) 本設(shè)計(jì)取=0.1H。 濾波電容可由式（2.9）算出，本設(shè)計(jì)中取0.01F。 （2.8）（7）變壓器參數(shù)選擇：由于PWM控制信號(hào)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400V。變比K=400/220=1.82，因?yàn)?.2，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，其中電機(jī)啟動(dòng)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

10、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控制信號(hào)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。圖3.1 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路SG3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號(hào)，強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動(dòng)IGBT，中間還需要有驅(qū)動(dòng)電路就愛你過信號(hào)放大。另外，主電路會(huì)產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號(hào)的產(chǎn)生。因此，還需要對(duì)控制電路和主電路進(jìn)行電氣隔離。

11、3.2 驅(qū)動(dòng)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(hào)一般難以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)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(dòng)要求有以下幾點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。否則IGBT會(huì)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(dòng)電路中的其他元件 不會(huì)被損壞。（2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V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）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不

12、被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。其具體電路原理圖參見圖3.2。圖3.2中的標(biāo)號(hào)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(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典

13、型的驅(qū)動(dòng)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10m A的電流流過時(shí)，光禍ISO1導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D點(diǎn)電位上升至20 V,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(duì)于EXB841腳1低5 V)，使IGBT可靠關(guān)斷。設(shè)IGBT已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V4

14、導(dǎo)通，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20 V，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EXB 841的腳3電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT。對(duì)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(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了一些優(yōu)化

15、，還增加了故障信號(hào)封鎖電路。這些主要都是為了加強(qiáng)對(duì)電路的保護(hù)，屬于保護(hù)電路的范疇。圖3.2 驅(qū)動(dòng)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(Power System Blocksets) 是為電力電子系統(tǒng)以及電力傳動(dòng)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simul

16、ink的元件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4.2 MATLAB 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ode15s比較適用。由圖可

17、見，本設(shè)計(jì)設(shè)定為60S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4.3： 圖4.3 變壓器二次側(cè)輸出電壓波形從上圖可以看出，變壓器二次側(cè)輸出電壓值穩(wěn)定值為400V。（1） 額定電壓時(shí)運(yùn)行分析電樞電壓波形如圖4.4所示：圖4.4 額定電壓時(shí)電樞電壓波形經(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、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩如圖4.5所示：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。（2） PWM信號(hào)為30%時(shí)，電路運(yùn)行分析電樞電壓波形如圖如圖4.6所示：圖4.6 PWM信號(hào)為30%時(shí)電樞電壓波形當(dāng)PWM信號(hào)占空比為30%時(shí)，輸入的電樞電壓為Ua201V。電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩如圖4.7所示： 圖4.7 PWM信號(hào)為30%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩由圖可知，PWM信號(hào)為30%時(shí)額定電壓下直流電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速n117r/min。（3） PWM信號(hào)為20%時(shí)，電路運(yùn)行分析 電樞電壓波形如圖：圖4.9 PWM信號(hào)為20%時(shí)電樞電壓波形當(dāng)PWM信號(hào)占空比為20%時(shí)，輸入的電樞電壓為Ua120V。電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩：圖4.10 PWM信號(hào)為20%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁