电力电子课程设计报告.docx

基于斩波技术的直流电机驱动电源引言定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及直流斩波调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。基于IGBT的直流斩波控制实现直流电机的调速，与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点，应用也是十分广泛的。因此，本文基于IGBT器件设计了基于斩波技术的直流电机驱动电源。关键字：直流电动机、调速、直流斩波1、驱动电路设计的基本要求1.1、主要技术数据IGBT：频率设定为5.7kHz占空比调节范围为10%90%直流电机：他励直流电机额定电压为220V额定电流为1.2A1.2、设计内容直流电机驱动电源主电路的设计驱动电路（触发电路）的设计保护电路的设计1.3、直流电机的结构和驱动电源的设计基本原理直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响【1】。直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的。利用可控硅的开关特性，控制其通断时间从而实现斩波，以改变转子两端的电压来调节直流电机的转速【2】。调压调速的特点：如图1所示(1)改变电枢电压，可得到一簇与固有机械特性平行且低于固有机械特性的人为机械特性。(2)降低电源电压，电动机的机械特性斜率不变，即硬度不变。与串电阻调速相比较，降低电源电压调速在低速范围运行时，转速稳定性要好得多。对于恒转矩负载，对不同转速，电枢电流不变。图1、调压调速特性曲线2、直流电机驱动电源设计2.1、方案选择由直流电机的转速公式【1】式中：n为电机转速U为输入电压Ia为电枢电流Ra为电枢电阻Ce为电动势常数为主磁通可知直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法（控制）与电枢电压控制法（控制U）两类。随着电力电子技术的进步, 发展了许多新的电枢电压控制方法。如: 由交流电源供电, 使用晶闸管进行相控调压; 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电, 再由PWM 斩波器进行斩波调压等。PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较, 具有下列优点: 需用的大功率可控器件少, 线路简单; 调速范围宽; 电流波形系数好, 附加损耗小; 功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。其中，直流斩波是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，这是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路。基于IGBT等位代表全控型器件的不断完善给这种控制技术也提供了强大的物质支持。本文正是基于IGBT的直流斩波电路作为直流电机驱动电源。2.2、设计与分析直流电动机的直流斩波调速系统主要由信号发生电路、IGBT驱动电路和主电路三大部分组成。下面详细介绍各部分电路的设计。2.2.1、信号发生电路信号发生电路，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。该系统是同过脉冲宽度调制来实现斩波控制的。信号发生电路是由脉冲宽度控制器TL494【3】、可调电阻和其他电路元件组成，如图2所示。图2、信号发生电路其中，TL494 是一种频率固定的脉冲调制控制电路，集成了开关电源控制所需要的主要模块，如图3所示。内部线性的锯齿波振荡器频率由2 个外部元器件决定，RT 和CT。近似的振荡频率可以由下面公式决定：fosc=1.1RTCT图3、TL494结构图输出脉冲宽度调制是通过在CT 上的正锯齿波和2 个控制信号中的任意一个比较而实现的。驱动晶体管Q1 和Q2 的或非门，当双稳态触发器的时钟输入是低电平的时候才使能，即锯齿波电压大于控制信号时。因此，增大控制信号的幅度会相应的减少输出脉冲的宽度，如图4所示。图4、TL494时序图信号发生电路中，通过调节电路的R5即RT，改变TL494的振荡频率，而使Q1输出地脉冲宽度发生变化。以引脚9输出地Q1脉冲驱动驱动电路，实现斩波电路的可调节控制。2.2.2、IGBT的驱动电路图5、IGBT结构图、简化图和电气符号图6、IGBT驱动电路如图5所示，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅极双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿管结构，相当于MOSFET驱动的厚基层PNP晶体管。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。如图6所示，本系统驱动电路为IGBT光电隔离门极驱动电路。为使IGBT工作稳定，驱动电路按要求使用+15V和-15V正、反偏压的双电源供电。为使驱动电路与信号电路隔离，采用抗噪能力强、响应快的光耦合器件。输入信号通过U3光耦合器件引入驱动电路，然后通过推拉式的电路，向IGBT集电极提供电流。由于IGBT的转移特性，当其集电极电流增加到一定值时，其栅射电压就会突然上升，这样，IGBT就导通了。集电极电流下降到一定值或被撤除时，栅射电压不足，IGBT又断开。在信号电路发出信号时，驱动电路的光耦器件U3被驱动，驱动电路被接通，向IGBT集电极提供电流，IGBT就导通了。光耦器件恢复，驱动电流提供的基极电流被切断，IGBT就关断。2.2.3、主电路主电路是一个基于IGBT降压直流斩波电路，可通过IGBT的通断，控制电机两端电压的变化，从而达到直流调速的目的。如图7所示。图7、主电路本电路选取的 IGBT型号为IRG4IBC30S，参数为VCES=600V，VCE(on)typ.= 1.4V，VGE = 15V，IC = 18A，属于N型IGBT。图8、降压斩波电路图8为跟主电路一样的降压斩波电路的电路图，当t=0时，IGBT（即图中的V）的发射机E和栅极G上达到启动电压而导通，电源E向负载供电，=E，按指数规律上升; t=t1时，IGBT关断，经VD续流，近似为零，呈指数规律下降。其中，电感L的作用是使连续且脉动小。降压斩波电路工作波形如图9 所示。电流连续时，负载电压平均值U0=tonton+toffE=tonTE=E其中，导通占空比，简称占空比或导通比。最大为E，减小a，随之成比例减小。通过IGBT通断时间控制，占空比改变了，再经过降压斩波，直流电机的电枢电压也得到可调节相应改变，从而直流电机的转速也就得到了调节。图9、降压斩波电路工作波形2.3、保护电路的设计在驱动电源工作过程中，一旦发生短路，lGBT的集电极电流增加到超过既定值，则C-E间的电压急剧增加。根据这种特性，可以将短路时的集电极电流控制在一定的数值以下，但是在IGBT上仍然有外加的高电压、大电流的负荷，必须在尽量短的时间内解除这种负荷。同时，根据IGBT的短路耐受能力，从发生短路起到电流切断为止的容许时间也受到限制。所以，为了保护装置的安全，有必要设计保护电路对相关元件或电路加以保护。本系统中主要是IGBT的保护。2.3.1、过流保护生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件，且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒（SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒），耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。产生过流的原因大致有：晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏等。由于驱动电路中没有保护功能，所以在主电路中要设置过流检测器件。对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA（如霍尔传感器等），串接在IGBT上，如图10所示。过电流检测出来的电流信号，经光耦管向控制电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过流保护。图10、IGBT的过流检测2.3.2、过压保护IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压，加之IGBT的耐过压能力较差，这样就会使IGBT击穿，因此，其过压保护也是十分重要的。此处采用吸收回路。吸收回路的作用是：当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。常用的吸收回路有两种，如图11所示。其中（a）图为充放电吸收回路，（b）图为钳位式吸收回路。对于电路中元件的选用，在实际工作中，电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2 F左右。电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些，但过大会受到放电时间的限制。电阻R选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按RT/6C计算，T为主电路的开关周期。二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。图11、吸收回路由于本电路之使用了一个IGBT所以采用充放电吸收回路。因此，最终的保护电路如图12所示：图12、保护电路3、总电路用最终的保护电路代替主电路中的IGBT就是一个完整的主电路，再接入信号发生电路和IGBT驱动电路，就是最终的驱动电源。如图13所示：图13、驱动电源课程设计总结现在，直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中，直流斩波便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用直流斩波技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。通过一周的课程设计，以理论联系实际，加深了我对电力电子技术这门课程度了解，充分认识到电力电子技术在日常生活、工业生产甚至国防中的重要作用。在设计过程中，我查阅了大量的电子文献与书籍，极大的提升了我文献检索的能力。在对电路进行分析设计的过程中，有效地锻炼了我发现问题、分析问题、解决问的的能力以及动手能力。当然，在设计过程中也发现了自己的很多不足，如基础知识不扎实，视野狭窄等，这都需要加以改正。最后，很感激学校给了我们这次动手实践的机会，也感谢苏老师对我们的指导，让我的综合能力得到了很好的锻炼与提高。4、参考文献【1】顾绳谷 电机及拖动基础.第4版.北京：机械工业出版社，2007.10（2009.1重印）【2】王兆安、黄俊 电力电子技术.第4版.北京：机械工业出版社，2000（2008.1